綜采工作面三位一體鉆孔密封高效瓦斯抽采技術研究及應用

馬德林

（山西省大同煤礦集團有限責任公司通風處，山西 大同 037003）

1 工程概況

該礦屬于高瓦斯礦井，2#煤層絕對瓦斯壓力范圍為 0.5～0.67MPa，瓦斯含量為 5.83～7.58 m3/t，透氣性系數(shù)為0.4625m2/（MPa2.d），屬可以抽放煤層。某工作面配風量2425m3/min，回采期間主要為本煤層鉆孔抽采（正、付巷均施工有鉆孔抽采）、上隅角（兩趟）埋管抽采及裂隙帶鉆孔抽采三種抽采方法，在進行抽采工作時為保證抽采效果，通過在順槽內采動幫采用壁面進行噴涂、固液混合鉆孔密封以及充填護孔的三位一體封孔瓦斯抽采技術進行瓦斯抽采工作，現(xiàn)針對這三種措施的具體方法對本煤層瓦斯抽采效果的影響進行分析。

2 巷道壁面噴涂對瓦斯抽采的影響

為有效防止在瓦斯抽采時煤壁出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，故需對鉆孔周圍裂隙及巷幫裂隙進行有效封堵，使用壁面噴涂能夠對煤壁的裂隙形成很好的封堵，從源頭上對隔離漏氣通道，現(xiàn)通過FLUENT軟件對瓦斯抽采鉆孔的煤壁采用的壁面噴涂前后的抽采效果進行模擬對比分析，根據(jù)工作面現(xiàn)場的具體情況，建立如圖1所示的幾何模型，模型中煤層沿孔徑徑向的長度為50m，沿鉆孔方向的長度為100m，并在模型中設置觀察點A，其坐標為（2,27），設置煤層壓力為2MPa，鉆孔孔口抽采壓力為-20kPa。

圖1 煤層瓦斯抽采幾何模型

2.1 未噴涂煤壁抽采效果

根據(jù)瓦斯抽采的現(xiàn)場情況可知，在進行本煤層瓦斯抽采作業(yè)時，巷道內的氣體會通過鉆孔的封孔段或者裂隙進入到鉆孔，現(xiàn)對巷道一側的漏風情況進行考察，為簡化研究視漏風側的壓力出口值為0，以此條件對煤層瓦斯的抽采壓力隨時間的變化情況進行考察，根據(jù)模擬結果選取考察點A具有代表性的點進行瓦斯壓力隨抽采時間變化規(guī)律的擬合，曲線圖如圖2所示。

分析圖2可知，A點的瓦斯壓力會隨著時間的增加呈現(xiàn)出明顯的負指數(shù)規(guī)律下降，在16d以前，A點的瓦斯壓力會急劇下降，且在26d時降低為負值，鉆孔開始出現(xiàn)漏風現(xiàn)象，在60d時鉆孔的漏風達到-20kPa。

圖2 未噴涂煤壁時A點瓦斯壓力-時間曲線

2.2 噴涂煤壁抽采效果

在巷道一側煤壁噴涂時，將模型一側設為完全不漏風的狀態(tài)，通過建立的數(shù)值模擬模型對不同抽采時間下，本煤層的瓦斯壓力的變化規(guī)律進行模擬分析，通過選取模型中較具有代表性的考察點A中對瓦斯壓力隨時間的變化規(guī)律進行擬合，得出曲線圖如圖3所示。

圖3 噴涂一側煤壁后瓦斯壓力-時間變化曲線

分析圖3可知，A點的瓦斯壓力隨著時間的呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)規(guī)律下降，且下降較為劇烈的區(qū)域為前25d，25d后下降速度逐漸平緩，最后趨近于一個定值，這即可說明在煤壁在噴涂后完全不漏氣的狀態(tài)下，巷道壁面處的瓦斯會逐漸被抽走，但由于抽采能力的有限，不會降低到零，且抽采半徑不會隨著時間的增長無限增大。

根據(jù)上述分析可知壁面在未采取噴涂措施時，瓦斯壓力會隨著抽采時間的增大而逐漸減小，并且在最終會變?yōu)樨撝?，當巷道煤壁采取噴涂措施時，在一定范圍內，瓦斯抽采的有效半徑隨著抽采時間的增長而逐漸變大，抽采效果良好，據(jù)此可知壁面噴涂能夠有效的減小負壓損耗，提高瓦斯的抽采效率。

3 煤層瓦斯充填護孔抽采研究

工作面在進行瓦斯抽采作業(yè)時采用充填護孔的方式保護鉆孔，該方法即為在抽采氣室中注入高透氣性的多孔流體狀態(tài)材料，在多孔材料凝固后，能夠有效的防止鉆孔坍塌，確保瓦斯抽采的可持續(xù)性[1-3]，具體充填護孔的方式如圖4所示。

圖4 充填護孔方法示意圖

在工作面進行充填護孔作業(yè)時，主要使用的為多孔介質材料，在施工時就地選用煤屑作為骨料，使用泡沫輕質土作為鉆孔抽采氣室的多孔介質充填材料，泡沫輕質土是通過物理方法將發(fā)泡水溶液制備成泡沫得到，由于泡沫輕質土泡孔結構的存在，能夠與內部泡孔形成溝通，提升透氣性，同時其作為鉆孔充填材料具有良好的抵抗沖擊的特性，能夠有效的防止鉆孔的失穩(wěn)變形[4-5]。

在進行充填護孔作業(yè)時，其操作流程為：首先使用鉆機在預定的位置處施工穿層瓦斯鉆孔或者本煤層鉆孔，在鉆孔打設完畢后進行退鉆作業(yè)，通過空心鉆桿向打設完畢的鉆孔內注入充填材料，最后進行常規(guī)的鉆孔封孔作業(yè)。

4 三位一體封孔抽采技術

4.1 封孔抽采技術

在工作面瓦斯抽采鉆孔的孔徑為130mm，抽采負壓為20kPa的條件下，在運輸順槽內選取部分鉆孔采用三位一體的封孔技術進行瓦斯抽采，工作面進行瓦斯抽采工作時采用壁面噴涂、固液混合鉆孔密封及充填護孔的方式進行瓦斯抽采工作，具體現(xiàn)場進行瓦斯抽采時施工順序如圖5所示。

圖5 三位一體封孔抽采技術流程圖

現(xiàn)場施工采用固液混合流體的方法進行封孔時，通過將蓄能穩(wěn)壓設備與注漿管路進行連接，以此保證在注漿完成后封孔段流體材料的壓力能夠處于指定的流域，從而有效確保在新的裂隙出現(xiàn)時流體材料不會由于供給不足而出現(xiàn)封孔段失效的現(xiàn)象。

在封孔作業(yè)完成后，在孔口處進行噴涂以在煤壁面上形成隔膜層，阻止煤壁與外部空氣相接觸，保證瓦斯抽采的高效性，在進行煤壁噴涂作業(yè)時，以鉆孔為中心，對周圍3m圓形區(qū)域內進行有效噴涂。

4.2 效果分析

為對三位一體封孔抽采的效果進行分析，選取運輸順槽在原始封孔技術下的鉆孔與采用三位一體封孔技術的鉆孔進行對比分析，本次試驗共計選取20個鉆孔，將采用三位一體封孔工藝的鉆孔標記為Ⅰ類鉆孔，采用該封孔技術的鉆孔共計18個，將采用采用原有“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔標記為觀察孔，通過對瓦斯抽采作業(yè)時進行持續(xù)30d的觀測，能夠得出Ⅰ類鉆孔與對比孔瓦斯抽采濃度間的對比曲線，具體曲線圖如圖6所示。

圖6 Ⅰ類試驗孔與觀察孔對比曲線圖

通過分析圖6可知，工作面運輸巷內本煤層瓦斯抽采的考察鉆孔和試驗鉆孔均有著較高的初始抽采濃度，這表明巷道在掘進期間由于開挖的影響，使得巷道周圍的煤體形成卸壓作業(yè)，增大了煤層的透氣性系數(shù)，進而導致鉆孔內的瓦斯含量很高，通過對比曲線圖可知在30d的考察時間內，試驗孔的瓦斯抽采濃度一致保持在48%～58%左右，而采用原始封孔工藝的觀察孔瓦斯抽采的濃度會隨著時間的增加出現(xiàn)較快的衰減，在監(jiān)測到30d左右時瓦斯抽采的濃度已經(jīng)降低至8%～10%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為在抽采初期由于孔內的瓦斯含量大，在抽采一定時間后，隨著鉆孔內游離瓦斯數(shù)量的減少，采用原有封孔工藝的密封質量較差的弊端會顯現(xiàn)的越來越明顯，觀察孔的瓦斯抽采濃度逐漸降低，進而致使試驗鉆孔與觀察孔相對比的瓦斯抽采濃度增量在逐漸增大。

綜合上述分析可知工作面采用三位一體密封高效抽采技術，通過在煤壁上進行噴涂、固液混合鉆孔密封以及充填護孔三種技術相結合的方式，提高了封孔效率，保證了瓦斯的安全高效抽采。

5 結論

針對工作面的具體地質條件，通過具體分析瓦斯抽采作業(yè)時巷道壁面噴涂、煤層瓦斯充填護孔對瓦斯抽采效果的影響，提出三位一體封孔技術進行高效瓦斯抽采作業(yè)，并對應用效果進行監(jiān)測分析，得出采用三位一體密封封孔工藝的瓦斯抽采濃度一致保持在48%～58%%左右，可知三位一體密封抽采技術保證了瓦斯安全高效抽采。