分段注漿封孔技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用

胡 斌

(西山煤電集團(tuán) 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn) ·

分段注漿封孔技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用

胡 斌

(西山煤電集團(tuán) 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

以某礦2404工作面為工程實(shí)例，介紹了“兩堵一注”分段注漿封孔技術(shù)的封孔參數(shù)與工藝。工程實(shí)踐表明，與采用普通的聚氨酯、水泥砂漿封孔法相比，聚氨酯“兩堵一注”施工工藝優(yōu)越性明顯，可以提高封孔后的抽采濃度，且該法封孔后抽采濃度降低速度較慢；在瓦斯抽采量方面，也較原工藝大大提高。

瓦斯抽采；“兩堵一注”分段注漿封孔技術(shù)；聚氨酯

1 概 況

瓦斯抽采理論與技術(shù)的提出，為煤礦瓦斯治理提供了一套非常好的解決方案。隨著瓦斯抽采技術(shù)的不斷發(fā)展，瓦斯事故也大幅度減少。盡管如此，瓦斯抽采技術(shù)尚不成熟，仍然存在許多問(wèn)題，比如，在抽采瓦斯過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鉆孔封孔不嚴(yán)密，導(dǎo)致漏氣，從而抽采濃度和抽采量均出現(xiàn)大幅度下降。該問(wèn)題成為瓦斯抽采技術(shù)的一個(gè)瓶頸，制約了抽采瓦斯治理災(zāi)害的進(jìn)程。

為了解決鉆孔封孔不嚴(yán)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科技工作者一直在進(jìn)行廣泛地探索。到目前為止，常用的鉆孔封孔方法主要有5種，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1.

表1 常用的幾種封孔方法比較表

某煤礦原來(lái)在抽采鉆孔封孔時(shí)采用聚氨酯、水泥砂漿封孔法，封孔質(zhì)量不高，在礦山壓力作用下，封孔段經(jīng)常發(fā)生破壞，出現(xiàn)較多裂隙，發(fā)生漏風(fēng)，嚴(yán)重影響瓦斯抽采的效果。該礦經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，提出了采用聚氨酯“兩堵一注”分段注漿封孔技術(shù)，有效地解決了這一技術(shù)難題，下面就對(duì)該成果予以介紹：

2 聚氨酯“兩堵一注”分段注漿封孔原理

該封孔技術(shù)原理見(jiàn)圖1. 首先，在抽采鉆孔的孔底和孔口，分別進(jìn)行注漿封堵，然后在鉆孔的中間段，再進(jìn)行注漿，簡(jiǎn)稱(chēng)就是“兩堵一注”。具體操作如下：

圖1 鉆孔封孔示意圖

1) 準(zhǔn)備兩根封孔套管，在套管的兩端用專(zhuān)用封孔布袋套住并綁緊，將制備好的聚氨酯液用壓風(fēng)充填容器(該容器為自制的充填容器，下同)充填至封孔段的兩端。聚氨酯液發(fā)泡膨脹后，將兩端充填固定并封堵兩端。

2) 待鉆孔兩端被封堵好以后，向封孔中段充填聚氨酯液，充填方法仍是使用壓風(fēng)充填容器將聚氨酯液吹入。剛吹入時(shí)，聚氨酯混合溶液沒(méi)有發(fā)泡，會(huì)在煤巖體的裂隙中不斷擴(kuò)散。待充分?jǐn)U散后，聚氨酯混合溶液發(fā)泡膨脹，即可對(duì)封孔中間段煤巖體的裂隙進(jìn)行充填封堵。

3 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在該礦2404工作面，該工作面煤層走向?yàn)镹39°W～N56°E， 傾角5°～22°，平均傾角16°；煤層厚度在4.9～5.7 m，平均厚度5.4 m，煤層穩(wěn)定；設(shè)計(jì)標(biāo)高為-490～-560 m，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，巖層裂隙發(fā)育，南翼為一盆地，北翼為一穹窿構(gòu)造。根據(jù)地質(zhì)資料預(yù)測(cè)，該工作面在回采過(guò)程中，將揭露19條正斷層，斷層落差在0.6～11 m. 設(shè)計(jì)在2404工作面刮板輸送機(jī)槽下幫施工下斜順層鉆孔，向鉆孔中注入聚氨酯，采用“兩堵一注”分段注漿封孔方法進(jìn)行封孔。

4 封孔參數(shù)

4.1 黑、白料的配比選擇

試驗(yàn)表明，當(dāng)把黑、白料的配比控制在1∶(1～1.11)時(shí)，可以得到最大的膨脹率，但是在白料較少的條件下，兩種原料混合后膨脹速度太快。例如當(dāng)配比為1∶1時(shí)，混合后僅20 s便膨脹完畢，這不利于人工封孔操作。為了便于操作，將配比設(shè)置為1∶1.2，這時(shí)膨脹率稍小，但是膨脹延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)40 s 左右，方便工人操作。

4.2 聚氨酯用量的確定

在自由空間內(nèi)，聚氨酯的膨脹系數(shù)約為30倍，但是在環(huán)形空間內(nèi)則與自由空間不同，聚氨酯在環(huán)形空間內(nèi)的膨脹系數(shù)會(huì)隨著環(huán)形空間的長(zhǎng)度增加而不斷變化，其變化關(guān)系可以用下式表示：

y=28.91e- 0.183x

其相關(guān)性系數(shù)R2=0.96.

具體到某一個(gè)注漿點(diǎn)時(shí)，聚氨酯在該環(huán)境下的膨脹系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。膨脹系數(shù)確定后，再根據(jù)設(shè)計(jì)的封孔長(zhǎng)度、環(huán)形空間體積等因素確定聚氨酯的用量。

4.3 確定封孔長(zhǎng)度

選擇一個(gè)合理的封孔長(zhǎng)度對(duì)于瓦斯抽采非常重要，因?yàn)樵诿后w內(nèi)部有許多構(gòu)造裂隙發(fā)育，在受采動(dòng)擾動(dòng)大的區(qū)域更是如此。如果封孔深度過(guò)小，沒(méi)有穿過(guò)巷道的應(yīng)力集中帶，那么，由于鉆孔通過(guò)裂隙與外部空間形成了一個(gè)回路循環(huán)，空氣會(huì)在負(fù)壓作用下，通過(guò)裂隙被吸入到鉆孔中，從而降低抽采出的瓦斯?jié)舛?。而封孔長(zhǎng)度太大又會(huì)增加成本，浪費(fèi)資源。確定合理的封孔長(zhǎng)度，關(guān)鍵是應(yīng)該弄清楚巷道周?chē)严度Φ姆植挤秶?/p>

通過(guò)對(duì)該煤礦巷道的檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)其煤巷周?chē)严度Π霃皆?～15 m，為避開(kāi)裂隙圈的影響，封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于裂隙圈的發(fā)育范圍，故將煤巷鉆孔封孔長(zhǎng)度定為17 m. 巖巷周?chē)牧严度π∮诿合?，?～10 m，將其封孔長(zhǎng)度定為13 m.

5 封孔工藝

1) 吹渣。鉆孔施工結(jié)束后，封孔以前需要先將孔內(nèi)巖渣清理干凈，以便順利下套管。清理巖渣可以使用高壓風(fēng)管吹孔，也可以向孔內(nèi)注水清洗。

2) 下套管。在下套管的過(guò)程中，務(wù)必使套管的接頭處密實(shí)，防止注漿過(guò)程中漏漿。要做到連接緊密不漏漿，需要注意以下兩點(diǎn)：對(duì)于螺紋連接的套管，需將接頭處扭緊，上滿絲扣；對(duì)于插接式連接的套管，連接前需在接口處涂上一定量的快干膠水。

3) 進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。為檢查封堵效果是否良好，需要在孔口及封孔深度最前端注漿充填封堵之后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)的方法如下：首先把壓風(fēng)管路和排氣管路在孔口處連接起來(lái)，然后向套管內(nèi)壓風(fēng)1 min， 觀察是否有返風(fēng)從孔口套管出來(lái)，如果沒(méi)有返風(fēng)，則表明密閉成功。壓風(fēng)時(shí)風(fēng)壓宜控制在0.05～0.1 MPa，切不可過(guò)高，風(fēng)壓過(guò)高容易將座底密閉沖跨。

4) 充填聚氨酯。氣密性試驗(yàn)合格后，即可向套管內(nèi)充填聚氨酯。充填之前需先計(jì)算好聚氨酯用量及配比濃度，確保一次充填到位，避免一次充填用量不足，注漿管路被發(fā)泡后的聚氨酯堵塞而封孔失敗。

6 抽采效果

封孔后，開(kāi)始的近一個(gè)月內(nèi)，瓦斯抽采濃度基本維持在75%以上(見(jiàn)表2)，之后抽采濃度有所降低，但仍然在55%以上，孔口抽采負(fù)壓一直維持在12～17 kPa，見(jiàn)表2. 表2中第一列表示抽采濃度變化，第二列表示抽采量的變化。由該表可以看出，從12月12日—1月10日，抽采量在不斷增加，這是因?yàn)殂@孔數(shù)量在不斷增加。

表2 主管路中瓦斯抽采濃度與抽采純量變化表

采用“兩堵一注”封孔與原封孔工藝在抽采濃度和抽采量的對(duì)比分別見(jiàn)圖2，圖3.由圖2，3可以看出，采用“兩堵一注”封孔工藝后，抽采濃度和抽采量都提高。在封孔初期，“兩堵一注”封孔后的抽采濃度為83%，同期原封孔方法達(dá)到的抽采濃度為55%. 隨著時(shí)間的推移，抽采濃度逐漸下降，但原封孔工藝下降速度很快，而“兩堵一注”工藝對(duì)應(yīng)的曲線下降則較為緩慢。封孔40天后，原工藝的抽采濃度僅為12%，而新工藝為65%；封孔90天后，原工藝的抽采濃度僅剩下5%，而新工藝仍然有50%. 由圖3可知，新工藝也優(yōu)于原工藝，例如在封孔后40天(這時(shí)鉆孔剛好施工完畢，抽采量達(dá)到最大值)，新工藝的抽采量達(dá)到2.6 m3·min- 1，而原工藝的抽采量?jī)H為1.1 m3·min-1，前者是后者的2.6倍。

圖2 抽采濃度對(duì)比曲線圖

圖3 抽采量對(duì)比曲線圖

7 結(jié) 論

以某礦2404工作面為例，介紹了“兩堵一注”分段注漿封孔技術(shù)的應(yīng)用。工程實(shí)踐表明，與采用普通的聚氨酯、水泥砂漿封孔法相比，聚氨酯“兩堵一注”施工工藝優(yōu)越性明顯，可以提高封孔后的抽采濃度，且該法封孔后抽采濃度降低速度較慢，封孔后90天，抽采濃度依然高達(dá)50%，而原封孔工藝在封孔40天后抽采濃度就已經(jīng)很低。在瓦斯抽采量方面，也較原工藝提高，新工藝的抽采量可以達(dá)到原工藝抽采量的2.6倍。

[1] 侯少波.新型封孔技術(shù)在井下瓦斯抽采中的應(yīng)用研究[J].煤炭與化工,2017(5):109-111.

[2] 孫振敏.囊袋式注漿封孔法在本煤層瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015(11):229-230，245.

[3] 李文樹(shù)，陳久福，龍建明，等．瓦斯順層抽采鉆孔封孔工藝改進(jìn)研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù),2013(S2):161-162．

[4] 殷文韜，劉明舉，溫志輝，等．煤層瓦斯抽放封孔工藝研究與應(yīng)用[J]．煤炭工程，2011，1(2)：31-33．

[5] 唐 征，陳立偉.松軟煤層全孔段下放篩管瓦斯促抽技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34(9)：132-134.

[6] 王大慶，邢 祥，徐學(xué)伏.聚氨酯注漿封孔技術(shù)在松軟煤層瓦斯抽放中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2011(9):89-91.

Application of Segmental Grouting Sealing Technology in Gas Drainage

HU Bin

Introduces the sealing parameters and process of sealing the two ends then grouting segmental grouting with 2404 working face as a case in a mine. Engineering practice shows that compared with the ordinary polyurethane, cement mortar sealing method, the polyurethane plus sealing the two ends then grouting method represent more advantageous, the gas extraction concentration improved with longer decreasing period afterwards. The gas production also increased greatly than before.

Gas extraction; Sealing the two ends then grouting segmental grouting sealing technology; Polyurethane

2017-05-05

胡 斌(1984—)，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，2007年畢業(yè)于華北科技學(xué)院，工程師，主要從事煤礦通風(fēng)及瓦斯抽采管理工作

(E-mail)hubinbin1198@126.com

TD712+.6

B

1672-0652(2017)06-0040-03