深部首采關(guān)鍵保護(hù)層預(yù)抽鉆孔高效封孔技術(shù)研究

王 永

（煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，安徽淮南232001）

0 引 言

瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害的根本措施，是實(shí)現(xiàn)突出煤層安全開采的前提和保證[1-3]。實(shí)踐證明，無(wú)論是保護(hù)層開采還是預(yù)抽煤層瓦斯，鉆孔抽采是煤礦井下瓦斯治理不可或缺的方法[4-6]。依據(jù)當(dāng)前煤層瓦斯治理的經(jīng)驗(yàn)，采用鉆孔治理瓦斯時(shí)，鉆孔封孔是保證瓦斯治理效果的關(guān)鍵，封孔位置、封孔深度、鉆孔密封后煤(巖)體周圍裂隙分布等影響著鉆孔抽采瓦斯效果。常用的抽采鉆孔封孔工藝主要有粘土/水泥卷封孔、封孔器封孔、水泥漿封孔、聚氨酯封孔等[7-9]，對(duì)提高抽采鉆孔密封效果起到了不同程度的推動(dòng)作用，但當(dāng)前抽采鉆孔封孔質(zhì)量不滿足瓦斯抽采要求的現(xiàn)狀依然存在，仍有很多技術(shù)難題尚未解決，包括高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層鉆孔的成孔難，鉆孔封孔質(zhì)量不高，封孔后抽采瓦斯?jié)舛鹊汀⒊椴闪啃〉葘?shí)際問題[10-11]。

因此，針對(duì)鉆孔高效封孔技術(shù)的研究，對(duì)解決煤礦瓦斯問題意義重大，有助于提高瓦斯預(yù)抽效果，充分發(fā)揮鉆孔工程效益。以淮南礦區(qū)謝橋煤礦首采6 煤層為研究對(duì)象，結(jié)合6 煤層瓦斯地質(zhì)條件，基于對(duì)鉆孔圍巖應(yīng)力及裂隙分布的研究成果，分析鉆孔合理封孔位置，對(duì)比分析“囊袋式兩堵一注”及“聚氨酯+水泥漿”兩種封孔技術(shù)應(yīng)用效果，為高瓦斯低透氣性煤層預(yù)抽鉆孔高效封孔提供借鑒。

1 工程概況

謝橋礦B 組煤（8、6、4-2 煤層）均為突出煤層，礦井二水平范圍內(nèi)的B 組煤基本處于突出危險(xiǎn)區(qū)，采用選擇中間6 煤層作為保護(hù)層先行開采的瓦斯治理模式，6 煤距上覆8 煤層平均間距為33.26m，下距5煤層和4-2 煤層分別為18.12m、25.62m。

以二水平東翼采區(qū)6 煤層13516 運(yùn)順、21216 底抽巷為試驗(yàn)地點(diǎn)，該區(qū)域煤層平均厚度為2.91m，平均傾角為13°；煤巷條帶瓦斯采用在施工4 煤底抽巷施工穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，鉆孔采用10m×5m 網(wǎng)格化布置，封孔采用聚氨酯一堵多注方法；回采區(qū)域瓦斯采用順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，鉆孔間距為15m，封孔采用囊袋式兩堵一注方法。

2 鉆孔合理封孔深度分析

2.1 抽采鉆孔周邊裂隙發(fā)育

巷道掘進(jìn)過程中，圍巖原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖應(yīng)力重新分布，在巷道周圍會(huì)形成一個(gè)3～5倍巷道寬度的裂隙帶。巷道掘進(jìn)完成后，巷道圍巖裂隙不斷發(fā)育，并相互連通，在巷道周邊形成如圖1 所示的卸壓帶、應(yīng)力集中帶、原巖應(yīng)力帶（三帶）。

處在裂隙帶內(nèi)的裂隙較為發(fā)育，且裂隙之間相互貫通。若裂隙帶內(nèi)孔隙封閉不嚴(yán)時(shí)，導(dǎo)致瓦斯抽采效果不佳。

圖2 鉆孔圍巖變形分布情況

如圖2 所示，在抽采鉆孔施工同樣會(huì)造成巷道以及鉆孔周邊煤巖體的損傷，產(chǎn)生塑性區(qū)、彈塑性區(qū)及彈性區(qū)（三區(qū)），使得鉆孔周邊次生裂隙發(fā)育。封孔過程中，需對(duì)這些裂隙進(jìn)行封堵，保證抽采效果。

2.2 鉆孔密封合適位置

根據(jù)圖3 所示的煤樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線[12]，煤樣的應(yīng)力全程分為5 個(gè)階段：OA 段，原始空隙壓密階段；AB 段，線彈性階段；BC 段，彈塑性變形階段；CD段，破壞階段；DE 段，破壞發(fā)展階段。圖中B 點(diǎn)為彈性極限，D 點(diǎn)為強(qiáng)度極限，從C 點(diǎn)開始，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到0.95 σmax以上時(shí)，裂隙不斷生成并相互貫通。因此，自CD 段起，試件內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，裂隙之間相互貫通，形成瓦斯流動(dòng)通道。自最大應(yīng)力點(diǎn)至煤壁的距離為塑性極限應(yīng)力帶，該區(qū)域內(nèi)煤體多為塑性破壞，內(nèi)部發(fā)育大量裂隙，并出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象。該區(qū)域有助于提高超前動(dòng)壓區(qū)瓦斯抽放效果。

塑性區(qū)內(nèi)煤體受巷道掘進(jìn)、鉆孔施工等工程擾動(dòng)影響較大，該區(qū)內(nèi)煤體破碎且裂隙發(fā)育，該區(qū)域內(nèi)封孔會(huì)導(dǎo)致二次再生裂隙發(fā)育，降低封孔質(zhì)量；且該區(qū)域的瓦斯得到充分釋放，不需要在進(jìn)行抽采。因此，合理的封孔深度應(yīng)越過卸壓區(qū)進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)。

圖3 煤樣應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€

3 關(guān)鍵保護(hù)層預(yù)抽鉆孔封孔試驗(yàn)方案

盡管當(dāng)前關(guān)于鉆孔的密封方法有很多，但能夠大范圍推廣應(yīng)用并能取得較好效果的方法并不多。從礦區(qū)封孔成本以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，“聚氨酯+水泥漿封孔”、“囊袋式兩堵一注封孔+水泥漿”兩種封孔方法應(yīng)用相對(duì)較多，并針對(duì)該兩種封孔方法及封孔參數(shù)開展現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。

針對(duì)6 煤層試驗(yàn)區(qū)13516 運(yùn)順、21216 底抽巷具體條件，開展順層鉆孔和穿層鈷孔的封孔參數(shù)研究。試驗(yàn)方案見表1。

表1 6 煤層試驗(yàn)區(qū)鉆孔封孔參數(shù)試驗(yàn)方案

4 不同封孔方式下的抽采效果分析

如圖4 所示，44-2#、46-1#和47-1#為改進(jìn)型聯(lián)動(dòng)封孔裝置+新材料封孔；45-2 和46-2 為聚氨酯+普通水泥封孔；47-2 為聚氨酯分段封孔。從圖中可以看出，囊袋式兩堵一注封孔裝置與聚氨酯封孔兩種情況下瓦斯抽采效果對(duì)比情況，可以看出在其他參數(shù)相同的情況下，囊袋式兩堵一注封孔效果要優(yōu)于聚氨酯封孔。

圖4 不同封孔方法瓦斯抽采效果對(duì)比

圖5 穿層鉆孔不同封孔參數(shù)瓦斯抽采效果對(duì)比

表2 不同封孔參數(shù)瓦斯抽采效果

根據(jù)圖5 及表2 可以看出，同等抽采條件下，上向穿層鉆封孔效果在0～15m 范圍內(nèi)隨著封孔長(zhǎng)度的增加而提高；當(dāng)封孔長(zhǎng)度大于15m 后，封孔效果提高較小。

根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)頂板巖層巖性特點(diǎn)，穿層鉆孔施工巷道存在松動(dòng)裂隙圈，其值可以達(dá)到3m，穿層鉆孔封孔時(shí)，若注漿壓力滿足不了要求，往往不能有效封堵巷道松動(dòng)裂隙圈。另外，煤礦井下的采動(dòng)應(yīng)力處于變化中，爆破、頂板垮落引起的動(dòng)壓往往會(huì)降低鉆孔孔口的注漿封孔質(zhì)量，導(dǎo)致巷道松動(dòng)裂隙圈密閉質(zhì)量難以持續(xù)保證。

地質(zhì)資料顯示穿層鉆孔施工所在的底抽巷巷道頂板賦存有6～7m 厚的砂巖，砂巖上覆有泥巖或砂質(zhì)泥巖。泥巖或砂質(zhì)泥巖與砂巖相比，自身具有較好的可塑性，抵抗外界應(yīng)力擾動(dòng)的能力較強(qiáng)，完整性較好，擾動(dòng)裂隙較少。

綜上所述，在6 煤層穿層鉆孔封孔過程中，更應(yīng)注重封孔位置的選擇。選擇距離孔口一定距離的泥巖或(和)砂質(zhì)泥巖進(jìn)行封孔，即巖段的封孔長(zhǎng)度應(yīng)超過8m，才能有效提高穿層鉆孔封孔質(zhì)量。

5 順層鉆孔封孔效果

圖6 所示的是順層鉆孔不同封孔參數(shù)下的瓦斯抽采效果，從測(cè)試結(jié)果看，隨著順層鉆孔封孔長(zhǎng)度在0～18m 范圍內(nèi)增大過程中，瓦斯抽采純量相應(yīng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，瓦斯抽采效果愈加良好；當(dāng)封孔長(zhǎng)度超過18m后，抽采純量增長(zhǎng)速度減緩，甚至趨于停滯，瓦斯抽采效果提高較小。

根據(jù)封孔長(zhǎng)度為5～25m 和0～20m 兩種條件下的單孔純量對(duì)比可知，封孔長(zhǎng)度增大，瓦斯抽采效果并沒有太大提高。綜合分析表明，封孔長(zhǎng)度為20-25m時(shí)，在保證了封孔質(zhì)量的同時(shí)，也更加經(jīng)濟(jì)合理。

圖6 順層鉆孔不同封孔深度下的單孔抽采純量變化圖

從封孔參數(shù)與瓦斯抽采效果看，預(yù)想的穿層鉆孔條帶預(yù)抽距巷幫15m 范圍的區(qū)域并未完全破碎，即采用兩堵一注封孔裝置及方法能夠有效封堵該區(qū)域的部分裂隙。表明順層鉆孔封孔范圍為5～18m 的區(qū)域，即封孔長(zhǎng)度13m 即可滿足順層鉆孔封孔質(zhì)量要求；煤體較破碎時(shí)，可封堵5～20m。

6 結(jié) 論

1）采用“囊袋式+兩堵一注”封孔方式能夠有效封堵封孔段周圍煤巖體裂隙，密封效果優(yōu)于“聚氨酯+水泥漿”封孔方式。

2）提高6 煤層穿層鉆孔封孔質(zhì)量的關(guān)鍵在于確定合理的封孔位置，上向穿層鉆封孔效果隨著封孔長(zhǎng)度的增加而提高，但封孔長(zhǎng)度不宜超過15m。

3）6 煤層順層鉆孔封孔長(zhǎng)度為13m 時(shí)，即可滿足正常條件下的順層鉆孔封孔質(zhì)量要求。