本煤層瓦斯抽采鉆孔注漿堵漏風(fēng)技術(shù)

張?jiān)品?/p>

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州賽孚瑞科高分子材料有限公司，江蘇 徐州 221008）

瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的重要手段，而井下本煤層鉆孔因施工簡(jiǎn)便、成本較低，已在我國(guó)煤礦瓦斯抽采中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，由于煤巖體受鉆孔開挖等因素的影響，鉆孔圍巖裂隙演化發(fā)育，致使在抽采本煤層瓦斯時(shí)巷道內(nèi)空氣涌入鉆孔，導(dǎo)致鉆孔瓦斯抽采濃度持續(xù)降低[3-4]。要提高本煤層瓦斯抽采濃度，關(guān)鍵就在于對(duì)鉆孔口處的圍巖裂隙進(jìn)行堵漏，提高鉆孔密封性，從而減少鉆孔漏氣[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)本煤層鉆孔堵漏技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[6-12]，這些研究在瓦斯初始抽采階段能夠使瓦斯抽采濃度保持在比較高的水平，但在中后期進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，本煤層鉆孔圍巖裂隙仍然持續(xù)發(fā)展，直至貫通整個(gè)裂隙網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度急劇衰減?；诖?，提出一種能夠延長(zhǎng)本煤層鉆孔抽采壽命的新注漿堵漏技術(shù)。

1 理論分析

1.1 漏氣機(jī)理

本煤層鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)低主要是由于空氣泄漏，公式如下：

式中：G 為抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；QM、QA分別為單位時(shí)間內(nèi)煤層鉆孔抽采的瓦斯量和空氣泄漏量，m3/min。

由式（1）可知，減少鉆孔空氣泄漏量可顯著提高瓦斯抽采效率。本煤層鉆孔圍巖漏氣機(jī)理圖如圖1。

圖1 本煤層鉆孔圍巖漏氣機(jī)理圖Fig.1 Mechanism diagrams of air leakage in the surrounding rock of the in-seam borehole

由圖1 可知，由于巷道掘進(jìn)以及鉆孔開挖分別打破了巷道和鉆孔圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在巷道和鉆孔周圍形成了“巷道松動(dòng)圈”和“鉆孔松動(dòng)圈”。圍巖應(yīng)力值沿鉆孔軸向自外向內(nèi)呈先增大再逐漸減小的趨勢(shì)，并依次將巷道圍巖劃分為4 個(gè)區(qū)域：卸壓、塑性、彈性和原巖應(yīng)力區(qū)。其中，卸壓區(qū)內(nèi)煤巖體的宏觀裂隙較多，滲透率較高；塑性區(qū)內(nèi)的微觀裂隙較多，滲透率略高；彈性區(qū)內(nèi)煤巖體的裂隙受擠壓作用被壓實(shí)，其滲透率小于原始煤層的滲透率。

受巷道掘進(jìn)及鉆孔開挖影響，鉆孔圍巖應(yīng)力不斷增大，裂隙逐漸發(fā)育演化，井下巷道、漏氣通道以及瓦斯抽采管共同構(gòu)成本煤層鉆孔“漏氣環(huán)”。在鉆孔抽采瓦斯一段時(shí)間后，受地應(yīng)力和瓦斯抽采壓力等因素的共同影響，漏氣裂隙將會(huì)沿著鉆孔軸向、徑向持續(xù)發(fā)育演化，直至在舊漏氣通道的外側(cè)生成1條新的漏氣通道，造成鉆孔再次漏氣。在瓦斯抽采過程中，巷道內(nèi)空氣沿漏氣通道持續(xù)進(jìn)入到瓦斯抽采管，使得巷道中大量空氣進(jìn)入本煤層鉆孔，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)持續(xù)降低，最終導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。

1.2 堵漏風(fēng)原理

空氣泄漏量QA計(jì)算公式如下:

式中：K 為煤層的滲透率，m2；S 為環(huán)形應(yīng)力變化區(qū)域橫截面積，m2；p0為巷道內(nèi)氣體壓力，MPa；p1為鉆孔內(nèi)空氣壓力，MPa；μ 為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；s為鉆孔密封長(zhǎng)度，m。

由于鉆孔圍巖的漏氣通道連接了巷道及瓦斯抽采管，因此，可將切斷漏氣通道作為減少鉆孔漏氣的主要突破口，通過注漿堵漏對(duì)該漏氣通道進(jìn)行密封以減少漏氣。新注漿堵漏技術(shù)原理如圖2。

圖2 新注漿堵漏技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic diagrams of the principles of the proposed new method

由圖2 可知，漏氣裂隙的主要分布范圍在巷道圍巖的卸壓和塑性區(qū)。因此，在鉆孔封孔深度內(nèi)，將鉆孔密封段分為空腔段及預(yù)留段，分別密封巷道圍巖塑性區(qū)和卸壓區(qū)內(nèi)的漏氣裂隙。首先，向鉆孔空腔段中注入水泥漿液對(duì)漏氣裂隙進(jìn)行密封，在水泥漿液固結(jié)成塊后，因無(wú)法再次對(duì)空腔段進(jìn)行注漿堵漏，造成漏氣裂隙再次演化直至貫通。此時(shí)，應(yīng)對(duì)預(yù)留段中的漏氣裂隙進(jìn)行密封，阻斷新漏氣通道，這樣，鉆孔漏氣量將再次極大減少，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)將顯著提高。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山西某高瓦斯礦井3617#上分層工作面，其地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層傾角為5°～8°，煤層厚度6.29 m。工作面傾斜長(zhǎng)度116 m，設(shè)計(jì)采高3.1 m，采用走向長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化采煤，可采走向長(zhǎng)度802 m。

2.1 鉆孔布置

在3617#上分層工作面的進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)布置8 個(gè)本煤層鉆孔，用于測(cè)試新注漿堵漏技術(shù)。鉆孔的開孔位置距離巷道底板約1.2 m，鉆孔直徑為110 mm，鉆孔傾角為1°～3°，相鄰2 個(gè)鉆孔的間距為6 m。為避免不同地質(zhì)條件對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果造成影響，將測(cè)試鉆孔均分為2 組，每4 個(gè)鉆孔編為1 組進(jìn)行布置，鉆孔1 至鉆孔4 為第1 組聯(lián)孔，鉆孔5 至鉆孔8 為第2 組聯(lián)孔，2 組鉆孔間距為86 m。測(cè)試鉆孔布置示意圖如圖3。

圖3 測(cè)試鉆孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test boreholes layout

2.2 堵漏風(fēng)設(shè)備

基于試驗(yàn)工作面的地質(zhì)條件和開采情況，確定了該礦井中本煤層鉆孔最佳封孔深度是10 m。根據(jù)新注漿堵漏技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了一體化專用封孔器用于鉆孔注漿堵漏過程，以最大程度滿足本煤層瓦斯抽采需要。一體化專用封孔器設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 一體化專用封孔器設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design diagram of integrated special borehole sealing device

在組成部件當(dāng)中，單式囊袋和組合式囊袋能夠在注漿膨脹后分別對(duì)巷道圍巖的卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)提供支護(hù)力以達(dá)到對(duì)鉆孔壁進(jìn)行緊密支撐的目的。同時(shí)，組合囊袋膨脹后，2 個(gè)單囊袋間能夠形成空腔段，空腔段的長(zhǎng)度4 000 mm，單式囊袋膨脹后與組合囊袋間可形成預(yù)留段，預(yù)留段的長(zhǎng)度3 700 mm。此時(shí)，對(duì)鉆孔空腔段和預(yù)留段進(jìn)行注漿，以便對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)和卸壓區(qū)內(nèi)的漏氣裂隙進(jìn)行堵漏。對(duì)一次注漿管進(jìn)行注漿能夠使組合式囊袋發(fā)生膨脹進(jìn)而緊密支撐鉆孔，之后對(duì)2 個(gè)單囊袋之間的空腔段注漿密封。一次返漿管用于指示空腔段內(nèi)的漿液是否注滿，若注滿，漿液經(jīng)一次返漿管從鉆孔口倒流出來(lái)。卸壓閥可對(duì)注漿膨脹順序進(jìn)行調(diào)控，直至2個(gè)囊袋完全膨脹且達(dá)到所設(shè)定的壓力要求之后，卸壓閥受漿液壓力作用被打開，此時(shí)可對(duì)組合式囊袋間的空腔段進(jìn)行注漿堵漏。二次注漿管可防止巷道內(nèi)空氣涌入鉆孔，二次返漿管用于對(duì)鉆孔預(yù)留段進(jìn)行注漿。單向閥的作用是在囊袋注漿時(shí)且達(dá)到膨脹壓力后，使?jié){液能夠單向流動(dòng)至空腔段或預(yù)留段中，不會(huì)倒流至囊袋外。

此外還有注漿作業(yè)配套設(shè)備，包括鉆孔擴(kuò)孔器、氣動(dòng)式注漿泵、漿液攪拌桶和專用膨脹水泥。鉆孔擴(kuò)孔器能夠?qū)⒚盒紡你@孔中清理出來(lái)，以便將封孔器插入本煤層鉆孔；氣動(dòng)式注漿泵能夠使水泥漿液在較大注射壓力下注入本煤層鉆孔中；漿液攪拌桶能夠?qū){液進(jìn)行充分?jǐn)嚢璨⒎乐節(jié){液凝結(jié)成塊；專用膨脹水泥的膨脹性能較好，后期的收縮率較小且其凝固后的抗壓性能較好。此外，膨脹水泥和水的配比對(duì)于提升鉆孔注漿堵漏的效果至關(guān)重要，根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)鉆孔圍巖裂隙發(fā)育情況不同，將水泥和水以不同比例配制成不同濃度的水泥漿液，能夠使鉆孔圍巖裂隙得到充分密封，進(jìn)而提升瓦斯抽采效果。

2.3 注漿堵漏風(fēng)工藝流程

堵漏技術(shù)分為3 個(gè)階段：

1）準(zhǔn)備階段。首先將一體化專用封孔器插入到本煤層鉆孔中，再對(duì)鉆孔進(jìn)行水力清潔；接著，根據(jù)封孔要求對(duì)一體化封孔器進(jìn)行連接，并對(duì)各組件可靠程度進(jìn)行檢查；最后，將一體化專用封孔器插入到煤層鉆孔內(nèi)預(yù)定深度，使單式囊袋的外端同礦井巷道的壁面相平行。

2）一次注漿階段。先采用1∶1.5 配比的水泥和水制備水泥漿液，同時(shí)在攪拌桶中進(jìn)行連續(xù)攪拌，防止其固化成塊；接著，啟動(dòng)氣動(dòng)式注漿泵，將已制備好的水泥漿液經(jīng)一次注漿管注入封孔器當(dāng)中。當(dāng)有大量水泥漿液自一次返漿管的孔口倒流出時(shí)，立刻停止注漿，并用扎帶將一次注漿管扎緊，將鉆孔與抽采管路連接，開始抽采瓦斯。在抽采瓦斯一段時(shí)間后，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)持續(xù)降低，當(dāng)其降低至16%以下（瓦斯爆炸體積分?jǐn)?shù)為5%～16%），應(yīng)立刻停止瓦斯抽采。此時(shí)，鉆孔圍巖的空氣泄漏已十分嚴(yán)重，瓦斯抽采效率低下，應(yīng)立即開始二次堵漏階段。

3）二次堵漏階段。因卸壓區(qū)內(nèi)鉆孔圍巖裂隙較為發(fā)育，需制備比較稀的漿液，使裂隙得到充分密封。首先采用1∶2 配比的水泥和水制備新的水泥漿液。其次，啟動(dòng)注漿泵，將新制備好的水泥漿液經(jīng)二次注漿管注入單式囊袋，當(dāng)觀察到囊袋完全膨脹且能夠?qū)︺@孔壁進(jìn)行緊密支撐時(shí)，立即停止注漿作業(yè)，并用扎帶將二次注漿管扎緊。然后，采用二次返漿管對(duì)單式和組合式囊袋間的密封段進(jìn)行注漿堵漏，直到注漿壓力增至約0.5 MPa，停止注漿作業(yè)，此時(shí)，繼續(xù)連接抽采管路，進(jìn)行瓦斯抽采。

2.4 注漿堵漏效果

對(duì)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行注漿堵漏后，連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化情況。鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)變化如圖5。

由圖5 可知，2 組聯(lián)孔初始瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為49%和52.4%，在經(jīng)過40 d 左右連續(xù)抽采后，瓦斯體積分?jǐn)?shù)持續(xù)降低，分別降至10.8%和13.1%，鉆孔失去抽采價(jià)值。此時(shí)對(duì)鉆孔實(shí)施注漿堵漏作業(yè)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)立刻回升到43.4%和41.2%，且能夠維持較高的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行持續(xù)抽采，鉆孔抽采時(shí)間增至80 d 以上后，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)降低至12%以下，抽采鉆孔失去價(jià)值。因此，在本煤層鉆孔抽采期間，采用新注漿堵漏技術(shù)對(duì)鉆孔進(jìn)行堵漏密封后，鉆孔的有效抽采時(shí)間延長(zhǎng)至原來(lái)的2.1 倍以上，鉆孔瓦斯抽采能力明顯提高。

圖5 鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)變化Fig.5 Methane extraction concentration variations of the boreholes

3 結(jié) 語(yǔ)

1）受巷道掘進(jìn)及鉆孔開挖影響，鉆孔圍巖裂隙不斷發(fā)育演化，井下巷道、漏氣通道以及瓦斯抽采管共同構(gòu)成本煤層鉆孔“漏氣環(huán)”。在鉆孔抽采瓦斯一段時(shí)間后，受地應(yīng)力和瓦斯抽采壓力等因素的影響，漏氣裂隙持續(xù)發(fā)育演化，直至在舊漏氣通道的外側(cè)生成1 條新的漏氣通道，造成鉆孔再次漏氣。

2）新注漿堵漏風(fēng)技術(shù)通過分空間、錯(cuò)時(shí)間進(jìn)行注漿作業(yè)，來(lái)切斷漏氣通道從而達(dá)到減少空氣泄漏的目的。因漏氣裂隙大多分布在卸壓區(qū)及塑性區(qū)中，該技術(shù)將鉆孔的密封段從空間上分為空腔段及預(yù)留段進(jìn)行注漿堵漏，將其工藝流程分為3 個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、一次注漿階段及二次堵漏階段，以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)時(shí)間進(jìn)行注漿堵漏的目的。另外，設(shè)計(jì)了適用于該技術(shù)的一體化專用封孔器和注漿作業(yè)配套設(shè)備。

3）在山西某高瓦斯礦開展了鉆孔注漿堵漏技術(shù)試驗(yàn)，對(duì)新技術(shù)的實(shí)施效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在應(yīng)用新的注漿堵漏技術(shù)之后，本煤層鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)立刻大幅回升，鉆孔抽采壽命由40 d 左右增至80 d 以上，鉆孔有效抽采時(shí)間延長(zhǎng)至原來(lái)的2.1 倍以上。