綜采工作面順層瓦斯抽采鉆孔封孔工藝研究

郭海東，李海波

（沁水縣應(yīng)急管理局，山西 沁水048200）

0 引言

順層鉆孔瓦斯抽采是解決礦井瓦斯災(zāi)害的重要手段[1-3]。順層鉆孔傳統(tǒng)封孔方法為“兩堵一注”，即堵住設(shè)計(jì)注漿段的兩端，通過預(yù)埋注漿管方式對(duì)注漿段注漿實(shí)現(xiàn)封孔，該封孔方法歷年來雖通過增加封孔長(zhǎng)度、改變封孔材料等方式進(jìn)行改良優(yōu)化，但仍存在漏氣率較高導(dǎo)致瓦斯抽采濃度偏低的問題，其主要原因是抽采鉆孔施工過程中，破壞了原煤整體結(jié)構(gòu)，在鉆孔孔壁產(chǎn)生裂隙[4-7]。我國(guó)大部分煤層屬于低滲透性的松軟煤層，傳統(tǒng)的注漿方法無法使?jié){液充分滲透至細(xì)微裂隙內(nèi)，在抽采過程中受抽采負(fù)壓及煤層壓力影響孔壁裂隙逐步增大，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度越來越低，不能實(shí)現(xiàn)高效抽采。針對(duì)這一問題，通過分析鉆孔裂隙深度和有效封堵方法，研究新型順層瓦斯抽采鉆孔封孔工藝。

1 工程概況

常村煤礦13151工作面位于13采區(qū)東翼，工作面走向長(zhǎng)度875 m，傾向長(zhǎng)度121 m，煤層埋深485～513 m，煤層均厚3.2 m，煤層硬度系數(shù)0.25，透氣系數(shù)0.48，屬低滲透性軟煤。煤層原始瓦斯含量8.37 m3/t，瓦斯壓力1.7 MPa，屬高瓦斯礦井。瓦斯防治主要采取順層條帶瓦斯抽采鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯措施，順層瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)每組2個(gè)，上下間距0.8 m，每組間距2.4 m，鉆孔設(shè)計(jì)深度52～58 m，鉆孔直徑113 mm，封孔長(zhǎng)度12 m，原封孔方法為“兩堵一注”法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，初始抽采濃度平均值為42.35%，約抽采45 d后抽采濃度下降至10%以下。據(jù)工作面回采期間瓦斯涌出量計(jì)算，瓦斯預(yù)抽效果不理想，經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)排瓦斯量超高導(dǎo)致工作面停產(chǎn)情況，據(jù)分析主要原因?yàn)殂@孔封孔不良導(dǎo)致，需改進(jìn)封孔工藝。

2 封孔不良原因分析

通過對(duì)13151工作面運(yùn)輸順槽中的順層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于煤質(zhì)較軟，鉆孔施工期間對(duì)孔壁周圍煤體擾動(dòng)破壞性較大，造成孔壁煤體產(chǎn)生細(xì)微裂隙，該細(xì)微裂隙因滲透率較低，注漿封孔期間漿液不能滲透，導(dǎo)致封孔后預(yù)抽期間鉆孔漏氣，影響瓦斯抽采濃度。如何增大孔壁裂隙滲透率，保證注漿封孔效果是解決鉆孔漏氣的關(guān)鍵。

按應(yīng)力影響程度進(jìn)行分析，鉆孔孔口向里依次可分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[8-12]。如圖1所示，破碎區(qū)位于孔口段，主要受開孔擾動(dòng)及巷道圍巖應(yīng)力影響，煤體構(gòu)造已破壞，孔壁煤體較為破碎，原巖應(yīng)力較低，滲透率較高。塑性區(qū)主要受破碎區(qū)影響，煤體呈塑性變形，原巖應(yīng)力在該段呈上升趨勢(shì)，受應(yīng)力影響在成孔后逐步產(chǎn)生較大裂縫，封孔注漿期間漿液能夠基本滲透[13-15]。彈性區(qū)因接近原巖應(yīng)力區(qū)，原巖應(yīng)力從外向里呈下降趨勢(shì)，受應(yīng)力影響從外向里產(chǎn)生細(xì)微裂隙，滲透率逐步降低。原巖應(yīng)力區(qū)因應(yīng)力較低，基本不產(chǎn)生孔壁裂隙。根據(jù)圖1中鉆孔軸向應(yīng)力曲線變化所示，塑性區(qū)與彈性區(qū)之間原巖應(yīng)力最高，稱為彈塑性區(qū)，鉆孔成孔并封孔后，該區(qū)域因受應(yīng)力影響，將逐步產(chǎn)生裂隙，是兩堵一注法鉆孔抽采期間漏氣性越來越大，抽采濃度逐漸降低的主要原因。

圖1 鉆孔軸向應(yīng)力、滲透率變化特征及分區(qū)示意圖

3 提高封孔效果的方案

根據(jù)封孔不良的具體原因分析結(jié)果可知，彈塑性區(qū)因受應(yīng)力較大在鉆孔抽采期間產(chǎn)生裂隙導(dǎo)致鉆孔漏氣，需對(duì)彈塑性區(qū)因應(yīng)力產(chǎn)生的裂隙進(jìn)行提前封堵。因此，設(shè)計(jì)一種新的封孔方法-封隔一體化，該封孔法如圖2所示，通過對(duì)彈塑性區(qū)進(jìn)行提前擴(kuò)孔卸壓，使原本彈塑性區(qū)的細(xì)微裂縫通過提前主動(dòng)卸壓措施變?yōu)檩^大裂縫，從而使該區(qū)域滲透率升高，再進(jìn)行注漿滲透進(jìn)行封堵，即可很大程度上避免該區(qū)域封孔后繼續(xù)產(chǎn)生裂隙，從而降低鉆孔漏氣率，提高瓦斯抽采濃度。

圖2 封隔一體化封孔法示意圖

封隔一體化封孔法關(guān)鍵步驟是封孔前對(duì)彈塑性區(qū)進(jìn)行擴(kuò)孔卸壓，可采用水切割技術(shù)在該區(qū)域切割2～3道環(huán)形卸壓封槽，再結(jié)合傳統(tǒng)兩堵一注封孔法進(jìn)行封孔，利用注漿壓力將漿液滲透至彈塑性區(qū)卸壓后的裂縫中，實(shí)現(xiàn)封隔一體化。該封孔法主要目的是通過提前主動(dòng)提高彈塑性區(qū)的滲透率保證封孔效果，因此需計(jì)算彈塑性區(qū)的具體位置。

4 彈塑性區(qū)位置計(jì)算

按照前述及圖1所示，彈塑性區(qū)為彈性區(qū)與塑性區(qū)的之間，各區(qū)域是按原巖應(yīng)力與對(duì)鉆孔形成的破壞程度進(jìn)行分區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)邊界即為彈塑性區(qū)中間位置，外邊界為破碎區(qū)，邊界線應(yīng)力方程為：

式中：RP為塑性區(qū)內(nèi)邊界半徑，m；RS為塑性區(qū)外邊界半徑，m；σre為彈性區(qū)的切向應(yīng)力，MPa；σθe為彈性區(qū)的徑向應(yīng)力，MPa；σrp為塑性區(qū)的切向應(yīng)力，MPa；σθp為塑性區(qū)的徑向應(yīng)力，MPa；σr為塑性區(qū)外邊界圍巖應(yīng)力，MPa；pi為破碎區(qū)內(nèi)邊界圍巖應(yīng)力，MPa。

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，其塑性條件為：

式中：c為煤體粘聚力，MPa，通過礦井檢測(cè)值為0.21 MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，根據(jù)礦井地質(zhì)參數(shù)為30°。

根據(jù)不同區(qū)域的同一邊界應(yīng)力平衡特征，結(jié)合上述公式可得：

式中：R0為孔徑，為56.5 mm；P0為鉆孔圍巖應(yīng)力，鉆孔為圓形，各向應(yīng)力視為等同，為煤體原巖應(yīng)力，根據(jù)礦井地質(zhì)取值為12 MPa。

根據(jù)礦井各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算得出塑性區(qū)外邊界半徑為0.3 m，及破碎區(qū)深度為0.3 m。

研究表明，在一般軸對(duì)稱圓形空間圍巖的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)下，從工程應(yīng)用方向出發(fā)，當(dāng)應(yīng)力變量低于5%時(shí)，便可以忽略應(yīng)力產(chǎn)生的影響[3]。根據(jù)軸對(duì)稱平面應(yīng)變方程和應(yīng)力平衡方程結(jié)合上述彈性邊際條件，鉆孔塑性區(qū)內(nèi)邊界計(jì)算公式為：

代入相關(guān)數(shù)值，即可得出塑性區(qū)內(nèi)邊界半徑0.5 m，即塑性區(qū)內(nèi)邊界深度為0.3+0.5=0.8 m，從而得出彈塑性區(qū)域中間位置位于鉆孔口以里0.8 m處。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，卸壓封槽位置因布置在瓦斯抽采鉆孔孔口以里0.8 m左右位置處為最佳，以卸壓封槽不破壞裂縫以外的原煤為前提，泄壓封槽的水力截割深度不宜超過0.5 m（塑性區(qū)內(nèi)邊界破壞半徑），需控制在0.2～0.4 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該封孔法效果，在13151工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)封孔法進(jìn)行瓦斯抽采效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)對(duì)比方案為2種封孔法均設(shè)置4個(gè)順層瓦斯抽采鉆孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為45 d，每3 d對(duì)2組鉆孔進(jìn)行抽采濃度測(cè)量取值，A組為傳統(tǒng)兩堵一注法封孔，B組為封隔一體化封孔，通過45 d實(shí)驗(yàn)對(duì)比，2組鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況如圖3、4所示。

圖3 A組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線圖

根據(jù)圖3可看出，傳統(tǒng)兩堵一注封孔法的A組初始瓦斯抽采濃度平均值為43.6%，持續(xù)抽采45 d后，瓦斯抽采濃度已下降至平均值10.1%，平均瓦斯抽采濃度23.3%；根據(jù)圖4可看出，采用封隔一體化封孔法的B組初始瓦斯抽采濃度平均值為88.3%，持續(xù)抽采45 d后，抽采濃度下降至平均值63.2%，平均瓦斯抽采濃度78.5%。

圖4 B組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線圖

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知：采用封隔一體化封孔法的順層抽采鉆孔較傳統(tǒng)兩堵一注封孔法的順層抽采鉆孔初始瓦斯抽采濃度提高44.7%，平均瓦斯抽采濃度提高55.2%。采用傳統(tǒng)兩堵一注封孔法的鉆孔瓦斯抽采濃度呈明顯階梯型下降，表明封孔后孔壁漏氣性存在持續(xù)性增加導(dǎo)致抽采濃度大幅降低，而采用封隔一體化封孔法的鉆孔瓦斯抽采濃度未呈明顯下降，表明封孔效果良好。

此外，五輪山煤礦13151工作面通過上述實(shí)驗(yàn)得出對(duì)比結(jié)果后，新施工的順層瓦斯抽采鉆孔全部采用封隔一體化封孔法進(jìn)行封孔，回采至該區(qū)域以后，瓦斯治理效果顯著，未出現(xiàn)工作面風(fēng)排瓦斯量超限導(dǎo)致停產(chǎn)情況。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)兩堵一注封孔法不能有效封堵彈塑性區(qū)孔壁細(xì)微裂縫，導(dǎo)致抽采濃度偏低,通過分析鉆孔軸向應(yīng)力變化并計(jì)算彈塑性區(qū)破壞半徑，并采用提前主動(dòng)卸壓提高滲透率、增加封孔槽的封隔一體化封孔法，能夠?qū)崿F(xiàn)孔壁裂縫的有效封堵，大幅提高瓦斯抽采濃度，瓦斯治理效果得以顯著提升，為工作面瓦斯治理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。