司馬煤礦3#煤層瓦斯預(yù)抽技術(shù)研究

宋虎森，王 遷，張鋒剛

(山西潞安集團 司馬煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047100)

隨著煤礦開采深度的增加，地應(yīng)力增加，煤層透氣性降低，瓦斯問題成為威脅煤礦安全的重大問題，現(xiàn)階段解決該問題重要的手段之一是進(jìn)行瓦斯抽采[1-2]. 在瓦斯抽采過程中，瓦斯抽采濃度和抽采率是衡量抽采技術(shù)水平和抽采效果的關(guān)鍵指標(biāo)，影響上述兩個指標(biāo)的重要因素是封孔問題，封孔質(zhì)量直接決定著瓦斯抽采濃度、孔口負(fù)壓、甚至整個鉆場的抽采效果。呂貴春[3]配制了具有膨脹性、密實性更好的新型封孔材料，基于“兩堵一注”原理，研究了囊袋式帶壓封孔工藝在順層瓦斯抽采鉆孔中的應(yīng)用；郭平[4]對井下瓦斯抽采過程漏氣現(xiàn)象進(jìn)行分類，劃分出6類漏氣模型，并針對特定的漏氣模型，優(yōu)化了封孔工藝；郝光生等[5]對王坡煤礦本煤層預(yù)抽鉆孔布置方式進(jìn)行了優(yōu)化研究與效果考察；任培良等[6]對穿層瓦斯抽采鉆孔通管直連新型封孔工藝進(jìn)行了研究，鉆孔抽采濃度提高到原來的2倍以上；劉強等[7]設(shè)計了新型囊袋式聚氨酯封孔器在松軟煤層進(jìn)行應(yīng)用，封孔效果良好。上述研究表明，改進(jìn)現(xiàn)有封孔長度、材料和工藝，是提高鉆孔抽采瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)鍵。司馬煤礦3#煤層存在含氣量低，瓦斯解吸能力弱，透氣性差，瓦斯抽采難度大，抽采量少，抽采濃度低等問題?；诖耍Y(jié)合現(xiàn)階段的封孔措施，開展3#煤層瓦斯預(yù)抽技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 工程概況

司馬煤礦井田內(nèi)部主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤6～14層，含煤地層平均總厚162.10 m，煤層平均總厚15.96 m，含煤系數(shù)平均10.15%；可采煤層共5層，平均厚度15.03 m，可采含煤系數(shù)9.3%. 該礦主采3#煤層，煤厚5.47～7.80 m，平均6.62 m，變異系數(shù)為6.5%，屬全區(qū)穩(wěn)定可采的厚煤層；頂?shù)装逡阅鄮r為主；煤層結(jié)構(gòu)簡單，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單。現(xiàn)采3#煤層，采用立井單水平開拓。3#煤層瓦斯含量 4.46～5.76 m3/t，原始瓦斯壓力為0.14～0.22 MPa，實測煤層透氣性系數(shù)0.362 8～1.141 1 m2/MPa2·d，衰減系數(shù)0.319 4～0.784 5 d-1，屬于較難抽采煤層。

2 預(yù)抽提濃研究

2.1 封孔長度研究

在進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽時，抽采封孔應(yīng)盡可能封堵嚴(yán)密，不能吸入空氣，同時應(yīng)盡量縮短封孔段的長度，以節(jié)約封孔材料。這要求封孔深度盡可能的深，以避開巷道卸壓區(qū)產(chǎn)生的裂隙，但是封孔深度過深會留下抽采空白帶。因此，需要找到一個平衡點：在保證抽采濃度和不留下空白帶的情況下用較少的材料。

2.1.1 巷道漏氣帶研究

在進(jìn)行煤礦開采時，巷道兩幫不同位置應(yīng)力受采掘影響，會出現(xiàn)不同的應(yīng)力狀態(tài)(圖1)，主要包括應(yīng)力卸壓帶(塑性區(qū)A)，應(yīng)力集中帶(塑性區(qū)B、彈性區(qū)C)，原始應(yīng)力帶(原始應(yīng)力區(qū)D)[8-10]，塑性區(qū)是裂隙的發(fā)育區(qū)，該區(qū)域裂隙是預(yù)抽的重要影響因素，此區(qū)域又被稱為“巷道漏氣帶”。圖1中K為應(yīng)力集中系數(shù)，r為上覆巖層的容重，H煤層的埋深。根據(jù)馮友良對煤巷圍巖應(yīng)力分布特征及巷道幫部破壞機理研究[11]，塑性區(qū)(A+B)寬度lAB計算公式見式(1)，卸壓帶A寬度lA計算公式見式(2).

圖1 巷幫煤體應(yīng)力區(qū)域劃分圖

(1)

(2)

式中：

ξc=(1+sinψc)/(1-sinψc)

ξp=(1+sinψp)/(1-sinψp)

其中，h為巷道高度，φp、φc分別為塑性區(qū)、破裂區(qū)內(nèi)煤體的內(nèi)摩擦角，f1、f2分別為巷幫煤體與頂、底板煤巖體之間的摩擦因數(shù)，σc為破裂區(qū)煤體的抗壓強度，C1、C2分別為巷幫煤體與頂、底板煤巖體之間的黏聚力，ψp、ψc分別為塑性區(qū)、破裂區(qū)內(nèi)煤體的減脹角，η為巷幫高度層位煤體的壓縮量，Cp、Cc分別為塑性區(qū)、破裂區(qū)內(nèi)煤體黏聚力，μ為煤體的泊松比，Px為各支護(hù)措施在巷幫產(chǎn)生的支護(hù)強度，G為煤體的體積模量。

由式(1)與式(2)可知，巷幫煤體應(yīng)力降低區(qū)A與塑性區(qū)(A+B)的范圍受多種因素控制，其中主要因素包括煤層埋深、不同區(qū)域內(nèi)部煤巖力學(xué)性質(zhì)、巷道高度等。根據(jù)實測及相關(guān)試驗，3#煤層掘進(jìn)巷道相關(guān)的力學(xué)參數(shù)為:φc=35，f1=0.26，f2=0.34，C1=2.0 MPa，C2=3 MPa，G=3.4 GPa，ξc=0.36，ξp=027，η=0.1，μ= 0.2，Cc=2.27 MPa，φp=37，σc=1.18 MPa，Cp=2.14 MPa，Px=0.18 MPa，K=1.2，γ=2 500 kN/m3，H=500 m，將上述參數(shù)代入式(1)與式(2)，得到lA=4.26 m，lAB=6.89 m.

上述計算是未抽采時巷幫煤體塑性區(qū)理論分布，在進(jìn)行瓦斯抽采時，由于煤體內(nèi)部瓦斯壓力與瓦斯含量減少，煤體孔隙壓力減小，造成煤體所承受的有效應(yīng)力增加，不同抽采時間對瓦斯壓力與瓦斯含量影響程度不同，因此需要考察不同抽采時間，煤體應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置，進(jìn)而確定封孔深度。選擇在掘進(jìn)巷道工作面巷幫實施現(xiàn)場鉆孔測試，研究巷道應(yīng)力分布規(guī)律，考察不同抽采時間應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置，確定瓦斯抽采情況下卸壓帶(塑性區(qū)A)、應(yīng)力集中帶(塑性區(qū)B、彈性區(qū)C)、原始應(yīng)力帶(原始應(yīng)力區(qū)D)，即“三帶”的范圍及其移動變化規(guī)律[12-13]. 對現(xiàn)場鉆孔封孔試驗進(jìn)行研究，試驗結(jié)果表明：50天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度18～21 m，平均19.5 m；40天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度15～17 m，平均16 m；30天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度10 m；7天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度7 m，并且鉆孔最大應(yīng)力出現(xiàn)深度與抽采時間呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)(圖2)；7天的抽采鉆孔應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置與理論計算的塑性區(qū)范圍相當(dāng)；結(jié)合司馬煤礦實際抽采時間要求，因此司馬煤礦3#煤層瓦斯抽采鉆孔封孔深度不小于16 m.

圖2 鉆孔最大應(yīng)力出現(xiàn)深度與抽采時間關(guān)系圖

2.1.2 鉆孔漏氣圈研究

在對3#煤層進(jìn)行預(yù)抽時，煤層中的鉆孔相當(dāng)于“小型巷道”，同時在鉆孔的周圍也會出現(xiàn)卸壓帶(塑性區(qū)E)、應(yīng)力集中帶(塑性區(qū)F、彈性區(qū)G)、原始應(yīng)力帶(原始應(yīng)力區(qū)H)，在鉆孔周圍的塑性區(qū)煤體松動、裂隙發(fā)育，是鉆孔漏氣的主要通道，稱為鉆孔漏氣圈(圖3)[14-15]，式(3)為圓形鉆孔周圍塑性區(qū)(E+F)與彈性(G)區(qū)界限[5,16].

(3)

圖3 圓形鉆孔周邊應(yīng)力分布形態(tài)圖

司馬煤礦3#煤層黏聚力C=2.0 MPa，內(nèi)摩擦角φ=35°，由式(3)得到3#煤層不同鉆孔孔徑以及地應(yīng)力條件下塑性區(qū)分布情況(圖4)，由圖4可知，鉆孔周邊地應(yīng)力σ0不變時，鉆孔周邊塑性區(qū)REF與鉆孔半徑R0成線性正相關(guān)；鉆孔半徑R0一定時，鉆孔周邊塑性區(qū)REF與鉆孔周邊地應(yīng)力σ0成冪函數(shù)增長；即鉆孔周邊地應(yīng)力σ0和鉆孔半徑R0越大，塑性區(qū)范圍越大。

圖4 鉆孔周邊塑性區(qū)與鉆孔半徑、地應(yīng)力關(guān)系圖

3#煤層對應(yīng)的地應(yīng)力為：σv=7.48 MPa，σH=10.16 MPa，σh=5.02 MPa，抽采鉆孔直徑115 mm，結(jié)合3#煤層黏聚力C=2.0 MPa，內(nèi)摩擦角φ=35°，計算得到3#煤層鉆孔(d=115 mm)周邊塑性區(qū)為0.059～0.065 m.

2.2 封孔材料與工藝研究

在1211運輸巷開展封孔材料與封孔工藝試驗，包括兩種封孔工藝，分別為氣囊封孔與囊袋封孔，并對這兩種工藝的抽采效果進(jìn)行考察，優(yōu)化最佳封孔工藝。兩種封孔工藝鉆孔布置數(shù)量均為10個，鉆孔間距均為2.5 m，鉆孔直徑115 mm，設(shè)計孔深65 m，封孔深度不小于16 m.

2.2.1 氣囊封孔

氣囊封孔技術(shù)原理見圖5. 圖5中鉆孔封孔段兩端是兩段氣密性良好的氣囊，其中預(yù)先加入化學(xué)藥劑，在鉆孔封孔現(xiàn)場施工時，通過預(yù)留的單向針閥向氣囊內(nèi)注入一定量的水，并將氣囊送入指定位置，經(jīng)過一定時間，化學(xué)藥劑迅速反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，促使氣囊大幅膨脹[17-18]. 由于氣囊外部附加1層螺紋布套，使其在表面積受到限制的情況下更傾向于產(chǎn)生徑向膨脹，因此可以有效地對鉆孔進(jìn)行密封，并產(chǎn)生足夠徑向應(yīng)力進(jìn)一步壓實鉆孔壁中的裂隙[17-18]. 在鉆孔封孔段兩端置入2段膨脹氣囊，將會形成1段密閉性良好的注漿空間，可以做到注漿時施加一定壓力，使所注入的無機材料能夠更好地滲透進(jìn)鉆孔周圍的微裂隙中，徹底阻斷空氣漏入通道，從而可靠地密封鉆孔[17-18].

圖5 氣囊封孔原理圖

氣囊封孔流程：1) 在第一根長4 m、直徑為75 mmPVC封孔管上距離里端管口1 m處用管卡將氣囊固定牢固。將第二根、第三根管、第四根管依次連接好推入鉆孔中，孔口留250 mm的露頭。2) 截取兩根鋁塑管分別作為注料管和回料管插入到距孔口大約4 m、12 m的位置處，孔口留約2 m長作為注料，并做好標(biāo)記。用封孔料將孔口封堵，用直徑19 mm的風(fēng)管與風(fēng)動封孔泵連接，并用靜壓水管往泵箱里加水，根據(jù)泵箱內(nèi)水的容量加入相應(yīng)比例的注漿料。同時啟動封孔泵將其充分?jǐn)嚢?，待攪拌均勻后開動封孔泵閘閥，通過鋁塑管向鉆孔與PVC管的空隙里注料。3) 當(dāng)回料管里封孔料流出時，即為將鉆孔與PVC管空隙封滿。封孔材料具有膨脹性，初凝時間為5 min，注入的漿料終凝時間為5 h.

氣囊封孔工藝所封10個鉆孔，均未發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象?，F(xiàn)場試驗顯示，封一個直徑115 mm、長度16 m的鉆孔，下管需要時間約25 min，封孔需要時間約15 min，共約40 min.

2.2.2 囊袋封孔

囊袋式封孔采用囊袋注漿封孔器并配以專用新型封孔材料進(jìn)行封孔，是以“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝為理論依據(jù)的新型封孔技術(shù)[19-21]，其封孔原理見圖6. 囊袋注漿封孔器的長度可根據(jù)實際封孔需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，注漿設(shè)備采用礦井使用的氣動注漿泵即可，實用性強。

圖6 囊袋封孔原理圖

囊袋式封孔流程：1) 在第一根長4 m、直徑為75 mmPVC封孔管上距離里端管口1 m處用管卡將封孔器固定牢固。將第二根、第三根管推入鉆孔中，在第四根管距離孔口0.5 m處套上袋狀封孔器并用管卡將封孔器固定牢固，封孔器在8 m左右位置有一根反漿用的鋁塑管?？卓赑VC管留250 mm的露頭。囊袋封孔器分為里端囊袋A和外端囊袋B，兩個囊袋之間通過一根鋁塑管連接，并在靠近兩個囊袋的中間位置鋁塑管上安裝有2個爆破閥。2) 用直徑19 mm的風(fēng)管與風(fēng)動封孔泵連接，用靜壓水管往泵箱里加水，根據(jù)泵箱內(nèi)水的容量加入相應(yīng)比例的封孔料。同時啟動封孔泵將其充分?jǐn)嚢?，待攪拌均勻后開動封孔泵閘閥，通過鋁塑管向封孔器的兩個囊袋和鉆孔與PVC管的空隙里注料。3) 封孔時注漿料先將兩端囊袋封堵，待囊袋注滿，壓力增大到一定數(shù)值后，兩個爆破閥開啟，向中間鉆孔與PVC管的空隙里注料，當(dāng)插在8 m位置左右的反漿管開始反漿時，再注入一段時間即為封孔完畢。封孔材料具有膨脹性，初凝時間為5 min，注入的漿料終凝時間為5 h.

根據(jù)一周的效果檢驗，囊袋封孔工藝所封10個鉆孔，均未發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場試驗，封一個直徑115 mm、長度16 m的鉆孔，下管需要時間約35 min，封孔需要時間約20 min，共約55 min.

3 抽采效果考察與分析

對上述2種封孔工藝，進(jìn)行10個鉆孔的封孔效果考察，封孔后兩周內(nèi)，封孔濃度監(jiān)測結(jié)果見圖7. 氣囊封孔的10個鉆孔平均抽采濃度最小值為4.30%，平均抽采濃度最大值為14.48%，囊袋封孔的10個鉆孔的平均抽采濃度最小值為3.48%，平均抽采濃度最大值為26.05%，氣囊封孔與囊袋封孔10個鉆孔平均抽采濃度的平均值分別為8.98%、14.32%，囊袋封孔10個鉆孔平均抽采濃度的平均值是氣囊封孔的1.59倍。

圖7 氣囊封孔與囊袋封孔鉆孔平均濃度圖

兩種封孔工藝綜合效果對比見表1，由表1可知，兩種封孔工藝封孔工具與輔助材料相同，囊袋封孔工藝封孔材料相比氣囊封孔工藝較簡單，盡管囊袋封孔工藝的下管時間，封孔時間稍微比氣囊封孔工藝長，但是囊袋封孔工藝試驗抽采的最大瓦斯?jié)舛葹?2.6%，氣囊封孔工藝試驗抽采的最大瓦斯?jié)舛葹?6.4%，囊袋封孔工藝試驗抽采最大瓦斯?jié)舛仁菤饽曳饪坠に嚨?.45倍，抽采平均瓦斯?jié)舛仁菤饽曳饪坠に嚨?.59倍，抽采最小瓦斯?jié)舛葻o明顯差異。

表1 氣囊封孔與囊袋封孔工藝綜合效果對比表

氣囊封孔工藝在封孔過程中存在由于氣囊打不起壓或氣囊漏氣，造成封孔效果差，甚至封孔失敗的現(xiàn)象；并且在封下行孔時，氣囊封孔工藝存在堵塞鉆孔的現(xiàn)象。利用囊袋封孔工藝進(jìn)行封孔時，囊袋式封孔具有更強的支護(hù)作用，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的注漿且封堵效果良好[22]，避免氣囊封孔封下行孔的堵塞現(xiàn)象，并且囊袋封孔利用高壓泵向囊袋注入水泥漿封堵圍巖漏氣通道能減緩鉆孔變形速度，減小封孔段巖體的透氣性[23]，避免了氣囊工藝封孔效果差的現(xiàn)象。利用囊袋封孔工藝，鉆孔瓦斯抽采濃度高，囊袋式注漿封孔工藝在平煤集團十礦、山西潞安集團余吾煤礦等實際應(yīng)用，無論順層鉆孔還是穿層鉆孔瓦斯抽采濃度都在60%以上，而且后期衰減速度慢，明顯改善利用原有工藝時鉆孔漏氣問題[18]. 通過兩封孔工藝綜合效果對比，可以發(fā)現(xiàn)囊袋封孔工藝封孔所需封孔材料簡單，并且囊袋封孔工藝瓦斯最大抽采濃度是氣囊封孔工藝的1.45倍，囊袋封孔10個鉆孔平均抽采濃度的平均值是氣囊封孔的1.59倍。

因此，司馬煤礦3#煤層預(yù)抽提濃在封孔工藝方面可以優(yōu)先采用囊袋封孔。

4 結(jié) 論

1) 通過對司馬煤礦3#煤層巷道漏氣帶、鉆孔漏氣圈研究，結(jié)果表明：50天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度18～21 m；40天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度15～17 m；30天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度10 m；7天的抽采鉆孔，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鉆孔深度7 m；3#煤層鉆孔周邊塑性區(qū)為0.059～0.065 m.

2) 對比兩種鉆孔封孔工藝，結(jié)合10個鉆孔瓦斯抽采濃度，囊袋封孔工藝所需封孔材料簡單，并且囊袋封孔抽采最大瓦斯?jié)舛仁菤饽曳饪椎?.45倍，平均抽采濃度是氣囊封孔的1.59倍。

3) 結(jié)合現(xiàn)場實際抽采時間，司馬煤礦3#煤層鉆孔封孔長度不小于16 m，封孔工藝選擇囊袋封孔。順層鉆孔封孔長度16 m，現(xiàn)場操作周期很長，實現(xiàn)困難，建議根據(jù)現(xiàn)場實際優(yōu)化封孔長度。