一種新型瓦斯抽采封孔裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

武文星

（晉能控股集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

引言

為了提升瓦斯抽采的效率，降低鉆孔漏氣的影響，諸多研究人員在瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量以及封孔工藝方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，取得了顯著的成果。最早應(yīng)用的封孔工藝主要是水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔以及囊袋式封孔，以此為基礎(chǔ)發(fā)展出“兩堵一注”封孔工藝和配套設(shè)備?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪追椒◤脑砩蟻?lái)說(shuō)能夠很好地解決封孔壓力不足以及鉆孔周?chē)嬖诼馔ǖ赖葐?wèn)題，但是該方法配套設(shè)備有注漿管、回漿管以及抽采管，并且注漿管和回漿管同抽采管相切，使得復(fù)合囊袋充填漿液膨脹后，“三角區(qū)”難以完全填充，進(jìn)而使得注漿封孔過(guò)程中常常伴隨漏漿情況，導(dǎo)致注漿壓力有所下降，鉆孔周?chē)严峨y以完全填充[1]。因此，設(shè)計(jì)了一種新型瓦斯抽采封孔裝置，在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦2110 工作面進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，對(duì)當(dāng)前鉆孔漏氣以及瓦斯抽采效率低等情況提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 鉆孔封孔段漏氣機(jī)理研究

1.1 鉆孔圍巖應(yīng)力分布

巷道在開(kāi)采前處于初始應(yīng)力狀態(tài)。開(kāi)始挖掘后巷道本身的初始應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，開(kāi)采面周?chē)鷳?yīng)力二次分布，煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，巷道圍巖周?chē)膽?yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，從兩幫至圍巖以此為應(yīng)力下降區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力升高區(qū)又可以根據(jù)深度的變化分為峰前應(yīng)力升高區(qū)以及峰后應(yīng)力升高區(qū)。

瓦斯抽采鉆孔能夠近似當(dāng)作1 個(gè)采動(dòng)過(guò)后應(yīng)力重新分布的微小煤層巷道，所以可以沿用巷道應(yīng)力分布理論進(jìn)行鉆孔封孔相關(guān)內(nèi)容的研究。依照松動(dòng)圈理論不難發(fā)現(xiàn)，巷道的挖掘過(guò)程破壞了原巖應(yīng)力的分布，使得圍巖平衡發(fā)生改變，周?chē)鷳?yīng)力重新分布，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，圍巖周?chē)a(chǎn)生1 圈松散破碎帶。因此可以認(rèn)為鉆孔開(kāi)孔后，也會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)近似的破碎圈，稱之為裂隙場(chǎng)。巷道掘進(jìn)過(guò)程中徑向應(yīng)力的分布具體情況如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)巷道徑向應(yīng)力分布示意圖

根據(jù)圖1 不難發(fā)現(xiàn)，巷道的挖掘過(guò)程破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得煤層發(fā)生彈塑性變形、局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，從鉆孔孔口至孔底之間依次是應(yīng)力降低區(qū)Ⅰ、峰后應(yīng)力升高區(qū)Ⅱ、峰前應(yīng)力升高區(qū)Ⅲ以及原巖應(yīng)力區(qū)Ⅳ。

1.2 鉆孔漏氣通道分析

1）封孔段材料存在漏氣可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是材料自身的氣密性較差造成漏氣；另一類(lèi)是封孔材料和鉆孔壁結(jié)合不緊密造成漏氣。封孔材料自身漏氣是因?yàn)椴牧系男阅懿粷M足要求、致密性較差以及固化后容易因?yàn)橄锏篱_(kāi)采過(guò)程中周?chē)后w的應(yīng)力改變導(dǎo)致自身受到破壞產(chǎn)生裂隙，產(chǎn)生漏氣通道；注漿過(guò)程中，材料膨脹性或者注漿壓力不足使得封孔材料同鉆孔壁結(jié)合不緊密，產(chǎn)生漏氣通道。除此之外，鉆孔傾角較小時(shí)，受重力的影響導(dǎo)致跑漿現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)生環(huán)形漏氣通道，在瓦斯抽采過(guò)程中負(fù)壓的作用下，巷道內(nèi)的空氣通過(guò)通道涌入鉆孔。

2）氣體在瓦斯抽采鉆孔過(guò)程中，會(huì)通過(guò)巷道裂隙帶依次經(jīng)過(guò)圍巖應(yīng)力降低區(qū)、峰后應(yīng)力升高區(qū)、峰前應(yīng)力升高區(qū)以及原始應(yīng)力區(qū)。受到圍巖應(yīng)力分布的影響，對(duì)煤體進(jìn)行破壞，造成大量新裂隙的出現(xiàn)以及老裂隙的擴(kuò)展，整個(gè)煤層氣密性較差，大量漏氣通道出現(xiàn)，是瓦斯抽采鉆孔過(guò)程中的主要漏氣通道。

3）鉆孔周?chē)严稁_(kāi)采過(guò)程中的巷道圍巖較為相似，鉆孔周?chē)霈F(xiàn)破碎區(qū)和塑性區(qū)。隨著開(kāi)采的不斷深入，煤體受到反復(fù)的擾動(dòng)破壞，產(chǎn)生大量的裂隙，裂隙逐漸擴(kuò)展為漏氣通道，因此也被叫作“漏氣圈”[2]。伴隨瓦斯的抽采，空氣也從漏氣圈進(jìn)入鉆孔內(nèi)部。

2 新型封孔裝置的提出

2.1 “兩堵一注”封孔技術(shù)的不足

“兩堵一注”注漿封孔工藝是對(duì)此前的黃泥漿封孔和聚氨酯封孔方式的一種改進(jìn)，屬于囊袋式封孔工藝的一種。雖然原理可行但是實(shí)際使用效果不佳，瓦斯抽采難以滿足既定目標(biāo)，原因在于管路中的“三角區(qū)”縫隙在封漿的過(guò)程中難以被完全填充，空氣借助抽采負(fù)壓從產(chǎn)生的縫隙流入鉆孔，使得抽采效率下降?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪籽b置漏氣通道如圖2 所示。

圖2 “兩堵一注”封孔裝置漏氣示意圖

根據(jù)圖2 不難發(fā)現(xiàn)，囊袋填充后，管路同封孔囊袋間存在注漿難以充滿的“三角區(qū)”，產(chǎn)生漏氣通道，空氣借助抽采負(fù)壓從產(chǎn)生的縫隙流入鉆孔，使得抽采效率下降。

2.2 新型注漿裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型封孔裝置同當(dāng)前的封孔工藝裝置相比，實(shí)現(xiàn)了“一管多用，多管合一”，通過(guò)抽采管和注漿管與回漿管內(nèi)切的形式，顯著提升了注漿壓力，避免了“三角區(qū)”漏氣通道的產(chǎn)生，顯著提高了抽采鉆孔密封效果，瓦斯抽采濃度有所保障。除此之外該裝置的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以適應(yīng)多種傾角瓦斯抽采鉆孔，結(jié)構(gòu)核心為注漿閥和回水閥。通過(guò)二者位置的變化可以將環(huán)形注漿空間內(nèi)的氣體完全排出，保證漿液充分滲透至環(huán)形注漿空間內(nèi)，對(duì)周?chē)后w的裂隙也能起到一定的填充作用。

2.3 新型注漿封孔工藝原理

1）依照抽采鉆孔的角度設(shè)置注漿閥以及回水閥，環(huán)形注漿空間的長(zhǎng)度在5～10 m 范圍內(nèi)。

2）通過(guò)孔口囊袋和孔內(nèi)囊袋上的單向截止閥向囊袋內(nèi)注漿，囊袋膨脹通過(guò)擠壓使得孔壁和煤壁之間緊密貼合，實(shí)現(xiàn)封孔段堵頭。

3）繼續(xù)注漿，不斷提升注漿壓力直到達(dá)到復(fù)合囊袋間注漿閥開(kāi)啟壓力1.5 MPa 時(shí)，打開(kāi)回水閥排出環(huán)形注漿空間內(nèi)的空氣，注漿壓力使得注漿充滿環(huán)形注漿空間、周?chē)后w的裂隙中以及周?chē)摹奥馊Α敝?，進(jìn)一步減小孔壁周?chē)穆馔ǖ馈?/p>

4）一旦回漿管又漿液流出，即刻關(guān)閉孔口回水閥，提高注漿壓力至2 MPa，持續(xù)10 min 后停止注漿，完成整個(gè)抽采鉆孔的封孔過(guò)程。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60 萬(wàn)t/年，平硐加暗斜井開(kāi)拓方式。2110 工作面開(kāi)采煤層均為2 號(hào)煤層，是較穩(wěn)定煤層，巷道長(zhǎng)度174 m，東鄰2108 工作面（已回采），西鄰2112 工作面（正在布置），南接2 號(hào)煤層邊界巷，北至2110 開(kāi)切眼與一、二水平隔離煤柱，使用兩進(jìn)一回“Y”型全負(fù)壓的通風(fēng)方式?；夭善陂g瓦斯涌出量大約是8.25 m3/min，2110 工作面布置有平行順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，相鄰煤層布置穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽采。

3.2 封孔方案改進(jìn)試驗(yàn)

為了比較新型瓦斯抽采封孔裝置的實(shí)際工作效果，采用聚氨酯封孔法、囊袋式“兩堵一注”封孔法和新型瓦斯抽采封孔方法分別進(jìn)行試驗(yàn)，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)方案是在底板上方1.5 m 處水平進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔，相鄰鉆孔間距為8 m、孔徑5 mm、孔深60 m，總計(jì)鉆孔15 個(gè)。鉆孔完畢依次使用3 種封孔工藝進(jìn)行鉆孔間隔封孔。使用同種工藝的5 個(gè)孔采取串孔的方式形成抽采支路，共計(jì)3 個(gè)支路，支路同抽采總管相連接。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

完成封孔后，分別記錄3 組封孔工藝的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)以及瓦斯抽采純量，兩次測(cè)量之間間隔5 d，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制變化曲線圖，如圖3、下頁(yè)圖4 所示。

圖3 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對(duì)比曲線

圖4 瓦斯抽采純量對(duì)比曲線

根據(jù)圖3 不難發(fā)現(xiàn)，測(cè)量至50 d 時(shí)，聚氨酯封孔工藝、“兩堵一注”封孔工藝以及新型封孔工藝的平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分別是38.02%，50.82%和56.84%。相較于原有的2 種工藝，采用新型封孔裝置的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)顯著提升，提升幅度分別為49.50%以及11.85%。

根據(jù)圖4 不難發(fā)現(xiàn)，平均瓦斯抽采純量同瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)較為相近，測(cè)量至50 d 時(shí)，3種工藝的平均瓦斯抽采純量分別為0.032 m3/min，0.042 m3/min，0.046 m3/min，相較于原有的2 種工藝，采用新型封孔裝置的瓦斯抽采純量顯著提升，提升幅度分別為43.75%以及9.52%。

根據(jù)上頁(yè)圖3、圖4 不難發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，不論何種鉆孔封孔工藝，平均瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量都會(huì)逐漸下降，但是采用新型鉆孔封孔工藝平均瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量的下降速度要顯著小于其他2 種工藝。由此可知，新型鉆孔封孔裝置密封性更佳，減小漏氣通道以及孔內(nèi)的負(fù)壓損失的效果更好，瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量明顯更高。由此可見(jiàn)新型鉆孔封孔裝置對(duì)于改善當(dāng)前瓦斯抽采過(guò)程中效率較低、質(zhì)量較差等問(wèn)題有著重要意義。