抽放鉆孔漏氣機(jī)理及“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)

張躍錚

（晉能控股裝備制造集團(tuán)，山西 晉城 048006）

本煤層瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害最廣泛使用措施之一，但是瓦斯抽采效果總體不佳[1-2]，最主要的原因?yàn)橥咚钩椴摄@孔封孔質(zhì)量較差。晉能控股集團(tuán)寺河煤礦主采15#煤層，瓦斯含量平均為17.1 m3/t，最大達(dá)到21.3 m3/t。15#煤位于石炭系上統(tǒng)太原組一段頂部，直接頂板為石灰?guī)r（K2），沉積穩(wěn)定，上距3 號(hào)煤層85.29 m、K7 砂巖76.54 m，底板多為泥巖或含炭泥巖，下距K1 砂巖9.07 m、奧灰頂界面21.33 m，煤層厚1.08～5.45 m，平均2.67 m，煤層變異系數(shù)為0.21，可采系數(shù)為100%，屬穩(wěn)定可采煤層。該礦井4307 工作面采用本煤層預(yù)抽、邊采邊抽瓦斯治理措施。但是由于4307 工作面煤體破碎，鉆孔塌孔堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，封孔不嚴(yán)格造成鉆孔漏氣、濃度低，抽放量難以保證。

1 抽放鉆孔漏氣機(jī)理

對(duì)于瓦斯抽放鉆孔漏氣的認(rèn)識(shí)大體上分為了兩種，一是認(rèn)為封孔材料自身存在空隙或收縮、膨脹不均勻與孔壁之間產(chǎn)生空隙是導(dǎo)致鉆孔漏氣的主要原因，稱(chēng)為孔內(nèi)漏氣[3]。隨著巷道開(kāi)挖和鉆孔施工，基于礦壓和彈性力學(xué)理論，發(fā)現(xiàn)鉆孔周?chē)严稁菍?dǎo)致漏氣的另一個(gè)主要原因[4]，稱(chēng)為孔外漏氣。

1）根據(jù)礦山壓力理論，在巷道開(kāi)挖后上方煤巖體壓力要向周?chē)后w轉(zhuǎn)移，由此產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，并引起應(yīng)力的重新分布，煤體在支承壓力作用下發(fā)生塑性變形并形成塑性區(qū)域[5]，其寬度可根據(jù)式（1）計(jì)算得出：

其中：M為煤層厚度；λ為側(cè)壓系數(shù)；f為煤層與頂?shù)装宓哪Σ亮?；K為大于1 的應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖層平均容重；H為開(kāi)采深度；τ為煤層與頂?shù)装宓恼辰Y(jié)應(yīng)力；φ為煤體內(nèi)摩擦角；N0為煤壁支撐能力。

巷道側(cè)向支承壓力分布及塑性區(qū)示意圖如圖1。其中AC 段為塑性變形區(qū)（x0），一般來(lái)說(shuō)這一距離在10 m 左右[6]，CD 段為彈性變形區(qū)，BA 段為應(yīng)力降低區(qū)，BD 段為應(yīng)力升高區(qū)。

圖1 支承壓力示意圖及塑性區(qū)分布

2）在煤層中施工鉆孔后會(huì)對(duì)原始煤體造成一定擾動(dòng)，導(dǎo)致鉆孔周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)出現(xiàn)應(yīng)力重分布，其結(jié)果是造成距鉆孔不同深度處的煤體所受的應(yīng)力狀態(tài)不同，應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)使部分煤體失穩(wěn)破壞[7-8]，由內(nèi)向外依次形成了破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。從鉆孔失穩(wěn)的角度來(lái)考慮各個(gè)區(qū)域的受力情況，為了便于分析假設(shè)鉆孔周?chē)后w均質(zhì)且同性，各向應(yīng)力相等，側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ=μ/（1-μ）=1，式中μ為巖石的泊松比。根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)，鉆孔周?chē)奈⒃w其平衡方程[10]可由下式表示：

式中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為切向應(yīng)力，MPa；r為徑向距離，m。

由于破裂區(qū)和塑性區(qū)滿(mǎn)足廣義Hoek-brown 準(zhǔn)則，根據(jù)這一準(zhǔn)則，兩變形區(qū)域內(nèi)的切向應(yīng)力σθ可用下式來(lái)表示：

式中：σθ為切向應(yīng)力，MPa；σr為徑向應(yīng)力，MPa；σc為煤體單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；mb為煤體的Hoek-brown 常數(shù)；s、a分別為煤體強(qiáng)度參數(shù)。

鉆孔周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)后，各個(gè)變形區(qū)域之間并沒(méi)有嚴(yán)格的界限，因此其應(yīng)力邊界條件可由下式來(lái)描述：

式中：r0、rb、rp分別表示鉆孔半徑、破裂區(qū)半徑、塑性區(qū)半徑，m；σrb、σrp、σre分別表示破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)的徑向應(yīng)力，MPa；σ為原巖應(yīng)力，MPa。

結(jié)合式（2）、（3）、（4）可得出鉆孔周?chē)屏褏^(qū)的力學(xué)參數(shù)特征：

式中：σrb為破裂區(qū)徑向應(yīng)力，MPa；σθb為破裂區(qū)切向應(yīng)力，MPa；σc為煤體單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；mb、sb、a為破裂區(qū)煤體強(qiáng)度參數(shù)。

上式給出了鉆孔周?chē)那邢?、徑向?yīng)力特征，證實(shí)了沿鉆孔軸向上破碎圈的存在，同時(shí)鉆孔處于巷道的塑性變形區(qū)，兩因素的疊加致使該區(qū)域內(nèi)的煤體破碎，裂隙發(fā)育，形成一個(gè)環(huán)鉆孔延伸、長(zhǎng)度與巷道塑性區(qū)相當(dāng)?shù)牧严稁鐖D2（圖中1 區(qū)域）。

圖2 巷道-鉆孔周?chē)鷳?yīng)力疊加示意圖

常規(guī)封孔材料如采用的水泥砂漿，水灰比0.5，封孔只是堵住了鉆孔，無(wú)法對(duì)破碎圈內(nèi)的裂隙形成封堵，在抽放負(fù)壓的作用下外部空氣易通過(guò)這些裂隙進(jìn)入孔內(nèi)，導(dǎo)致鉆孔抽放濃度低、效率低，形成鉆孔外部漏氣。這是后期抽采過(guò)程中鉆孔漏氣的主要原因[9-10]。

2 “兩堵一注”封孔工藝的基本原理及使用方法

1）基本原理

“兩堵一注”封孔設(shè)備由普通封孔管2、注漿囊袋5（長(zhǎng)1 m 并可在一定壓力下將漿、水分離）、注漿管1、返漿管4、卸壓閥（6、7）等組成，如圖3。注漿時(shí)先將兩個(gè)囊袋5 充滿(mǎn)漿液并使其之間形成密閉空間，隨漿液注入壓力逐漸增大，在將密閉空間充填完后進(jìn)入孔周裂隙，將裂隙擴(kuò)展、延伸并充填煤體凹凸面[11-12]，封堵孔壁裂隙帶，將鉆孔空間與孔外裂隙同時(shí)封堵，做到了真正意義上“封孔”。

圖3 “兩堵一注”封孔工藝示意圖

2）使用方法

風(fēng)動(dòng)注漿泵將水泥漿液通過(guò)注漿管1 注入孔內(nèi)，當(dāng)漿液壓力升高至P1時(shí)卸壓閥6 開(kāi)啟，漿液充填囊袋5，隨漿液量增多當(dāng)注漿壓力達(dá)到P2時(shí)，卸壓閥7 開(kāi)啟向兩個(gè)囊袋之間注漿，當(dāng)返漿管4 返漿時(shí)說(shuō)明注漿空間已基本注滿(mǎn)，將返漿管閥門(mén)3 關(guān)閉并繼續(xù)注漿，壓力持續(xù)升高，直到孔口返出少量清水注漿作業(yè)停止。

合理注漿參數(shù)確定。① 注漿量的確定。帶壓注漿封孔關(guān)鍵問(wèn)題是注漿量是否足夠，只有充足的注漿量，才會(huì)有效封閉鉆孔的封孔段空間和孔周?chē)严?。注漿量一般由公式Q=3.14（D2-d2）×d×h×K×α×β，式中：Q為注漿量，kg；D、d、h分別為鉆孔直徑、封孔管直徑、封孔長(zhǎng)度，單位均為m；K、β分別為鉆孔周?chē)严栋l(fā)育系數(shù)和鉆孔不規(guī)則系數(shù)，一般分別取1.2 和1.1；α為漿液可利用系數(shù)，一般取1.05。② 注漿壓力確定。注漿壓力是漿液進(jìn)入鉆孔周?chē)严兜膭?dòng)力，若注漿壓力過(guò)大，造成裂隙擴(kuò)大，若注漿壓力過(guò)小，容易造成漿液進(jìn)入裂隙不完全，不能全面封堵裂隙。合理的注漿壓力可通過(guò)牛頓流體在水平光滑裂隙面內(nèi)的擴(kuò)散方程式P=[λμ（R-r）2.21]/0.093T·δ2·r0.21計(jì)算獲得，其中P為注漿壓力，MPa；λ、δ分別為冗余系數(shù)、裂隙開(kāi)度；μ為漿液黏度，Pa·s；R、r分別為擴(kuò)散半徑和鉆孔半徑，單位均為m；T為注漿時(shí)間，min；δ為裂隙開(kāi)度，cm。③ 注漿材料。注漿材料為由流動(dòng)性強(qiáng)、膨脹性好、密封性強(qiáng)的材料配置而成的JD-WFK 新型材料。該材料為灰色粉末，無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)腐蝕性、阻燃，施工時(shí)與水1:1 配比使用，無(wú)明顯熱量放出。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

根據(jù)4307 工作面實(shí)際地質(zhì)情況，煤體破碎，鉆孔塌孔堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，封孔不嚴(yán)格造成鉆孔漏氣、濃度低，抽放量難以提升。根據(jù)上述理論可計(jì)算出封孔關(guān)鍵參數(shù)，即封孔長(zhǎng)度22 m，注漿量為108 kg，注漿壓力采用2.5 MPa。在43071 巷選取兩組鉆孔，每組5 個(gè)，分別使用常規(guī)封孔工藝與“兩堵一注”封孔工藝進(jìn)行試驗(yàn)。在封孔后分別對(duì)鉆孔濃度進(jìn)行觀測(cè)并形成對(duì)比曲線(xiàn)如圖4。

圖4 不同封孔工藝條件下鉆孔濃度變化曲線(xiàn)

采用“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔初始濃度基本在60%～70%左右，且鉆孔濃度基本呈線(xiàn)性衰減，經(jīng)過(guò)70 d 的抽放濃度仍能保持在30%左右，鉆孔仍然有效。采用常規(guī)封孔方式的鉆孔初始濃度低（20%～40%左右）、衰減速度先快后慢，經(jīng)過(guò)相同抽放時(shí)間后鉆孔濃度只有采用“兩堵一注”封孔工藝鉆孔的1/10～1/8 左右，幾乎沒(méi)有利用價(jià)值。對(duì)比鉆孔濃度變化曲線(xiàn)，“兩堵一注”封孔工藝可以顯著提高鉆孔抽放濃度并減緩其衰減速度，同等條件下比常規(guī)封孔工藝具有明顯優(yōu)越性。

4 結(jié)論

1）基于彈性力學(xué)和礦壓理論分析了鉆孔周?chē)严稁У男纬蓹C(jī)理，指出了鉆孔周?chē)严稁У拇嬖谑菍?dǎo)致鉆孔漏氣的主要原因。

2）闡明了“兩堵一注”封孔工藝及其工作原理，即水泥漿液可以進(jìn)入鉆孔周?chē)严稁U(kuò)展、延伸并充填其凹凸面，同時(shí)與煤顆粒粘結(jié)在一起提高孔壁裂隙帶強(qiáng)度，形成一層堅(jiān)強(qiáng)壁壘，徹底封堵鉆孔外部漏氣通道。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，采用“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔比采用常規(guī)封孔方式鉆孔的初始濃度要高出1 倍以上，且衰減速度較慢，具有明顯的優(yōu)越性。