本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔封孔工藝實踐及分析

陳永慶

(山西晉煤集團(tuán) 沁秀煤業(yè)有限公司，山西　晉城　048000)

·試驗研究·

本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔封孔工藝實踐及分析

陳永慶

(山西晉煤集團(tuán) 沁秀煤業(yè)有限公司，山西晉城048000)

摘要針對寺河二號井9#開采煤層瓦斯抽采濃度低的問題，引進(jìn)兩種封孔工藝與原有封孔工藝進(jìn)行對比試驗研究，結(jié)果表明：囊袋式注漿封孔工藝技術(shù)較聚氨酯封孔技術(shù)瓦斯?jié)舛忍岣吡?0%以上，固孔效果明顯；并通過理論推導(dǎo)得到不同預(yù)抽期和預(yù)抽率下的鉆孔布置間距，為9#煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置提供了參考。

關(guān)鍵詞封孔工藝；瓦斯?jié)舛龋煌咚沽髁?；布孔間距

晉煤集團(tuán)寺河二號井9#煤層由于地質(zhì)條件多變、煤層透氣性差、封孔效果不良等原因，使得瓦斯抽采利用存在諸多問題，主要表現(xiàn)在：鉆孔漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重，瓦斯抽采濃度過低。由于鉆孔漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重，使得礦井瓦斯抽采濃度達(dá)不到可以利用濃度，大量低濃度瓦斯被直接排放到大氣之中，不僅造成瓦斯資源的巨大浪費(fèi)，而且造成大氣的污染。

影響瓦斯抽采效果的因素有很多，從瓦斯抽采技術(shù)環(huán)節(jié)上來劃分，主要有打鉆施工質(zhì)量、封孔質(zhì)量、聯(lián)管質(zhì)量及抽采管路日常管理水平等，而封孔質(zhì)量的好壞對瓦斯抽采效果起著至關(guān)重要的作用。

9#煤層瓦斯抽采濃度低的原因之一是目前采用聚氨酯封孔技術(shù)封孔，材料脆性大，固孔效果不佳，聚氨酯封孔一段時間后，發(fā)泡材料不能與煤體很好地耦合，煤體次生裂隙發(fā)育較快，原生裂隙擴(kuò)大發(fā)育，煤體裂隙的發(fā)育導(dǎo)致負(fù)壓系統(tǒng)與外界溝通，負(fù)壓損失較大，并且巷道空氣滲入抽采管路，導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛冉档?，抽采量下降?/p>

針對聚氨酯封孔帶來的問題以及目前配套的瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的要求，引進(jìn)囊袋式注漿封孔技術(shù)、負(fù)壓二次封孔技術(shù)進(jìn)行封孔，通過3種封孔方式的效果分析，得到適合的封孔技術(shù)來提高瓦斯抽放濃度及抽放量。

1兩種引進(jìn)封孔技術(shù)介紹

1.1　負(fù)壓二次封孔技術(shù)

負(fù)壓二次封孔技術(shù)是在聚氨酯封孔技術(shù)的基礎(chǔ)上的改進(jìn)與發(fā)展。負(fù)壓二次封孔技術(shù)對抽采鉆孔實施封孔，分為兩個封孔階段。第一次封孔階段(圖1中的L2段)采用聚氨酯材料，在松動圈以外位置進(jìn)行局部封孔，避開松動圈，提高初次封孔的瓦斯抽放濃度；第二次封孔階段(圖1中的L1段)是利用高壓氣體以一定壓力將微細(xì)膨脹粉料送入煤層鉆孔內(nèi)，微細(xì)膨脹粉料在瓦斯抽放系統(tǒng)負(fù)壓的作用下滲入煤層周圍的孔(裂)隙區(qū)域，微細(xì)膨脹粉料進(jìn)入裂隙之后，增加裂隙內(nèi)氣體的流動阻力，阻隔外界空氣的進(jìn)入，使鉆孔內(nèi)的漏風(fēng)量明顯減少。

1—抽放管　2—粉料輸送管(接粉料輸送機(jī))　3—除塵管 4—閥門　5—觀察孔　6、7—擋板或棉紗　8—花管段　9—抽放鉆孔圖1　負(fù)壓二次封孔示意圖

前后端呈拖把狀，除孔口外留出0.4~0.5 m，抽放管從抽放孔口到管底分為3段：L1—二次封孔段；L2—一次封孔聚氨酯封孔長度段；L3—抽放空間段(一般為1.5 m)，其中L1+L2為封孔深度?？紤]到考察的需要，將L1、L2的長度進(jìn)行設(shè)定，具體如下：L1取3.5 m，L2取5 m，L1、L2長度的選取根據(jù)不同煤層不同鉆孔卸壓區(qū)而不同。一次封孔階段L2采用聚氨酯封孔。二次封孔段L1：用高壓軟管接上粉料輸送機(jī)裝入二次封孔粉料，單孔吹粉料量3~5 kg(根據(jù)裂隙大小可適當(dāng)調(diào)整)，微細(xì)膨脹粉料在瓦斯抽放系統(tǒng)負(fù)壓的作用下滲入煤層周圍的孔(裂)隙區(qū)域，減小漏風(fēng)。二次封孔結(jié)束以后繼續(xù)觀察抽放效果，對有需要有條件的抽放孔可進(jìn)行多次吹粉料封孔，以取得最佳的抽放效果。

1.2　囊袋式封孔技術(shù)

囊袋式注漿封孔法是考慮到國內(nèi)現(xiàn)行封孔技術(shù)的缺陷，結(jié)合國外封孔技術(shù)的經(jīng)驗提出的一種成本適中、能顯著改善抽采效果的封孔方法。它改變了過去人們普遍認(rèn)為的“瓦斯抽采鉆孔難以實現(xiàn)注漿封孔”的常規(guī)看法。同時,這種封孔方法采用的膨脹水泥材料，一方面能使鉆孔周圍的裂隙得到充填，消除開孔時形成的漏氣通道(裂隙)；另一方面能使鉆孔得到可靠的支護(hù)，保證鉆孔的穩(wěn)定性，使鉆孔周圍不再產(chǎn)生新的漏氣通道(裂隙)，見圖2.

1—充氣管　2—注漿管　3—返漿管　4、7—充氣式囊袋(氣囊外有高強(qiáng)度布套)　5—囊袋固定卡箍　6—PE抽放管圖2　囊袋封孔裝置示意圖

工作原理：兩囊袋之間的注漿段為6 m左右，兩囊袋之間的距離根據(jù)煤層鉆孔卸壓區(qū)范圍的不同而適當(dāng)調(diào)整，囊袋內(nèi)的充氣壓力能夠維持在0.6 MPa以上，囊袋整體抗壓強(qiáng)度1.5 MPa以上，囊袋與孔壁之間較大的摩檫阻力保證了兩囊袋之間的注漿壓力及注漿量，使用的注漿材料具有一定的膨脹性，凝固后達(dá)到密封固孔的效果。

2封孔工業(yè)試驗及效果考察

本次試驗根據(jù)寺河礦二號井的實際情況，選定在94304工作面的94211巷道進(jìn)行本煤層鉆孔預(yù)抽瓦斯封孔技術(shù)的對比試驗。94304工作面地質(zhì)煤層構(gòu)造簡單、穩(wěn)定，煤層厚度為1.2～1.6 m，煤層傾角為2°～6°，平均3°，工作面傾向長度136 m，走向長度773 m，可采長度616 m.試驗地點的本煤層鉆孔布置間距約為5 m，孔深110 m左右。

在94304工作面的94211巷使用各種封孔工藝分別對20個相同條件的鉆孔封孔，封孔完成后接入抽采管路，開始對鉆孔抽采效果進(jìn)行觀測，主要觀測的指標(biāo)有：負(fù)壓、濃度、純流量，觀測時間為2～3天觀測一次，共持續(xù)觀測1.5個月。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，整理各孔在觀測期間的平均瓦斯抽放濃度及抽放量。通過觀測，各鉆孔的抽放負(fù)壓維持在20 kPa左右，根據(jù)各鉆孔數(shù)據(jù)，得出各封孔工藝下的濃度30%以上的鉆孔比例、純量30 L/min的鉆孔比例，見表1.

表1　不同封孔工藝抽放效果對比表

由表1可知：1) 負(fù)壓一定的情況下，運(yùn)用囊袋式注漿封孔工藝技術(shù)及負(fù)壓二次封孔技術(shù)的鉆孔的瓦斯?jié)舛燃凹兞烤染郯滨シ饪仔Ч茫?種封孔工藝中瓦斯平均濃度達(dá)30%以上的各組占鉆孔總封孔個數(shù)的比例分別為：聚氨酯封孔技術(shù)為29%；負(fù)壓二次封孔技術(shù)為37%；囊袋式注漿封孔技術(shù)為38.5%.3種封孔工藝中瓦斯平均純流量達(dá)到30 L/min的各組占鉆孔總封孔個數(shù)的比例分別為：聚氨酯封孔技術(shù)為43%；負(fù)壓二次封孔技術(shù)為48%；囊袋式注漿封孔技術(shù)為50%. 2) 濃度大的鉆孔，純流量也大，進(jìn)一步說明了封孔工藝的重要性，本次考察得到囊袋式注漿封孔工藝技術(shù)為最優(yōu)選擇。

3抽放鉆孔布置間距優(yōu)化

大部分礦井由于生產(chǎn)銜接的影響，對開采煤層的預(yù)抽期及預(yù)抽率都有相應(yīng)的要求。在規(guī)定預(yù)抽期內(nèi)，煤層瓦斯抽采率大小一定程度上取決于抽放鉆孔的設(shè)計參數(shù)，尤其是鉆孔的布置間距大小最為重要，因此，在封孔工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，優(yōu)化鉆孔布置間距，可以保證預(yù)抽率。

以抽出率作為指標(biāo)，確定鉆孔布置間距的理論方程式為：

(1)

H—鉆孔間距，m；

q(t)—百米鉆孔經(jīng)t日排放時的瓦斯流量，m3/(min·hm)；

ρ—煤的密度，t/m3；

M—煤層的平均厚度，m；

W—煤層瓦斯含量，m3/t；

η—預(yù)抽瓦斯率，%.

式(1)中：q(t)、ρ、M、W根據(jù)不同工作面的實際情況取范圍值分別為：0.01～0.05 m3/(min·hm)、1.2～1.6 t/m3、0.48～2.58 m、5～8 m3/t，剩余有3個未知數(shù)，分別為抽出率、抽放時間、抽放半徑。當(dāng)抽出率確定時，抽放半徑與抽放時間存在一一對應(yīng)關(guān)系，抽放時間越長，抽放半徑越大，反之，抽放時間越長，抽放半徑越小。

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026-2006)的規(guī)定要求，工作面抽采率應(yīng)≥30%，由式(1)求得94304工作面順層鉆孔不同預(yù)抽期所對應(yīng)的鉆孔布置間距見表2.

寺河礦二號井要求工作面預(yù)抽率不小于30%，30%的預(yù)抽率可滿足生產(chǎn)需求，以30%為準(zhǔn)進(jìn)行鉆

表2　鉆孔間距與預(yù)抽期和預(yù)抽率的關(guān)系表

孔設(shè)計。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第十三條：回采工作面形成后，施工回采范圍的煤層網(wǎng)狀鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，預(yù)抽時間不得少于6個月。本項目計算預(yù)抽率時將預(yù)抽期取6個月時，預(yù)抽率為30%時，得到鉆孔布置間距為6.24 m.因此，確定優(yōu)化后的順層鉆孔布置間距取6 m較為合適，即抽放半徑為3 m.

4結(jié)論

1) 運(yùn)用3種不同的封孔工藝封孔，結(jié)果表明，囊袋封孔技術(shù)及負(fù)壓二次封孔技術(shù)相比于聚氨酯封孔技術(shù)瓦斯抽采濃度及純流量方面都有較大優(yōu)勢。

2) 相對于聚氨酯封孔，負(fù)壓二次封孔技術(shù)在聚氨酯封孔基礎(chǔ)上增加了二次封孔環(huán)節(jié)，通過二次注入微細(xì)膨脹粉料充填煤層裂隙，但是當(dāng)煤層裂隙較大時，無法達(dá)到理想密封效果，并且固孔效果較差。

3) 囊袋式注漿封孔完全取代聚氨酯封孔，在一定壓力下，對2個充氣囊袋之間注漿，使得漿液滲入煤層裂隙，注漿材料具有一定的膨脹性，待凝固后，即可填充裂隙，又可固孔，減少密封后次生裂隙的發(fā)育。

4) 通過理論推導(dǎo)，寺河礦二號井94304工作面預(yù)抽期為6個月時，預(yù)抽率為30%時，鉆孔間距取6 m合適，并可以推導(dǎo)不同預(yù)抽率和預(yù)抽期下的鉆孔布置間距。

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Application and Analysis of Sealing Process for Pre-drainage Drilling in Coal Seam

CHEN Yongqing

AbstractAiming at the gas drainage concentration is low in Sihe No.2 Mine 9#coal seam. Comparing two borehole sealing technique introduced with the original sealing technique shows that gas concentration of the bag type grouting sealing technology than the polyurethane sealing technology increased more than 30%, solid hole effect is obvious;different pre-drainage times and layout spacing are obtained through theory derivation,to provid reference for the pre-drainage gas sealing layout in 9#coal seam.

Key wordsBorehole sealing technique; Gas concentration; Gas flow; Layout spacing

中圖分類號：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)08-0008-03

作者簡介：陳永慶(1967—)，男，山西晉城人， 2007年畢業(yè)于太原理工大學(xué), 工程師，主要從事煤礦通風(fēng)瓦斯治理工作(E-mail)1402468969@qq.com

收稿日期：2015-07-02

基金項目：國家重大科技專項2011ZX05063