景福煤礦瓦斯抽采鉆孔無機封孔材料試制及應(yīng)用

陳 忠，田國平，喬書明

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.天鼎恒砼外加劑科技發(fā)展有限公司，太原 030008；3.陽煤集團壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

景福煤礦瓦斯抽采鉆孔無機封孔材料試制及應(yīng)用

陳 忠1，3，田國平2，喬書明3

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.天鼎恒砼外加劑科技發(fā)展有限公司，太原 030008；3.陽煤集團壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

為了解決景福煤礦本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量差、漏氣率大、抽采濃度低的問題，試制了一種新型無機封孔材料。通過新型無機封孔材料的試制過程及實驗數(shù)據(jù)，分析了各組份原料對材料的影響，為產(chǎn)品最終定型提供了依據(jù)。通過井下抽采鉆孔封孔效果檢驗，平均抽采瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?2.8%提高到26.5%。

瓦斯抽采；漏氣；無機封孔材料；試制

1 瓦斯抽采鉆孔漏氣機理及對策

經(jīng)長期實驗觀測，瓦斯抽采鉆孔漏氣主要有以下幾個方面的原因：一是巷道掘進后造成圍巖松動圈裂隙，一般寬度為5～7 m；二是幫錨桿、幫錨索等支護鉆孔與抽采鉆孔貫通，一般寬度為2～5 m；三是瓦斯抽采鉆孔孔壁裂隙或裂縫，其形成與鉆孔周邊應(yīng)力變化和煤層堅固程度有關(guān)，一般沿鉆孔全長分布；四是礦山壓力通過鉆孔孔壁作用于封孔材料時，由于封孔材料抗壓強度不足，被壓裂或發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生裂隙或漏氣通道。

由瓦斯抽采鉆孔漏氣機理可知，針對第一、二條原因，應(yīng)當(dāng)采取加大封孔抽放管長度、封孔深度的措施。近年來瓦斯抽采實踐中封孔抽放管長度、封孔深度由原來的6～8 m逐漸增加到8～10 m，取得了比較好的抽采效果。而第三、四條原因，也恰恰是聚氨酯封孔材料不能克服的缺點。聚氨酯類材料的成分為高分子，很難填充到孔壁裂隙中，甚至比較大的裂縫也很難被阻斷而形成漏氣通道；同時，高分子材料易發(fā)生塑性變形，在孔壁與材料體之間形成比較大的漏氣通道。而無機類材料，比如水泥，由于材料分子較小，與煤層有很好的“親和力”，比較容易進入并充填孔壁裂隙。水泥膠結(jié)物具有很高的抗壓強度，因此進入孔壁裂隙后對煤層結(jié)構(gòu)有改善作用，有利于提高鉆孔周邊煤體的抗壓強度，對煤體產(chǎn)生加固作用。當(dāng)然，水泥最常見的問題是“干縮”，“干縮”將產(chǎn)生裂隙?！案煽s”的原因是保證材料和易性的水分流失。如果在材料中加入適量減水劑，就可以解決“干縮”問題，這種方法在路橋等諸多行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。如果在材料中再加入適量膨脹劑，不僅能進一步抵消“干縮”影響，而且使材料在凝結(jié)過程中產(chǎn)生微膨脹。這種微膨脹在封閉的空間內(nèi)將轉(zhuǎn)化為壓力。據(jù)實測，體積膨脹率達到2%時，產(chǎn)生的壓力可達1 MPa，此壓力值足以保證材料進入并充填孔壁裂隙，從而起到堵漏氣的作用。

2 無機封孔材料試制實驗

解決問題的思路確定以后，太原理工大學(xué)與景福煤礦相關(guān)人員綜合考慮注漿機具性能、一次制漿量、單孔注漿所需時間及初始抽采時間等因素，共同擬定了無機封孔材料目標(biāo)技術(shù)參數(shù)（如表1所示），委托太原市天鼎恒砼外加劑科技發(fā)展有限公司開展試制實驗。天鼎恒砼公司采用混凝土外加劑自動配方系統(tǒng)，錄入主要試驗原料技術(shù)指標(biāo)和試制目標(biāo)材料技術(shù)參數(shù)后，系統(tǒng)自動生成了配方結(jié)果。主要試驗原料技術(shù)指標(biāo)如表2、3、4所示，系統(tǒng)自動生成配方結(jié)果如表5所示。試制人員按配方配制材料10 kg，交由有資質(zhì)的實驗室進行技術(shù)參數(shù)檢測，檢測結(jié)果如表6所示。

由表6可知，初凝時間、終凝時間兩項指標(biāo)基本滿足目標(biāo)技術(shù)參數(shù)要求，材料抗壓強度和體積膨脹率兩項指標(biāo)沒有達到預(yù)期效果。通過對表5、6的綜合分析，試制人員加大了水泥、石英砂的用量，尤其大幅度增加了膨脹劑的用量，二次配方結(jié)果如表7所示。試制人員按二次配方配制材料10 kg，交由實驗室進行技術(shù)參數(shù)檢測，檢測結(jié)果如表8所示。

由表8可知，初凝時間、終凝時間、材料抗壓強度和體積膨脹率四項指標(biāo)均滿足目標(biāo)技術(shù)參數(shù)要求。試制人員按二次配方配制材料100 kg，與景福煤礦相關(guān)人員進行井下現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)砂漿有離析現(xiàn)象。試制人員認為離析現(xiàn)象主要是由于砂漿黏稠度不足引起的，于是增加引氣劑和纖維素的用量，再次對配方進行了調(diào)整，改進后的配方如表9所示。第二次井下現(xiàn)場試驗時，砂漿沒有發(fā)生離析現(xiàn)象，泵送條件大為改善。實驗室對第三次配方材料進行了技術(shù)參數(shù)檢測，檢測結(jié)果如表10所示。

3 無機封孔材料現(xiàn)場應(yīng)用及效果檢驗

無機封孔材料試制成功后，景福煤礦在15103工作面回風(fēng)順槽進行了試驗應(yīng)用。15103工作面煤層厚度3.8～4.0 m，煤層傾角5°～12°，地質(zhì)條件簡單；煤層直接頂為太原組灰?guī)r，厚度1.5～1.8 m；老頂為砂質(zhì)泥巖，厚度4.5～5.8 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度3.5～4.0 m。該工作面煤層瓦斯壓力0.3～0.5 MPa，瓦斯含量6.5～7.8 m3/t。

15103工作面回風(fēng)順槽長度700 m，無機封孔材料試制成功后已掘進500 m。抽采瓦斯鉆孔滯后于掘進工作面100 m施工，鉆孔垂直于巷幫布置。先期施工的400 m巷道內(nèi)192個抽采瓦斯鉆孔封孔材料采用聚氨酯AB液混合藥包；以后施工的300 m巷道內(nèi)144個抽采瓦斯鉆孔采用“兩堵一注”封孔方式，即封孔段兩端先用聚氨酯AB液混合藥包封孔，隨后在兩段藥包之間注入無機封孔材料，“兩堵一注”封孔工藝如下圖1所示。

景福煤礦根據(jù)封孔方式的不同，將15103工作面回風(fēng)順槽內(nèi)336個鉆孔分為兩組，分別對抽采瓦斯?jié)舛?、抽采瓦斯流量進行了為期3個月的觀測。第一組192個鉆孔采用聚氨酯封孔，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?2.8%，單孔平均抽采瓦斯流量為0.005 1 m3/min。第二組144個鉆孔采用“兩堵一注”封孔方式，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?6.5%，單孔平均抽采瓦斯流量為0.006 8 m3/min。根據(jù)對抽采瓦斯?jié)舛?、抽采瓦斯流量觀測報表的分析，還發(fā)現(xiàn)兩組鉆孔存在以下現(xiàn)象，隨著時間的推移，第一組鉆孔瓦斯?jié)舛人p比較明顯，第二組鉆孔瓦斯?jié)舛缺容^穩(wěn)定；而瓦斯流量衰減速度第二組鉆孔明顯要大于第一組鉆孔，第二組鉆孔第50 d左右測定的單孔平均瓦斯流量與第一組鉆孔第80 d左右測定的單孔平均瓦斯流量相當(dāng)，之后呈快速下降趨勢。這些現(xiàn)象說明，“兩堵一注”封孔方式鉆孔所需的抽采時間可以比聚氨酯封孔鉆孔節(jié)約至少30 d左右。

4 結(jié)束語

景福煤礦瓦斯抽采鉆孔無機封孔材料試制及應(yīng)用實踐說明，無機封孔材料能大幅度地提高瓦斯抽采效率，抽采瓦斯?jié)舛雀?，可以?jié)省抽采時間，符合煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展要求，是新型封孔材料的發(fā)展方向。無機封孔材料試制過程最終確定的材料配方，滿足抽采瓦斯對封孔材料技術(shù)參數(shù)的要求，具備了進一步推廣使用的條件，可以作為定型產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

「1」山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司.陽煤集團壽陽景福煤業(yè)有限公司兼并重組整合項目礦井瓦斯抽采初步設(shè)計[R].山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司，2010.

「2」林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

「3」中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50119-2013混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國建設(shè)部，2014-08-01.

Trial Production and Application of Inorganic Sealing Material for Boreholes in Gas Drainage in Jingfu Mine

CHEN Zhong1，3,TIAN Guoping2,QIAO Shuming3
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Tianding Hengtong Admixture Technology Co.,Ltd.Taiyuan 030008,China; 3.Shouyang Jingfu Coal Co.,Ltd.,Yangquan Coal Group,Shouyang 045400,China.)

To solve the poor quality of boreholes in gas drainage,large leakage rate,low extraction concentration,and other problems,a new inorganic sealing material was trial-produced in Jingfu Mine.On the data from the trial production and experiment of the new material,the effect of each component on the material was studied to provide the evidence for the final determination.The effect test on sealing showed that mean gas concentration increased from 12.8%to 26.5%.

gas drainage;air leakage;inorganic sealing material;trial production

TD712.63

A

（編輯：薄小玲）

2014-11-03

陳忠(1969-)，男，山西平遙人，在讀工程碩士研究生，高級工程師，從事煤礦瓦斯治理技術(shù)工作。