固體粉料二次封孔技術(shù)應(yīng)用

張澤敏

(余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司)

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固體粉料二次封孔技術(shù)應(yīng)用

張澤敏

(余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司)

摘要針對煤層鉆孔抽放瓦斯后煤層孔隙發(fā)育，致使瓦斯?jié)舛认陆?鉆孔有效抽放期縮短的技術(shù)難題,提出了固體粉料二次封孔技術(shù)。介紹了固體粉料二次封孔技術(shù)原理、施工工藝，以某高瓦斯礦井為例，對固體粉料二次封孔工藝及封孔效果進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對固體粉料二次封孔的合理性與可行性進(jìn)行了客觀分析，并提出了改進(jìn)措施，為鉆孔抽采后期瓦斯抽采濃度的提高提供了新思路。

關(guān)鍵詞瓦斯抽采二次封孔固體粉料

瓦斯抽采是治理礦井瓦斯和防治煤與瓦斯突出最有效的方法之一[1]。鉆孔的抽采效果主要取決于煤層的透氣性，而鉆孔施工完并聯(lián)網(wǎng)抽采后，其抽采質(zhì)量主要取決于鉆孔封孔段周邊的漏氣率，漏氣率直接影響鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采量和抽采壽命。

當(dāng)前國內(nèi)外采用的封孔技術(shù)主要有機(jī)械注水泥砂漿封孔、發(fā)泡聚合材料封孔、封孔器封孔?，F(xiàn)有的瓦斯抽放鉆孔的封孔方法都還局限于一次封孔階段, 未涉及到如何提高后期瓦斯抽放濃度[2]。對于順層鉆孔, 即使初期瓦斯抽放濃度較高, 但鉆孔抽采一段時(shí)間后，鉆孔周圍會產(chǎn)生微裂隙或裂紋網(wǎng)絡(luò)，隨著煤層瓦斯壓力降低，巷道內(nèi)空氣會通過煤層裂隙緩慢滲透到煤層深部，并與煤層中瓦斯一起進(jìn)入抽采鉆孔而被抽出，導(dǎo)致單孔濃度出現(xiàn)不同程度的下降。縮短了鉆孔的有效抽采壽命，降低了鉆孔的利用率[3]。

針對鉆孔抽采瓦斯過程中，瓦斯?jié)舛群图兞髁看蠓冉档偷募夹g(shù)難題[4]，提出了固體粉料二次封孔工藝，即利用固體粉料對低濃度鉆孔周圍漏氣裂隙進(jìn)行封堵，以減少鉆孔漏氣，提高瓦斯抽采濃度。

1　礦井及工作面概況

余吾煤業(yè)主采3#煤，煤層平均厚6 m，為近水平煤層，煤層原始瓦斯含量約10 m3/t。以該礦N1205工作面回風(fēng)順槽為試驗(yàn)地點(diǎn)，其東側(cè)為實(shí)體煤、西側(cè)為N1203工作面采空區(qū)，巷道內(nèi)施工的鉆孔為N1205工作面采前預(yù)抽孔。鉆孔直徑120 mm，設(shè)計(jì)深度161 m，開孔高度1.8 m，開孔傾角-5°。由于N1205回順曾施工鉆孔預(yù)抽約5 a，區(qū)域煤體殘余瓦斯含量相對較低，加之受N1203工作面采動影響，區(qū)域煤體裂隙相對發(fā)育。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前巷道內(nèi)新施工的采前預(yù)抽鉆孔中，有超過50%以上的鉆孔瓦斯抽采濃度低于10%，鉆孔瓦斯抽采濃度普遍較低。

2　技術(shù)原理

固體粉料二次封孔技術(shù)是在單孔濃度較低的鉆孔周邊施工小直徑修護(hù)孔，并通過固體粉料輸送機(jī)正壓及抽采鉆孔負(fù)壓的共同作用，將固體粉料輸送至鉆孔周邊漏氣通道對其封堵，以減少鉆孔漏氣量，提高鉆孔抽采濃度。其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1　固體顆粒二次封孔技術(shù)原理

2.1修護(hù)孔布置

在試驗(yàn)孔周邊用風(fēng)鉆施工3個φ42 mm、孔深5 m 的修護(hù)鉆孔，修護(hù)孔均勻分布在抽采孔的周圍，且與抽采孔的間距1.2～1.25 m。修護(hù)孔與抽采孔相對位置如圖2所示。

2.2固體粉料輸送

固體粉料是由黏土、水泥及多種添加劑制成，具有顆粒小、流動性強(qiáng)、微膨脹、遇水呈黏稠狀特性。

圖2　修護(hù)孔與抽采孔相對位置

向修護(hù)孔內(nèi)輸送固體粉料是該項(xiàng)技術(shù)的核心，修復(fù)孔施工完成后，將φ20 mm的輸送管伸入孔底，并在孔口用透氣棉紗進(jìn)行封堵，修護(hù)孔孔口封堵如圖3所示。

圖3　固體顆粒運(yùn)移示意

固體粉料輸送基本原理為：動力源(壓縮空氣)經(jīng)進(jìn)氣口流入環(huán)形腔后，在空腔中心產(chǎn)生一低壓區(qū)，由于壓差的作用，吸料口附近的固體粉料及大量的空氣被吸入，固體粉料及大量空氣匯合后就形成高速、高容量的氣固兩相流從空氣增強(qiáng)器流出，并通過輸入管進(jìn)入修護(hù)孔內(nèi)。攜帶有固體粉料的高速空氣經(jīng)輸送管進(jìn)入孔底后，經(jīng)修護(hù)孔向孔外流動，此時(shí)大部分固體顆粒附著在鉆孔孔壁，少部分固體顆粒被氣流帶出到孔外巷道中。

3　試驗(yàn)效果分析

N1205工作面受N1203工作面采動影響，50%以上鉆孔單孔濃度低于10%，2015年8月15—18日在N1205回順選取80#～120#鉆孔中無串孔異常的鉆孔，進(jìn)行固體顆粒二次封孔試驗(yàn)30孔次。

試驗(yàn)前觀測30個試驗(yàn)孔的單孔濃度，并在每個試驗(yàn)孔的周圍按圖2布置施工修護(hù)孔，修護(hù)孔施工完畢后立即用輸送機(jī)向孔內(nèi)輸送固體粉料，輸送風(fēng)壓為0.5 MPa，單孔輸送量為2 kg。待粉料輸送完畢，鉆孔穩(wěn)定抽采1 d后，再次觀測鉆孔單孔濃度，通過對比試驗(yàn)前后單孔濃度變化，評價(jià)固體顆粒二次封孔試驗(yàn)效果。噴吹封孔粉料前后鉆孔平均單孔濃度對比分析如圖4所示。

圖4　試驗(yàn)前后鉆孔單孔濃度對比分析 □—試驗(yàn)前；■—試驗(yàn)后

固體顆粒二次封孔后，30個試驗(yàn)孔中僅8個鉆孔單孔濃度提升效果較為明顯，其余鉆孔單孔濃度變化不大或略有下降，沒有明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，二次封孔試驗(yàn)未到達(dá)預(yù)期的效果。

4　技術(shù)可行性分析

本次二次封孔試驗(yàn)雖未達(dá)預(yù)期的濃度提升效果，但仍有27%鉆孔濃度得到一定的提升，說明該技術(shù)仍有一定的可行性。造成試驗(yàn)效果不理想的主要原因如下：

(1)試驗(yàn)區(qū)域瓦斯抽采時(shí)間長達(dá)5 a之久，煤體殘存瓦斯含量已經(jīng)很低，煤層解析瓦斯較少，雖對鉆孔周圍部分漏氣通道進(jìn)行封堵，巷道內(nèi)的空氣依然會透過煤層微小孔隙緩慢滲流入鉆孔內(nèi)，造成鉆孔濃度很難明顯提高。

(2)試驗(yàn)區(qū)域受工作面回采動壓影響，巷道煤體破碎，裂隙發(fā)育，鉆孔漏氣裂隙網(wǎng)可能為鉆孔周圍數(shù)米大的裂隙范圍，而修護(hù)孔數(shù)量、修護(hù)范圍有限，不能對所有漏氣通道進(jìn)行封堵。

(3)固體粉料若要進(jìn)入孔壁裂隙，需修護(hù)孔壁裂隙與鉆孔漏氣裂隙導(dǎo)通，即有氣流流動，當(dāng)其不導(dǎo)通時(shí)，孔壁裂隙內(nèi)便不會發(fā)生氣流流動。本次二次封孔試驗(yàn)的修護(hù)孔距離鉆孔間距為1.2～1.25 m，部分鉆孔漏氣裂隙可能在距鉆孔更近或更遠(yuǎn)的區(qū)域，修護(hù)孔不在鉆孔漏風(fēng)裂隙區(qū)內(nèi)，固體粉料未能進(jìn)入鉆孔漏氣裂隙，無法對鉆孔漏氣通道進(jìn)行封堵。

(4)輸送固體顆粒的風(fēng)壓動力約0.5MPa，且隨著輸送距離的延長，孔口出風(fēng)壓力約0.1MPa，低速風(fēng)流很難攜帶粉料顆粒運(yùn)移到孔壁裂隙內(nèi)及在裂隙內(nèi)長距離運(yùn)移而封堵整個裂隙網(wǎng)。

5　結(jié)論及改進(jìn)

(1)固體粉料二次封孔具有一定的可行性，但目前技術(shù)尚不成熟，僅27%的鉆孔抽采濃度得到提升，技術(shù)效果尚未達(dá)到預(yù)期水平。

(2)在煤層瓦斯含量極低、煤體破碎的非實(shí)體煤區(qū)域，采用固體粉料二次封孔技術(shù)提高鉆孔抽采濃度，從目前技術(shù)水平來看，可行性較差。

(3)在下一步試驗(yàn)過程中，選擇瓦斯含量較高的實(shí)體煤區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)對于低濃度鉆孔，預(yù)先分析其濃度較低的原因，探究鉆孔主要漏氣位置，并將修護(hù)孔布置在鉆孔主要漏氣區(qū)域，使用大功率、高壓力粉料輸送機(jī)噴吹粉料，盡可能多的將粉料輸送至漏氣裂隙內(nèi)，增加封孔效果。

參考文獻(xiàn)

[1]張鐵崗．礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，2001．

[2]周福寶，李金海，昃璽，等．煤層瓦斯抽放鉆孔的二次封孔方法研究[J]．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(8):764-768．

[3]孫培德，萬華根．煤層氣越流固—?dú)怦詈夏Ｐ图翱梢暬M研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(7):1179-1185．

[4]周福寶，夏同強(qiáng)，劉應(yīng)科，等.二次封孔粉料顆粒輸運(yùn)特性的氣固耦合模型研究[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(6):953-958．

(收稿日期2016-05-10)

張澤敏(1986—)，男，助理工程師，551000 山西省長治市。