含水巖層下向穿層鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)研究

周成剛，申茂良，朱亞林

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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含水巖層下向穿層鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)研究

周成剛，申茂良，朱亞林

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為解決地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤層頂?shù)装鍘r層含水條件下,下向瓦斯預(yù)抽受巖層水影響較嚴(yán)重的問題，提出一種注漿防水工藝和新型式的下向鉆孔封孔技術(shù)。結(jié)合某實(shí)驗(yàn)礦井的地質(zhì)情況，通過實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)配制特效的注漿漿液，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的注漿有效半徑,合理布置注漿防水鉆孔，并對(duì)下向抽采鉆孔采用新型的封孔技術(shù)。通過瓦斯抽采效果對(duì)比分析，結(jié)果表明，巖層水所帶來的不利影響得到較好地解決，封孔效果良好，抽采濃度和純量均有很大幅度地提高。

含水巖層；下向鉆孔；瓦斯預(yù)抽；注漿封水；封孔技術(shù)

Gas Pre-drainage Technique with Downward Driving Holes in Aquifer

穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽瓦斯技術(shù)是預(yù)防煤與瓦斯突出，確保煤礦安全生產(chǎn)的重要措施之一[1-3]。適用于地層構(gòu)造復(fù)雜，煤層頂?shù)装鍘r層含水，下向打鉆穿過含水層；或瓦斯抽采鉆場(chǎng)位于比較深的地層，由于地應(yīng)力大，在地應(yīng)力和采動(dòng)的雙重作用下煤巖層裂隙不斷發(fā)育，從而形成巖層水到穿層鉆孔的裂隙通道[4-6]。裂縫水的存在會(huì)對(duì)瓦斯的解吸以及運(yùn)移形成阻力，降低原始煤層透氣性，而且裂縫水易引起垮孔，同時(shí)抽采孔內(nèi)積水會(huì)使得抽采通道阻塞，從而增大抽采阻力，使得瓦斯抽采效果不理想，達(dá)不到瓦斯抽放要求。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)礦井煤層瓦斯地質(zhì)條件，提出鉆場(chǎng)注漿防水工藝，對(duì)注漿防水鉆孔布置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并采用一種新型的下向鉆孔封孔技術(shù)，有效解決了頂?shù)装辶芽p水對(duì)抽采鉆孔成孔難、封孔差的問題，大大提高瓦斯抽采效果，煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性得到降低，確保了煤礦安全高效生產(chǎn)。

1　實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.65Mt/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限135a，分-540m，-850m兩個(gè)水平開采，現(xiàn)正向第二水平開拓延深。該礦井為高瓦斯突出礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量150m3/min左右，相對(duì)瓦斯涌出量22.4m3/t，抽放率42%左右。該礦資源賦存豐富，井田走向長(zhǎng)15.6km，南北傾斜寬3.5km，井田面積54.6km2,可采儲(chǔ)量0.412Gt，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于標(biāo)高-580m的11518高抽巷8煤層。該煤層傾角6～10°，煤層厚度2.65～3.7m,平均厚度3.06m，煤層瓦斯壓力2.6MPa，煤層原始瓦斯含量15.68m2/t，煤層透氣性系數(shù)0.01～0.05m2/(MPa·d)，屬于難以抽采煤層。11518高抽巷穿層鉆孔設(shè)計(jì)見圖1。

圖1　下向穿層鉆孔條帶預(yù)抽11518高抽巷瓦斯示意

2　注漿防水工藝

2.1注漿防水原理

通過理論研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出裂縫水的存在會(huì)對(duì)瓦斯抽采造成較大的阻礙，有效封堵穿層鉆孔周圍裂隙是解決其對(duì)瓦斯抽放造成的不利影響的有效途徑。注漿防水工藝通過一定的外界注漿壓力將配置好的特制漿液注入到裂隙巖體中，該漿液會(huì)以劈裂、滲透、充填等方式驅(qū)走裂隙中的水和空氣，且通過自身的粘合作用固結(jié)破碎巖層，使得巖體和裂縫膠結(jié)成一個(gè)整體，從而有效地封堵裂隙并充填含水層的含水空間，改變含水層的性質(zhì)結(jié)構(gòu)，使含水層成為弱含水層甚至隔水層[7-10]。注漿防水工藝中主要需要重點(diǎn)考慮3個(gè)方面，即注漿漿液的配制、注漿半徑的確定和鉆孔方案的設(shè)計(jì)。

2.2注漿漿液的配置

結(jié)合穿層鉆孔區(qū)域具有含水層、裂縫發(fā)育等實(shí)際情況，配置的注漿液要求具有流動(dòng)性能好、凝固時(shí)間短，且對(duì)巖層的粘結(jié)能力強(qiáng)以及凝固后的抗壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)室研究配置以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)注漿液按水∶水泥∶生石灰∶鋁粉∶固體速凝劑的重量比50∶50∶10∶0.7∶10進(jìn)行配制時(shí)，封堵效果最佳。

2.3注漿鉆孔的設(shè)計(jì)

注漿有效半徑的確定是進(jìn)行注漿鉆孔設(shè)計(jì)的首要步驟，通過在11518高抽巷的1號(hào)鉆場(chǎng)底板實(shí)施1個(gè)注漿孔，以注漿孔為中心，距離中心1m，1.5m，2m，2.5m，3m施工5個(gè)考察孔[11]，如圖2所示。采用內(nèi)窺鏡錄像的方法來考察各考察孔內(nèi)壁的情況，以孔壁的光滑程度作為判斷依據(jù)，確定實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)有效注漿半徑為2.5m。

圖2　注漿考察孔布置

實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)有效注漿半徑按2.5m進(jìn)行設(shè)計(jì)，注漿孔的位置根據(jù)實(shí)際情況選在裂縫比較發(fā)育、涌水量較大的地方。注漿時(shí)，短孔和長(zhǎng)孔先后進(jìn)行注漿，先注短孔(給長(zhǎng)孔帶壓注漿打下基礎(chǔ))，再注長(zhǎng)孔。本次實(shí)驗(yàn)選在1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行注漿實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)注漿孔15個(gè)，其中5m注漿短孔6個(gè)，13m注漿長(zhǎng)孔9個(gè)，實(shí)驗(yàn)鉆孔布置如圖3所示。注漿完成24h后再打下向瓦斯抽采鉆孔。

圖3　注漿鉆孔布置

3　下向鉆孔封孔技術(shù)

3.1封孔器工作原理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)具體情況和封孔的相關(guān)要求將封孔器送入預(yù)先設(shè)定的地點(diǎn)，然后將進(jìn)漿導(dǎo)流管和進(jìn)漿口連接，用注漿泵通過導(dǎo)流管和封孔器進(jìn)行注漿。由于注漿本身帶有一定的壓力，且安全閥的封堵使得回路封閉，隨著漿液的不斷注入，回路中的壓力會(huì)逐漸增大，積聚的壓力會(huì)通過腔內(nèi)的單向閥隔膜向膨脹管方向釋放，使得膨脹管的管徑迅速變大變粗，并與鉆孔內(nèi)壁貼合，形成初次封堵。當(dāng)回路中壓力大于3MPa時(shí)，將安全閥打開，漿液會(huì)在壓力的作用下將出漿口的隔膜裝置頂破，漿料從出漿口噴出(在單向閥隔膜的作用下，膨脹管內(nèi)的壓力不會(huì)泄漏降低)，噴出后的漿料流至封孔器出漿口處凝固后形成二次封堵。

3.2固瑞特G201封孔材料

通過對(duì)相關(guān)封孔材料的性能分析，并結(jié)合鉆場(chǎng)封孔的實(shí)際情況，本次封孔材料采用固瑞特G201，該封孔材料是一種由有機(jī)高分子和無機(jī)材料制備的加固型雙組分注漿材料，漿液由A，B雙組分獨(dú)立包裝組成，且A組分和B組分以體積比為1∶1，通過雙液比例泵自動(dòng)混合后進(jìn)行注漿。固瑞特G201封孔材料性能指標(biāo)見表1。

表1　固瑞特G201封孔材料性能指標(biāo)

3.3封孔器坐底注固瑞特封孔技術(shù)

根據(jù)下向穿層鉆孔的孔深和見煤情況，鉆孔前端采用直徑40mm的尖錐和直徑40mm的PVC管，煤層段使用花眼管,位于鉆孔孔深11～12m處連接FK-80/5-X封孔膠囊1個(gè),在封孔膠囊下段1.8m處連接直徑40mm的鐵管,并在封孔膠囊上段4分處連接注漿管且直到孔口；連接好注漿管后，從注漿管注固瑞特,待孔口返漿后停止注漿,15min后進(jìn)行二次加壓注漿,待孔口有漿液冒出停止注漿,注漿結(jié)束。

3.4封孔注意事項(xiàng)

由于注漿漿液的固化時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)溫度有關(guān)，因此注漿前，先將固瑞特的兩個(gè)組分材料放在15～30℃溫度下放至12h以上；為防止堵管，注漿間隙時(shí)，可用A組分充滿混合頭和管路；套管下不到位的鉆孔重新進(jìn)行透孔，透孔后套管仍不到位的立即進(jìn)行補(bǔ)孔，確保鉆孔的深度符合要求；為使套管能夠順利下過止煤點(diǎn)，在封孔前應(yīng)對(duì)鉆孔進(jìn)行充分排渣，且下向穿層鉆孔施工至穿過煤層底板10～15m，用于煤巖粉的沉淀。

4　效果考察

在11518高抽巷的1號(hào)和2號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)施了注漿防水工藝和封孔器坐底注固瑞特封孔技術(shù)，在采用新封孔技術(shù)施工完后，凝固24h，孔口套管采用變頭與瓦斯抽采管路進(jìn)行連接，并在連接處安裝瓦斯?jié)舛群土髁勘O(jiān)測(cè)的裝置，氣密性檢查合格后開始抽采瓦斯。對(duì)1號(hào)和2號(hào)鉆場(chǎng)的瓦斯抽采情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，累計(jì)抽采60d后，經(jīng)過分析統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其中單孔平均濃度均在38.5%以上，干管抽采平均濃度36.2%；抽采混合流量5.32m3/min，抽采平均純流量2.8m3/min，抽采率達(dá)到52.6%。

11518高抽巷的3號(hào)和4號(hào)鉆場(chǎng)作為參照組，且3號(hào)和4號(hào)鉆場(chǎng)未采用注漿防水工藝，封孔技術(shù)采用的是傳統(tǒng)聚氨酯坐底的封孔工藝，并和1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行預(yù)抽瓦斯，60d內(nèi)干管抽采濃度1.2%～21%，平均抽采純量0.76m3/min，與1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)抽采濃度、抽采純量對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4　干管抽采濃度對(duì)比

圖5　干管抽采純量對(duì)比

分析圖4、圖5可知：在抽采初期1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔抽采濃度和抽采純量都要明顯大于3號(hào)、4號(hào)鉆場(chǎng)，抽采15d后，3號(hào)、4號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔抽采濃度、抽采純量均開始有下降的趨勢(shì)，并且隨著抽采時(shí)間的增加，抽采濃度和純量越來越小，而1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)在抽采60d內(nèi)抽采濃度和純量均呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，最大值分別達(dá)到46.5%和4.38m3/min。

以上結(jié)果表明在抽采后期，未采取注漿堵水措施和新封孔工藝的3號(hào)、4號(hào)鉆場(chǎng)受水和鉆孔密封性以及完整性的影響比較大，裂隙水會(huì)降低煤層瓦斯的解吸率，同時(shí)堵塞運(yùn)移通道，而且未采用新封孔工藝鉆孔的密封性和完整性大大降低，容易出現(xiàn)鉆孔垮孔和堵孔，抽采效果差。1號(hào)、2號(hào)鉆場(chǎng)在采取注漿堵水和新封孔工藝后，使得水所造成的不利影響大大降低，煤層透氣性和鉆孔的密封以及完整性都得到保障，瓦斯抽采濃度和純量都比較大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，抽采效果比較理想。

5　結(jié)　論

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)礦井的具體情況，通過實(shí)驗(yàn)室配置新型注漿液，并實(shí)行長(zhǎng)、短孔相結(jié)合的注漿防水工藝，有效地固結(jié)了破碎巖層，封堵裂隙并充填含水層的含水空間，改變含水層的性質(zhì)結(jié)構(gòu)，使含水層成為弱含水層甚至隔水層，大大降低了水對(duì)下向穿層鉆孔瓦斯抽采的影響。

(2)固瑞特在流動(dòng)水中不會(huì)被稀釋、溶解，且固結(jié)體仍有較高強(qiáng)度，采用封孔器坐底注固瑞特封孔技術(shù)具有良好的封孔效果。

(3)采用注漿防水和封孔器坐底注固瑞特封孔技術(shù)，11518高抽巷下向穿層鉆孔累計(jì)抽采60d，單孔濃度均在38.5%以上，干管抽采平均濃度36.2%，抽采混合流量5.32m3/min，抽采純流量2.8m3/min。與參照組相比，平均抽采濃度與平均抽采流量均大幅度地提高，抽采效果良好。

(4)注漿防水和封孔器坐底注固瑞特封孔技術(shù)有效解決了地層構(gòu)造比較復(fù)雜，煤層頂?shù)装鍘r層含水情況下穿層鉆孔瓦斯抽采不理想等問題。為同類地質(zhì)條件下穿層鉆孔瓦斯抽采工作提供新的技術(shù)方向。

[1]羅孝勇.下向穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2008，27(6)：87-89.

[2]程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(2)：127-139.

[3]司春風(fēng).下向鉆孔抽采被保護(hù)層煤巷條帶瓦斯的工藝技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(3)：65-69.

[4]何修仁.注漿加固與堵水[M].沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1990.[5]李波，李長(zhǎng)松，魏建平，等.套管帶壓固結(jié)封孔技術(shù)在瓦斯壓力測(cè)定中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(3)：34-37.

[6]戎立帆，柏發(fā)松，車志飛.下向穿層瓦斯抽采鉆孔新型封孔方法及應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(8)：64-68.

[7]趙志法,張慶華,黃長(zhǎng)國(guó),等.下向穿松軟煤層涌水鉆孔測(cè)壓技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(5)：34-37.

[8]石智軍，胡少韻，姚寧平，等.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[9]黃長(zhǎng)國(guó)，周華龍，劉志偉，等.下向測(cè)壓孔封孔技術(shù)及運(yùn)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(S1)：111-112.

[10]袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

[11]王明重，呂辰，陳凱.下向測(cè)壓鉆孔封孔技術(shù)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(4)：109-113.

[12]周鑫隆，柏發(fā)松，石必明，等.下向穿層鉆孔條帶預(yù)抽瓦斯技術(shù)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(12)：149-154.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

2016-01-04

周成剛(1990-)，男，安徽安慶人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榘踩碚撆c技術(shù)。

TD712.62

B

1006-6225(2016)05-0095-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.027

[引用格式]周成剛，申茂良，朱亞林.含水巖層下向穿層鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)研究[J].煤礦開采，2016，21(5)：95-97，91.