本煤層帶壓封孔技術裝備研究及其應用

盧紅奇，鄧增社，徐文全，胡魏魏，鄧廣哲(1.陜西煤業(yè)化工技術研究院，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

本煤層帶壓封孔技術裝備研究及其應用

盧紅奇1，2，3，鄧增社1，2，徐文全1，2，胡魏魏1，2，鄧廣哲3
(1.陜西煤業(yè)化工技術研究院，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；3.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯問題的根本手段。在分析煤層鉆孔應力分布的基礎上，研究了帶壓封孔技術封堵鉆孔裂隙的基本原理，并結合“兩堵一注”工藝，研制了新型帶壓封孔裝置，并對裝置進行實驗，結果表明該設備能夠滿足注漿壓力0.5 MPa要求。通過理論分析確定了大佛寺煤礦40118工作面最佳注漿壓力為0.4 MPa和最佳封孔長度為12 m，經(jīng)現(xiàn)場驗證帶壓封孔技術抽采瓦斯?jié)舛容^常規(guī)封孔工藝提高50%以上，有效地保障了工作面的安全開采。

帶壓封孔；抽采；本煤層；囊袋；裂隙

隨著我國煤炭資源的開發(fā)，淺部資源面臨枯竭，目前多數(shù)礦區(qū)已進入深部開采。隨著煤炭開采的逐漸向深部延伸，煤層出現(xiàn)高應力、高瓦斯、高松軟等特點[1]，同時煤層瓦斯含量也隨之增大，極大地影響煤礦安全高效開采。抽采作為治理瓦斯的根本手段[2-3]，而封孔質(zhì)量是影響抽采效果的關鍵因素之一、對工作面治理瓦斯具有重要的影響。

目前，對于煤層瓦斯抽采鉆孔而言，廣泛采用“兩堵一注”封孔工藝，且多采用聚氨酯作為封孔材料，但由于聚氨酯不能充分充填鉆孔周圍的裂隙、對鉆孔無支撐作用，使得瓦斯抽采濃度較低[4]。為此，許多專家對封孔方法進行研究，提出不同的封孔工藝，如周福寶等[5]和李文樹等[6]提出的二次封孔法，鄭春山等[7]和Zhang et al[8]提出的雙階段注漿封孔方法，張明杰等[9]提出的徑向強力膨脹法封孔技術，取得了較好的效果。尤其是帶壓封孔技術的實現(xiàn)[10-13]，能夠明顯提高煤層瓦斯抽采效果，但存在著操作復雜等因素。

本文通過對帶壓封孔和“兩堵一注”原理進行分析，研制新型帶壓封孔設備，并對帶壓封孔關鍵參數(shù)進行分析，為改善目前封孔操作復雜、鉆孔抽采瓦斯?jié)舛鹊偷那闆r提供參考。

1 帶壓封孔機理

煤層抽采鉆孔由于受到采動應力的影響，由煤壁向煤體深部會形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)。同時，鉆孔周圍煤體由于應力變化，會形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖1所示[2-3]。在破裂區(qū)域，由于鉆孔對應力的釋放會形成大量的裂隙，瓦斯會從裂隙中逸散從而影響抽放效果，這些裂隙是造成鉆孔漏氣最為重要的因素。因此，封堵鉆孔周圍破裂區(qū)裂隙是提高鉆孔瓦斯抽采效果的有效途徑。

帶壓封孔技術是利用帶壓注漿的方法將封堵漿液注入鉆孔以達到改善煤體力學性質(zhì)和封堵裂隙的目的。該技術通過使用采用聚氨酯等膨脹材料在抽采鉆孔中形成一段封閉區(qū)域，然后使用注漿泵帶壓將水泥漿等注漿材料注入抽采鉆孔封閉區(qū)域，注漿材料在注漿壓力的作用下進入煤體裂隙，凝固后與煤體相結合，從而鉆孔周圍破裂區(qū)裂隙得到有效封堵，提高鉆孔瓦斯抽采效果。其封孔前后示意圖如圖2所示。

圖1 鉆孔周圍煤體應力分布

2 帶壓封孔設備研發(fā)

2.1 帶壓封孔設備研發(fā)

根據(jù)帶壓封孔技術原理和“兩堵一注”封孔工藝，設計出新型帶壓封孔裝置，其結構如圖3所示。其實施過程為：通過機械扣壓方式將過水不過漿的囊?guī)Э蹓涸诔椴晒苈飞?，然后注入速凝膨脹水泥漿液等使鉆孔密封段形成有效密閉空間，再向密閉空間注入帶壓水泥漿體等進行密封。

圖2 鉆孔帶壓封孔前后示意圖

圖3 帶壓封孔裝置示意圖

該帶壓封孔裝置技術原理為：在封孔之前，通過機械扣環(huán)方式將囊?guī)Э蹓涸诔椴晒苈飞纤腿氤椴摄@孔中，然后調(diào)節(jié)控制閥、打開注漿泵，使帶壓的水泥漿體首先沿3#注漿管進入2#囊袋中，待2#囊袋注滿后調(diào)節(jié)控制閥，使水泥漿體沿1#注漿管進入1#囊袋，待1#囊袋充滿后，停止注漿，待1#囊袋內(nèi)漿體內(nèi)稍許凝固后，再次向1#囊袋注漿，從而避免漿體出現(xiàn)“月牙狀”。待1#囊袋、2#囊袋內(nèi)漿體充分凝固后再次調(diào)節(jié)控制閥向囊?guī)е虚g的密封空間帶壓注漿，直至充滿空間。本實驗所采用的囊袋長度為1 m。

2.2 帶壓封孔設備實驗

囊袋是帶壓封孔裝備的關鍵。本次所用囊袋材料為阻燃、抗靜電的加筋機織布，具有拉伸強度高、耐磨損、耐腐蝕、擋矸等特點。機械扣壓前后囊袋如圖4所示。

為了分析機械扣壓效果及囊袋膨脹性，在實驗室對囊袋性能進行研究，本次實驗注漿泵壓力為0.5 MPa。實驗結果如圖5所示，其中a為注漿壓力0.5 MPa情況下囊袋膨脹性實驗，b為注漿壓力0.5 MPa情況下機械扣壓環(huán)情況。在實驗過程中，隨著注漿進行，囊袋隨著漿體的注入開始膨脹，徑向變化增大。當注漿壓力達到0.5 MPa時，囊袋成不規(guī)則柱性且未發(fā)生漏漿情況，扣壓處并未漏漿。從圖5可以看出，當注漿壓力0.5 MPa時，囊袋未發(fā)生破損，機械扣壓環(huán)仍完好，且水泥漿液凝固后囊袋并無破損，說明該裝備能夠在0.5 MPa注漿壓力下起到封堵作用。

圖4 機械扣壓前后囊袋

圖5 帶壓封孔裝備實驗

3 現(xiàn)場試驗

3.1 工作面情況

現(xiàn)場試驗在大佛寺煤礦40118工作面，該工作面主采4#煤層，煤的堅固性系數(shù)約為3，工作面瓦斯含量為2.9～3.2 m3/t，平均煤層厚度為11.65 m，煤層透氣性系數(shù)約為0.25 m2/(MPa2·d)，煤層傾角為3～5°。該工作面主要采用采前預抽(本煤層扇形鉆孔預抽與傾向鉆孔采前預抽)、高位鉆孔，同時在上隅角采用埋管抽采。

3.2 合理封孔長度及注漿壓力確定

3.2.1 合理封孔長度確定

根據(jù)鉆屑理論，巷道圍巖應力的變化會引起鉆孔應力的重新分布，從而影響鉆孔鉆屑量。由于巷道應力的變化，使得鉆孔向煤體深部發(fā)展可分為卸壓區(qū)、應力集中區(qū)和原巖應力區(qū)。在卸壓區(qū)，鉆屑量基本保持不變，在應力集中區(qū)鉆屑量逐漸增大并在應力峰值處達到最大，之后一直下降并達到固定值[14-15]。

根據(jù)鉆屑法的要求，在40118工作面煤壁實施三個鉆孔，每個鉆孔間距5 m，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深度為15 m，每鉆進1 m測試一次鉆屑量，3個鉆孔鉆屑量如圖6所示。從圖6可以看出，鉆孔1～5 m之間鉆屑量逐漸增加，但增加幅度較小。6～12 m之間鉆屑量增加明顯，尤其是10～12 m之間鉆屑量較大，12～15 m之間減小但仍比1～5 m之間的鉆屑量大。因此，可以判定，1～5 m為卸壓帶，6～14 m為應力集中帶，其中10～12 m為最佳封孔位置。因此，本次封孔長度為12 m。

圖6 鉆孔鉆屑量變化

3.2.2 注漿壓力的確定

注漿壓力的確定對于帶壓封孔技術是至關重要的。根據(jù)中國水利水電科學研究院建立的非牛頓流體在光滑裂隙面內(nèi)的擴展方程[16]，得出了漿體擴散半徑R與注漿壓力PG、漿液黏度μ及注漿時間T的關系，見式(1)。

(1)

式中：P0為裂隙內(nèi)地下水壓力，Pa；δ為裂隙或孔隙的寬度，cm；r0為鉆孔半徑，cm，由于煤孔的不均勻性，r0=mr/2，m為鉆孔不均勻系數(shù)，r為鉆孔理論孔徑。

對式(1)進行移項變化，得出注漿壓力PG的表達式，見式(2)。

(2)

由于現(xiàn)場條件的變化，現(xiàn)場應用的注漿壓力需將計算出的注漿壓力乘以冗余系數(shù)，一般取1.2，見式(3)。

P注=λPG

(3)

式中λ為冗余系數(shù)。

根據(jù)大佛寺煤礦40118工作面抽采鉆孔具體情況可知，抽采鉆孔孔徑為113 mm，根據(jù)鉆孔半徑r0=mr/2可計算出，r0=68 mm，425水泥漿液(水灰比2∶1)可注入裂縫寬度為0.05 cm[17]，漿液黏度為13.5 mPa·s，漿體擴散半徑最大為0.68 m(10倍孔徑[12])，注漿時間約為15 min。根據(jù)以上參數(shù)可得PG=0.3 MPa。根據(jù)式(3)可知，注漿壓力P注=0.36 MPa。同時考慮現(xiàn)場情況和注漿泵性能，本次注漿壓力為0.4 MPa。

3.3 抽采效果考察

根據(jù)前述帶壓封孔裝備原理，在40118工作面進行試驗，封孔長度均為12 m，1#孔采用傳統(tǒng)封孔工藝，2#孔采用注漿壓力0.2 MPa封孔工藝，3#～5#孔為采用注漿壓力0.4 MPa封孔工藝。鉆孔抽采負壓為2～5 kPa，鉆孔長度為120～160 m，傾角為10～15°，各個鉆孔瓦斯抽采濃度如圖7所示。

圖7 1#～5#鉆孔瓦斯抽采濃度對比

從圖7中可以看出，1#鉆孔采用常規(guī)封孔工藝后，在初始16 d抽采時間內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采濃度較低，平均瓦斯?jié)舛燃s為30%左右，這是由于常規(guī)封孔工藝下鉆孔裂隙無法得到有效封堵，在負壓抽采條件下外界空氣進入鉆孔中導致抽采濃度較低。2#鉆孔注漿壓力平均為0.2 MPa，鉆孔瓦斯抽采濃度明顯較1#孔高，平均瓦斯?jié)舛葹?0%，說明在注漿壓力0.2 MPa時鉆孔裂隙得到有效封堵。3#鉆孔、4#鉆孔和5#鉆孔注漿壓力為0.4 MPa，其抽采瓦斯?jié)舛容^0.2 MPa時高，平均抽采萬濃度為81%、82%和85%，比常規(guī)封孔工藝瓦斯抽采濃度高51%～55%左右，較注漿壓力0.2 MPa時高10%以上，明顯提高了鉆孔瓦斯抽采濃度。

4 結 論

1)鉆孔由于受應力影響，會產(chǎn)生破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，帶壓封孔即是帶壓注漿來達到封堵鉆孔裂隙的目的。

2)根據(jù)帶壓封孔和“兩堵一注”原理，設計新型帶壓封孔裝置，即利用機械扣壓方式將囊袋固定在抽采管路上，然后利用注漿泵依次向囊袋和密封空間帶壓注漿。通過對該設備進行實驗，結果表明該設備能夠滿足注漿壓力0.5 MPa需求。

3)根據(jù)大佛寺煤礦40118工作面情況，得出其合理封孔長度為12 m和最佳注漿壓力為0.4 MPa，通過在現(xiàn)場試驗表明帶壓封孔技術較常規(guī)封孔工藝提高鉆孔瓦斯抽采濃度50%以上，取得了明顯的效果。

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Research and application of pressurized sealing borehole equipment in mining seam

LU Hongqi1，2，3，DENG Zengshe1，2，XU Wenquan1，2，HU Weiwei1，2，DENG Guangzhe3

(1.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China；2.National & Local United Engineering Research Center of Green Safety Efficient Mining，Xi’an 710065，China；3.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Gas drainage is a fundamental method of solving gas disasters of coal mine.Based on stress distribution features of borehole，the sealing mechanism of pressurized sealing technology was analyzed.Combined with the “two sealing and one grouting” technology，the new pressurized sealing equipment was developed.The experimental result showed that the equipment couldmeet the demand of 0.5 MPa grouting pressure.With the theoretical analysis，the technical parameters of 40118 mining face in Dafosi coal mine were obtained，the best grouting pressure was 0.4 MPa，and the reasonable sealing length was 12 m.The field test showed that the pressurized sealing technology could improve the gas drainage content by 50%，and the technology could ensure safety mining.

pressurized sealing；gas drainage；mining seam；capsular bag；crack

2016-11-17 責任編輯：趙奎濤

陜西省工業(yè)科技攻關項目資助(編號：2016GY-176)

盧紅奇(1988-)，男，河南周口人，工程師，博士，現(xiàn)從事煤巖動力災害研究工作，E-mail:cumtblhq@163.com。

TD712

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1004-4051(2017)06-0112-04