分體組合式囊袋+CE封孔材料在16509工作面的應用

郭惠宇

(西山煤電(集團)有限責任公司 官地礦，山西 太原 030024)

·技術(shù)經(jīng)驗·

分體組合式囊袋+CE封孔材料在16509工作面的應用

郭惠宇

(西山煤電(集團)有限責任公司 官地礦，山西 太原 030024)

為改進封孔材料，優(yōu)化封孔工藝，分別采用分體組合式囊袋+CE高水膨脹封孔材料的封孔工藝、膠囊式注聚氨酯封孔工藝和普通囊袋式水泥注漿封孔工藝進行封孔，通過瓦斯抽采濃度、單孔封孔成本、鉆孔封孔成功率、鉆孔高濃度抽采時間4個指標對封孔的效果進行了對比。結(jié)果顯示，分體組合式囊袋+CE高水膨脹封孔材料的封孔工藝4項指標明顯優(yōu)于膠囊式注聚氨酯封孔工藝和普通囊袋式水泥注漿封孔工藝。

分體組合式囊袋+CE高水膨脹封孔材料；瓦斯抽采濃度；單孔封孔成本；封孔成功率；鉆孔高濃度抽采時間

隨著煤炭開采逐漸向深部延深，高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井越來越多，以山西焦煤集團西山煤電公司為例，在下屬的10對礦井中，8對為高瓦斯礦井，1對為煤與瓦斯突出礦井。

理論上講，如果瓦斯抽采鉆孔封孔后不漏氣，本煤層瓦斯抽采濃度應當接近100%. 但由于煤層透氣性差、鉆孔塌孔堵孔、封孔漏氣等因素的存在，導致井下瓦斯抽采濃度很低，瓦斯利用不能普遍開展，管路安全難以保證。瓦斯抽采鉆孔密封是本煤層瓦斯抽采最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)[1].在瓦斯抽采鉆孔密封過程中，國內(nèi)普遍采用水泥封孔、聚氨酯封孔、膠囊封孔等方法。但是，現(xiàn)有常用的封孔方法均存在不同程度的缺陷，例如，成本高、封孔準備周期長、勞動強度大，孔口出現(xiàn)漏氣、孔口清理工作量大，配套封孔管件難以回收利用。上述問題在山西焦煤集團普遍存在，并相互疊加和交織，致使井下瓦斯抽采濃度很低，不僅給節(jié)能減排和瓦斯利用帶來困難，同時也威脅著抽采管網(wǎng)安全[2].因此，亟須在瓦斯抽采封孔材料和封孔工藝(設備)環(huán)節(jié)進行創(chuàng)新研究。

1 CE材料介紹

根據(jù)密封材料要求具有一定和易性和流動性以及能對密封負壓和正壓鉆孔進行專門密封的研制目標，確定了原材料的種類和實驗的工藝流程。實驗研究了聚合物對材料致密性的影響、膨脹劑對材料膨脹性能的影響、囊壁質(zhì)量比對材料膨脹速率的影響、溶膠相變時間的影響因素等確定了原料的種類和基本的用量[3].選用常用的水、水泥、聚合物、囊壁材料等原料進行配方試驗，根據(jù)各目標性能的影響因素，設計不同的因素和水平，比照材料研制的原則和目標進行正交實驗，將膨脹劑和陽離子絮凝劑進行微膠囊化處理后的活性膠囊加入添加了分散劑的高分散度水泥漿，后將活性水泥漿與水溶性樹脂和增塑劑及偶聯(lián)劑聚合的水溶性聚合物進行界面復合，最終得到高水膨脹封孔材料，將其命名為CE材料。

CE鉆孔密封材料在初成時溶膠和易性強、容易注漿。漿體注入鉆孔一段時間后，原料之間發(fā)生反應，生成氣體并釋放一定熱量，漿體逐漸變稠，體積不斷膨脹，強度逐漸增加[4].通過對CE進行密封負壓鉆孔性能測試和密封高壓鉆孔性能測試后，結(jié)果顯示CE材料的密封性能均要優(yōu)于聚氨酯材料；通過對CE進行密封性能和保水性能測試裝置的對比實驗，結(jié)果顯示CE鉆孔密封材料對于高正壓鉆孔的密封性能優(yōu)于聚氨酯。

2 現(xiàn)場實驗

實驗地點為西山煤電集團官地礦16509工作面副巷，在實驗過程中采用分體組合式囊袋+CE高水膨脹封孔材料的封孔工藝，并與現(xiàn)用的膠囊式注聚氨酯封孔工藝和普通囊袋式水泥注漿封孔工藝進行了試驗對比。采用分體組合式囊袋+CE高水膨脹封孔材料進行封孔的鉆孔為67個，采用膠囊式注聚氨酯進行封孔的鉆孔為82個，采用普通囊袋式水泥注漿進行封孔的鉆孔為41個[5]. 最終通過瓦斯抽采濃度、鉆孔封孔成功率、鉆孔高濃度抽采時間、單孔封孔成本4個指標對封孔的效果進行了對比。

2.1 工作面概況

16509工作面位于南五采區(qū)，由正巷、副巷和切眼構(gòu)成，采用U型通風。東北側(cè)為16507工作面采空區(qū)，西南側(cè)為未采區(qū)，東北側(cè)為6#煤層小窯破壞區(qū)，上部為13511工作面采空區(qū)，3#～6#煤層層間距約為36.37 m. 工作面煤層平均厚度2.72 m，結(jié)構(gòu)復雜，靠近煤層上部含兩層厚度分別為0.10～0.20 m與0.15～0.25 m的泥巖夾石層。煤塵爆炸指數(shù)為15.26%，6#煤層為Ⅲ類不易自燃煤層。老頂為石灰?guī)r，厚度2.62 m；直接頂為泥巖，厚度1.5 m；直接底為泥巖，厚度1.64 m；老底為石灰?guī)r，厚度3.28 m[6]. 工作面西北部為向斜，軸向232°，兩翼傾角2°～14°.東南部為背斜，軸向215°，兩翼傾角2°～9°. 根據(jù)官地礦煤層瓦斯基本參數(shù)測定報告，6#煤層瓦斯壓力：0.18～0.23 MPa，瓦斯含量：2.88～3.52 m3/t，殘存瓦斯含量：1.94 m3/t，孔隙率：3.4%，煤層透氣性系數(shù)：1.170 1 m2/MPa2×d，百米鉆孔瓦斯流量：0.049 3 m3/min×hm，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)：0.010 112 d-1,瓦斯放散初速度：ΔP=12 m/s. 與16509工作面相鄰的16507工作面回采時，絕對瓦斯涌出量在10 m3/min左右，相對瓦斯涌出量為3.6 m3/t.

2.2 工作面鉆孔布置

現(xiàn)場鉆孔為本煤層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔與鉆孔的距離為5 m，開孔位置在巷道一側(cè)，試驗鉆孔布置方式見圖1.

圖1 16509工作面副巷瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

設計鉆孔參數(shù)：孔號為1～190，傾角2°，方位角90°，孔深180 m，孔徑113 mm.

2.3 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在16509工作面副巷共施鉆190個，因塌孔因素導致其中兩個鉆孔無法進行封孔，孔號分別為84、101，實際封孔188個。

2.4 實驗數(shù)據(jù)分析

導致抽采鉆孔濃度下降主要有兩個原因：1) 鉆孔內(nèi)瓦斯在負壓狀態(tài)下連續(xù)性的抽出，煤體彈性潛能被釋放與瓦斯壓力、含量下降的過程，煤層(體)發(fā)生變形或位移，致使鉆孔周邊孔(裂)隙發(fā)育(擴張)從而導致瓦斯?jié)舛认陆怠?) 瓦斯抽采鉆孔長期抽采過程中，由于地壓、采掘作業(yè)活動等因素的影響，造成鉆孔周邊孔(裂)隙發(fā)育(擴張)導致瓦斯?jié)舛认陆礫7].為了有效提高鉆孔密封段發(fā)育密集的細微裂隙帶封孔質(zhì)量，在16509工作面副巷進行了瓦斯抽采鉆孔封孔對比試驗，分別為分體組合式囊袋+CE高水膨脹封孔材料的封孔工藝、膠囊式注聚氨酯封孔工藝和普通囊袋式水泥注漿封孔工藝。

從瓦斯抽采濃度、鉆孔封孔成功率、鉆孔高濃度抽采時間、單孔封孔成本等幾方面進行比較分析：

2.4.1瓦斯抽采濃度分析

經(jīng)過對16509工作面瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)的整理和篩選，選取該工作面部分鉆孔瓦斯抽采濃度進行分析，見圖2，3，4.

由圖2可知，167#、175#、176#3個鉆孔的瓦斯?jié)舛入S著時間的增加而逐漸下降，167#鉆孔的濃度在15%～65%，175#鉆孔的濃度在30%～70%，176#鉆孔的濃度在11%～44%，且175#鉆孔瓦斯抽采濃度始終高于167#和176#，167#鉆孔瓦斯?jié)舛瓤傮w高于176#.

☆—采用分體組合式囊袋封孔工藝 ○—采用膠囊式注聚氨酯封孔工藝 ▲—采用萬隆封孔工藝 /—廢孔圖2 167#、175#、176#鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖

圖3 16509工作面瓦斯抽采鉆孔單孔濃度變化圖

圖4 16509工作面3種封孔工藝單日平均瓦斯抽采濃度變化圖

由圖3可知，3種封孔工藝瓦斯抽采濃度均為緩慢下降的趨勢。采用分體組合式囊袋封孔工藝的4個鉆孔觀測期內(nèi)抽采濃度始終高于30%，始終保持較高的濃度；而采用膠囊式注聚氨酯封孔工藝和普通囊袋式水泥注漿封孔工藝的鉆孔瓦斯抽采濃度在觀測后期低于20%.在整個觀測期內(nèi)分體組合式囊袋封孔工藝所封鉆孔瓦斯抽采濃度均高于其他兩種工藝所封鉆孔[8].

由圖4比較3種封孔工藝的單日平均瓦斯抽采濃度可知，3種封孔工藝的鉆孔瓦斯抽采濃度隨著時間的增加而緩慢增加。分體組合式囊袋封孔工藝的濃度在30%～70%，平均抽采濃度為46.7%；膠囊式注聚氨酯封孔工藝濃度在10%～50%，平均抽采濃度為33.5%；普通囊袋式水泥注漿封孔工藝濃度在15%～40%，平均抽采濃度為33.7%. 由此可知，在16509工作面采用分體組合式囊袋封孔工藝比膠囊式注聚氨酯封孔工藝的瓦斯抽采濃度高13.2%，比普通囊袋式水泥注漿封孔工藝的瓦斯抽采濃度高13%.

2.4.2鉆孔封孔成功率分析

封孔失敗的種類可分為兩種情況：1) 由于鉆孔成型后未能及時進行封孔而導致鉆孔塌孔，最終導致該鉆孔成為廢孔[9]. 2) 根據(jù)官地礦煤層瓦斯含量情況，鉆孔在第一天進行帶壓抽采瓦斯?jié)舛仍?0%以上即可認為封孔成功，否則認定為封孔失敗[10].

由鉆孔濃度數(shù)據(jù)可知，16509工作面采用分體組合式囊袋封孔工藝的鉆孔個數(shù)為67個，成功封孔67個；采用膠囊式注聚氨酯封孔工藝的個數(shù)為82個，成功封孔69個，因原因1)成為廢孔的鉆孔有2個，因原因2)封孔失敗的鉆孔有11個；采用普通囊袋式水泥注漿封孔工藝的個數(shù)為41個，成功封孔39個，因原因2)封孔失敗的鉆孔有2個。

由以上數(shù)據(jù)進行計算可知，16509工作面分體組合式囊袋封孔工藝成功率為100.0%，膠囊式注聚氨酯封孔工藝成功率為84.1%，普通囊袋式水泥注漿封孔工藝成功率為95.1%.

2.4.3鉆孔高濃度抽采時間分析

當封孔完成后，鉆孔的瓦斯抽采濃度在30%以上即可認為為高濃度抽采。16509工作面158#～161#、167#、175#～184#孔在31個觀測日內(nèi)高濃度抽采時間統(tǒng)計圖見圖5.

圖5 16509工作面鉆孔高濃度抽采時間統(tǒng)計圖

由圖5可知，在16509工作面封孔后的觀測日內(nèi)，分體組合式囊袋封孔工藝高濃度天數(shù)比例為100%，膠囊式注聚氨酯封孔工藝高濃度天數(shù)比例為79.6%，普通囊袋式水泥注漿封孔工藝高濃度天數(shù)比例為64.5%.

2.4.4單孔封孔成本分析

由成本計算可知，采用分體組合式囊袋封孔工藝單孔成本為 494.2元，采用膠囊式注聚氨酯封孔工藝單孔成本為1 269.2元，采用囊袋式水泥封孔工藝單孔成本為758.8元。

3 結(jié) 論

1) 采用分體組合式囊袋封孔工藝比膠囊式注聚氨酯封孔工藝可使瓦斯抽采濃度提高13.2%，比普通囊袋式水泥注漿封孔工藝可使瓦斯抽采濃度提高13%.

2) 采用分體組合式囊袋封孔工藝使得封孔的成功率比膠囊式注聚氨酯封孔工藝提高18.9%，比普通囊袋式水泥注漿封孔工藝提高5.2%.

3) 因此采用分體組合式囊袋封孔工藝比膠囊式注聚氨酯封孔工藝鉆孔高濃度抽采時間提高20.4%，比普通囊袋式水泥注漿封孔工藝鉆孔高濃度抽采時間提高35.5%.

4) 采用分體組合式囊袋封孔工藝比膠囊式注聚氨酯封孔工藝成本少775元，節(jié)約成本61.1%；比囊袋式水泥封孔工藝成本少264.6元，節(jié)約成本34.9%.

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ApplicationofCombinationofSpiltBag+CESealingMaterialin16509WorkingFace

GUOHuiyu

In order to improve the sealing material and optimize the sealing process, the sealing technology of combination of spilt bag+CE high moisture expansion sealing material, the sealing technology of the capsule type polyurethane injection and the general bag cement sealing technology are applied respectively. The comprehensive performance are analyzed in gas concentration, hole sealing cost, sealing success rate. The results showed that combination of spilt bag+CE sealing material were obviously better than those of the capsule type polyurethane sealing and the general bag type cement grouting sealing process in all the four indexes.

Combination of spilt bag+CE high moisture expansion sealing material; Gas drainage concentration; Single hole sealing cost; Sealing success rate; Drainage time

2017-09-22

郭惠宇(1984—)，男，山西洪洞人，2010年畢業(yè)于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦安全管理及瓦斯治理等研究工作

(E-mail)tyutghy@163.com

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1672-0652(2017)11-0004-04