“三堵兩注”本煤層瓦斯抽采封孔技術(shù)研究

王軍燕

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán) 新景公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

國(guó)內(nèi)井下抽采瓦斯的封孔技術(shù)主要包括：聚氨酯封孔法、“兩堵一注”封孔法和囊袋式注漿封孔法。將聚氨酯作為封孔材料進(jìn)行封孔，由于聚氨酯膨脹速度快、承載能力較差，造成了聚氨酯凝固后未處于封孔位置，不能抵抗鉆孔的變形等問(wèn)題[1-3]. “兩堵一注”封孔法即兩端采用聚氨酯封孔，待聚氨酯凝固之后，在中間段注漿封孔，但由于聚氨酯膨脹速率過(guò)快，當(dāng)鉆孔較深時(shí)，聚氨酯難以充滿(mǎn)鉆孔[4-6]. 雙囊袋式注漿封孔法通過(guò)在兩個(gè)囊袋內(nèi)和兩個(gè)囊袋間注入漿液來(lái)達(dá)到封孔的目的，但在煤質(zhì)較軟的煤層中封孔效果較差[7-8].

新景礦3#煤層瓦斯含量高，被鑒定為突出煤層。采用傳統(tǒng)的“兩堵一注”封孔方式封孔后，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，抽采濃度下降較為明顯，封孔長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。因此，在3216工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷開(kāi)展“三堵兩注”本煤層瓦斯抽采孔密封及泄漏封堵技術(shù)研究，改變過(guò)去單純封孔的理念，以實(shí)現(xiàn)高濃度和高效率抽采。

1 工程背景

新景礦3216工作面位于蘆南二區(qū)北翼中部，東為3214工作面(已采)，南為3215工作面(正掘)，西為3218工作面(正掘)，北為3#煤保安區(qū)3115工作面(未掘)。南北走向長(zhǎng)1 390 m，工作面長(zhǎng)度204 m，所采3#煤厚度2.17～2.45 m，平均煤厚2.27 m，煤層傾角3°～9°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。布置在本煤層的鉆孔漏氣情況較多，影響抽采負(fù)壓，并且出現(xiàn)“低濃度、低效率、低負(fù)壓”的“三低”現(xiàn)象。

2 “三堵兩注”封孔工藝

“三堵兩注”封孔分 “密封”和“封堵裂隙”兩個(gè)階段對(duì)本煤層預(yù)抽鉆孔實(shí)施封孔。封孔裝置示意圖見(jiàn)圖1.

第一階段：密封。注漿泵加壓注漿，單向閥依次打開(kāi)并在第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋內(nèi)注漿。囊袋注滿(mǎn)后，壓力達(dá)到1.2 MPa左右爆破閥打開(kāi)，開(kāi)始向第二囊袋和第三囊袋之間注漿。此時(shí)兩個(gè)囊袋之間存在空氣，有時(shí)也會(huì)有水，通過(guò)封孔管上的濾水濾氣裝置排出，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa左右時(shí)，停止注漿。

第二階段：封堵裂隙。由于封孔材料抗壓強(qiáng)度明顯強(qiáng)于煤體強(qiáng)度，受礦壓、采動(dòng)等因素的影響，鉆孔附近煤體可能破碎形成漏氣裂隙。在抽采過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)抽采孔瓦斯?jié)舛让黠@下降，通過(guò)封堵口采用壓力為5.0～8.0 MPa的高壓將黏液注入第一囊袋和第二囊袋之間，在鉆孔周?chē)穆饬严秲?nèi)形成裂隙充填物，達(dá)到封堵鉆孔裂隙的目的，提高瓦斯抽采濃度。

圖1 封孔裝置示意圖

3 “三堵兩注”封孔技術(shù)地面試驗(yàn)

為了測(cè)試封孔設(shè)備和封孔材料的各項(xiàng)參數(shù)，以及在注漿過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力指示，為井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供可靠依據(jù)，提前在地面進(jìn)行了模擬封孔實(shí)驗(yàn)。

3.1 封孔材料組成

封孔材料的成分主要有：水泥、硫鋁酸鹽、石灰石、碳酸鈉。封孔材料的性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 封孔材料性質(zhì)表

封堵裂隙所用黏液的主要成分為：纖維素、石膏粉、膨脹劑，所有材料均為不燃物。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

1) 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備。

1臺(tái)單液注漿泵、1臺(tái)空壓機(jī)、1根鐵管(長(zhǎng)6 m，內(nèi)徑100 mm)、2根封孔管(每根3 m，d63 mm)、2袋封孔材料(每袋25 kg)、3個(gè)囊袋(長(zhǎng)75 cm)、濾水、1個(gè)濾氣布袋(長(zhǎng)0.75 m)、2根注漿管(d16 mm，長(zhǎng)3 m)、相關(guān)配件。

2) 試驗(yàn)前設(shè)備試運(yùn)行。

用空壓機(jī)(代替井下高壓風(fēng)管)與注漿泵進(jìn)氣閥連接好，試驗(yàn)注漿泵運(yùn)行良好。

3) 將封孔管下入鐵管。

確定囊袋距離后先用手持鉆在第二囊袋與第三囊袋之間的封孔管上打孔穿透上、下管壁，孔間距5 cm，打孔13組，套入過(guò)濾布袋并將布袋兩頭用膠帶固定在封孔管上，確保過(guò)濾布袋覆蓋所有孔；然后將封孔管穿入囊袋并用膠帶固定囊袋的前后兩側(cè)，使囊袋與封孔管之間形成一個(gè)整體，最后將封孔管整體穿入鐵管中。

4) 注漿。

將注漿管連接好，按比例(水和封孔材料比為1∶1)在攪拌桶中加水及封孔材料各25 kg，攪拌均勻后開(kāi)始注漿。開(kāi)始注漿壓力為0.2 MPa左右(偶爾在0.4～0.5 MPa波動(dòng))，注漿過(guò)程中，鐵管中逐漸有水流出，囊袋撐起后，鐵管內(nèi)不再流水。繼續(xù)注漿，發(fā)現(xiàn)封孔管內(nèi)有少量清水流出，約15 s后管內(nèi)不再流水；待注漿壓力最大達(dá)到0.8 MPa時(shí)卸壓閥爆破，注漿壓力快速下降至0.2 MPa附近，繼續(xù)注漿發(fā)現(xiàn)封孔管內(nèi)流出少量清水，隨后又有漿液流出，繼續(xù)注漿至壓力0.4 MPa時(shí)停止注漿。

5) 第二次注漿。

由于第一次注漿壓力偏小，可能會(huì)影響注漿效果，以水25 kg和封孔材料30 kg配制漿液，提高漿液濃度后繼續(xù)注漿，注漿時(shí)封孔管內(nèi)液體迅速流出，漿液顏色逐漸變深，注漿壓力達(dá)到0.6 MPa左右停止注漿。

6) 判斷注漿效果。

敲打整個(gè)鐵管，通過(guò)聲音可以初步判斷基本注漿段已經(jīng)注滿(mǎn)，注漿結(jié)束。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)總計(jì)注漿60 kg，第一次注漿水料配比為1∶1，第二次水料配比為5∶6，注漿時(shí)長(zhǎng)20 min. 封孔材料凝固較好，注漿兩天后切開(kāi)觀察，3個(gè)囊袋和注漿段全部注滿(mǎn)漿液無(wú)空隙，密封效果良好。

切開(kāi)后，囊袋截面及注漿段截面見(jiàn)圖2，圖3.

4 “三堵兩注”封孔技術(shù)井下試驗(yàn)

從地面試驗(yàn)得到封孔設(shè)備和封孔材料的各項(xiàng)參數(shù)后，為檢測(cè)“三堵兩注”封孔技術(shù)在井下的實(shí)際運(yùn)用效果，進(jìn)行了井下試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方案

圖2 第一囊袋截面圖

圖3 注漿段截面圖

在3216輔助進(jìn)風(fēng)巷選取513#—532#(總計(jì)20個(gè))本煤層預(yù)抽鉆孔進(jìn)行封孔試驗(yàn)，鉆孔深度120 m，鉆孔間距均為1.5 m. 每10個(gè)鉆孔為一組，共計(jì)2組。全部采用“三堵兩注”封孔工藝進(jìn)行封孔，鉆孔封孔深度均為9～19 m，抽采負(fù)壓要求達(dá)到13 kPa，對(duì)照孔采用常規(guī)封孔材料，通過(guò)兩堵一注的方式進(jìn)行封孔。根據(jù)抽采濃度分析對(duì)比兩種封孔工藝的抽采效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

記錄試驗(yàn)過(guò)程中鉆孔的濃度變化，見(jiàn)圖4.

對(duì)試驗(yàn)孔抽采濃度進(jìn)行整理，并選取10個(gè)普通封孔作為對(duì)照孔，與試驗(yàn)孔的抽采濃度進(jìn)行對(duì)照，抽采情況對(duì)照表見(jiàn)表2.

圖4 試驗(yàn)鉆孔濃度變化圖

由表2分析可知，對(duì)照孔單孔濃度為15.56%～77.8%，平均濃度為41.2%；試驗(yàn)孔單孔濃度為31.3%～77.19%，平均濃度為58.71%，是對(duì)照孔的1.43倍。對(duì)照孔單孔濃度在30%以上的占比70%，單孔濃度在50%以上的占比30%；試驗(yàn)孔單孔濃度在30%以上的占比100%，單孔濃度在50%以上的占比80%，分別是對(duì)照孔的1.43倍和2.67倍。

5 結(jié) 論

通過(guò)地面試驗(yàn)及井下試驗(yàn)，對(duì)“三堵兩注”本煤層瓦斯抽采孔密封及漏氣封堵技術(shù)進(jìn)行了研究，可得到如下結(jié)論：

1) 封孔工藝分為密封和封堵裂隙兩個(gè)步驟。密封是向3個(gè)囊袋內(nèi)以及第二囊袋和第三囊袋之間注漿，主要作用是讓漿液凝固后封堵鉆孔。封堵裂隙是向第一囊袋和第二囊袋間注入黏液，達(dá)到封堵裂隙的目的。

2) 在地面試驗(yàn)中，封孔器總計(jì)注漿60 kg，第一次注漿水料配比為1∶1，第二次水料配比為5∶6，注漿時(shí)長(zhǎng)20 min. 切開(kāi)后注漿處全部充滿(mǎn)漿液無(wú)孔隙，密封效果良好。

表2 試驗(yàn)孔與對(duì)照孔抽采情況對(duì)照表

3) “三堵兩注”封孔技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的封孔技術(shù)，瓦斯抽采效果提升顯著。采用“三堵兩注”封孔技術(shù)的試驗(yàn)孔的平均抽采瓦斯?jié)舛葹?8.71%，是對(duì)照孔的1.43倍；試驗(yàn)孔單孔抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)30%以上的比例是100%，是對(duì)照孔的1.43倍；試驗(yàn)孔抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)50%以上的比例是80%，是對(duì)照孔的2.67倍。