瓦斯抽采漏氣失效鉆孔修復(fù)技術(shù)研究

熊 偉

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，然而我國約有65%的煤礦煤層鉆孔瓦斯抽采濃度普遍低于30%[1-2]。國內(nèi)外專家學(xué)者在如何提高瓦斯抽采效果方面進(jìn)行了大量的研究，形成了利用二氧化碳相變致裂、水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等對煤層進(jìn)行預(yù)處理的技術(shù)手段，在煤層中生成裂隙和擴展裂隙以提高瓦斯抽采效果[3-7]。也對瓦斯抽采設(shè)施、設(shè)備進(jìn)行優(yōu)選，研究了鉆孔施工孔徑、抽采管尺寸、合理抽采負(fù)壓和不同抽采時期的負(fù)壓調(diào)節(jié)等方面對抽采效果的影響[8-12]。還進(jìn)行了瓦斯抽采鉆孔的封孔工藝及材料的研究，形成了機械封孔、高分子材料封孔和“兩堵一注”帶壓注漿封孔等工藝和材料[13-15]。

隨著上述各項研究成果的應(yīng)用，瓦斯抽采效果在抽采前期有了明顯提升，但仍存在大量礦井的瓦斯抽采濃度及抽采純流量衰減周期短，高效抽采難以維持在一個長效穩(wěn)定狀態(tài)，沒有從根本上解決瓦斯抽采效率低下的問題。通過調(diào)研分析，造成這種現(xiàn)象的主要原因之一是鉆孔封孔段漏氣[16]，煤礦對該類鉆孔的處理方式主要為關(guān)停和在其周圍區(qū)域補打鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，這些手段都是被動對失效鉆孔進(jìn)行處理，關(guān)停失效鉆孔進(jìn)一步增加了區(qū)域煤層的抽采達(dá)標(biāo)的時間，而補打的鉆孔抽采效果也不理想。因此，研究漏氣失效鉆孔的修復(fù)和再處理技術(shù)，延長鉆孔服務(wù)壽命具有重要意義。

1 瓦斯抽采鉆孔漏氣失效成因分析

為了使漏氣失效鉆孔修復(fù)和再處理手段具有普遍適用性，使其在應(yīng)用于大多數(shù)失效鉆孔后均能明顯提高瓦斯抽采效果，首先對瓦斯抽采鉆孔漏氣失效的成因進(jìn)行研究。瓦斯抽采是通過在目標(biāo)抽采區(qū)域中施工鉆孔，并在孔口一定范圍內(nèi)利用封孔材料及設(shè)備進(jìn)行有效封堵，再連接到抽采系統(tǒng)中，在抽采設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)壓作用下將煤層中的游離態(tài)瓦斯抽采出來。如果鉆孔封孔段存在漏氣現(xiàn)象，大部分抽采負(fù)壓就只作用在孔口區(qū)域，巷道內(nèi)空氣將從各種漏氣通道進(jìn)入抽采系統(tǒng)中，而無法對鉆孔和煤層中的瓦斯進(jìn)行有效抽采。封孔段漏氣主要分為以下 2種：

1)煤巖層貫通裂隙漏氣。原始煤層處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，在巷道開挖和鉆孔施工影響下，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞并會逐漸重新分布達(dá)到新的荷載平衡。在此過程中，附加抽采負(fù)壓等外力作用，巷道和鉆孔壁四周的煤巖體裂隙發(fā)育會增加，形成較為明顯的裂隙通道。如果鉆孔封孔深度較淺，裂隙發(fā)育超過有效封孔段，巷道內(nèi)空氣將會在抽采負(fù)壓的作用下，沿如圖1所示的煤巖層漏氣通道進(jìn)入鉆孔內(nèi)，使鉆孔瓦斯抽采濃度大幅降低，鉆孔失效。

1—煤巖層漏氣通道；2—封孔材料漏氣通道；3—鉆孔壁漏氣通道。

2)封孔材料失穩(wěn)變形導(dǎo)致鉆孔漏氣。目前我國煤礦常用的封孔器材主要包括機械式封孔器、高分子膨脹材料和無機封孔材料。

①機械式封孔器基本采用將水或氣體介質(zhì)注入封孔器使其外層膨脹后實現(xiàn)封孔，由于封孔器外層與鉆孔內(nèi)壁無法實現(xiàn)絕對鉸接，當(dāng)封孔器內(nèi)介質(zhì)壓力降低后，封孔器外層和鉆孔壁的縫隙擴大，將形成鉆孔壁漏氣通道。

②高分子膨脹材料因其膨脹率高、操作便捷等優(yōu)點在抽采鉆孔的封堵中得到了廣泛應(yīng)用，但其強度低、黏度大等缺陷致使所封堵的鉆孔瓦斯抽采濃度衰減速度較快。對高分子材料相關(guān)性能進(jìn)行測試，并計算試件的壓縮強度、相對形變及壓縮應(yīng)力，根據(jù)計算結(jié)果得到其抗壓強度僅有0.6～1.0 MPa，是煤體抗壓強度的1/10左右，當(dāng)鉆孔周圍應(yīng)力重新分布后，封孔材料作為薄弱點將會出現(xiàn)嚴(yán)重變形，形成封孔材料漏氣通道，導(dǎo)致抽采鉆孔失效。

③水泥砂漿等無機封孔材料在其凝固過程中會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，用其對大傾角的鉆孔進(jìn)行封孔時效果理想，但應(yīng)用于近水平鉆孔封孔時，材料硬化后收縮變形，會在其上表面出現(xiàn)月牙狀孔隙，形成鉆孔壁漏氣通道，無法對抽采鉆孔進(jìn)行有效封堵。

2 漏氣失效鉆孔修復(fù)技術(shù)

目前，煤礦現(xiàn)場對失效鉆孔的處理不合理，采用直接關(guān)閉失效鉆孔和補打鉆孔的方式都無法有效改善瓦斯抽采效果。漏氣失效鉆孔修復(fù)技術(shù)，是對鉆孔封孔段進(jìn)行預(yù)置縫槽處理，形成徑向環(huán)形封孔空間，再采用“兩堵一注”帶壓注漿工藝對鉆孔進(jìn)行封堵，以達(dá)到切斷漏氣通道，保障封孔效果的目的。

2.1 縫槽位置的確定

在巷道開挖、鉆孔施工后，煤層沿著鉆孔深度范圍會依次出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)3個區(qū)域。應(yīng)力增高區(qū)范圍中煤巖層裂隙發(fā)育，漏氣通道眾多，因此，預(yù)置環(huán)形縫槽的位置應(yīng)達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)。考慮到鉆孔修復(fù)和封孔成本，理論上的環(huán)形縫槽最佳位置應(yīng)處于原巖應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力增高區(qū)的交界處。

為了盡量準(zhǔn)確確定縫槽位置，利用數(shù)值模擬分析軟件對試驗區(qū)域的煤巖層進(jìn)行應(yīng)力分布模擬計算，選取M-C準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb criterion)，基于莫爾圓來判斷最大和最小主應(yīng)力平面上的破壞應(yīng)力狀態(tài)，破壞線是與莫爾圓相切的直線。該準(zhǔn)則在π平面上的拉、壓軸相等時即為廣義Tresca準(zhǔn)則，其準(zhǔn)則方程為：

τn=f(C,φ,σn)

式中：τn為剪應(yīng)力，MPa；C為土的黏聚力,MPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，(°)；σn為屈服面上的正應(yīng)力，MPa。

M-C條件為：τn=C+σn·tanφ。

選取陽煤集團五礦8402工作面作為試驗地點，巷道沿煤層底板開挖，巷道斷面為矩形，寬3.6 m、高5.0 m，基本參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層相關(guān)力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬模型采用二維模型，其長×寬為50 m×50 m，在巷道周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型的邊界條件：底部為XY的位移約束，四周為垂直于面的單向位移約束，上部施加一個7 MPa的載荷。

巷道開挖后垂直應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 巷道開挖后垂直應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖2中可以看出，巷道四周形成應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力較小，同時在水平方向上形成應(yīng)力增高區(qū)，而在巷道較遠(yuǎn)處未受開挖影響的部位仍為巷道的原巖應(yīng)力區(qū)，只能定性分析巷道的4個區(qū)域，而不能具體地判斷出 4個區(qū)域所在的位置。因此，在巷道兩側(cè)選取2條參考線，其代表了大多數(shù)鉆孔的施工軌跡曲線，考察參考線上的應(yīng)力變化情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，2條參考線上的應(yīng)力基本相等，略有差異主要是因為煤層為傾斜煤層，上覆煤巖層的重力不一致；應(yīng)力降低區(qū)為0～2.5 m區(qū)域，應(yīng)力增高區(qū)為2.5～12.0 m區(qū)域，原巖應(yīng)力區(qū)為12.0 m以遠(yuǎn)。因此，確定陽煤五礦8402工作面封孔試驗區(qū)域縫槽預(yù)設(shè)位置為12.0 m。

圖3 參考線上垂直應(yīng)力變化圖

2.2 縫槽施工及封孔工藝

根據(jù)上述研究結(jié)果，利用水力割縫設(shè)備，將原有鉆孔封孔段的原材料進(jìn)行清除，并在確定的應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)交界位置施工小于1/2鉆孔間距深度的環(huán)形縫槽，如圖4所示。楔入鉆孔周圍煤巖體中的環(huán)形縫槽，能夠有效阻斷煤巖體中的貫通裂隙漏氣通道，減少甚至杜絕巷道內(nèi)空氣流入抽采系統(tǒng)。加之環(huán)形縫槽與鉆孔封孔段形成了有機整體，封孔材料充滿封孔空間并凝固硬化后，也能夠避免空氣通過鉆孔壁流入抽采鉆孔內(nèi)部。對瓦斯抽采鉆孔采用“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝進(jìn)行有效封堵，并以高膨脹性、強流動性的無機封孔材料漿體進(jìn)行封孔，使封孔漿液材料能夠?qū)︺@孔封孔段，尤其是縫槽及周圍煤巖體裂隙進(jìn)行有效封堵。

1—注漿管；2—抽采管；3—封孔器；4—縫槽；5—膨脹封孔材料；6—煤層；7—抽采鉆孔；8—應(yīng)力曲線。

3 現(xiàn)場試驗及效果考察

陽煤五礦8402工作面回風(fēng)巷原有鉆孔采用聚氨酯高分子材料進(jìn)行鉆孔封堵，初期鉆孔抽采瓦斯?jié)舛容^高，但衰減速度快。選取20個實時抽采瓦斯?jié)舛鹊陀?0%的鉆孔作為試驗鉆孔，確定其中10個鉆孔進(jìn)行割置縫槽處理，10個鉆孔作為對比鉆孔不采用任何技術(shù)措施。根據(jù)上述模擬分析結(jié)果及現(xiàn)場考察，確定修復(fù)鉆孔封孔工藝為：縫槽布置于距孔口12 m處，縫槽深度為2 m，鉆孔封孔深度為15 m。鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù))對比如圖5所示。

圖5 鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

由圖5可知，鉆孔在封堵接抽初期瓦斯?jié)舛冗_(dá)到30%左右，但在抽采了31 d時，平均瓦斯?jié)舛认陆档?0%以下。對失效鉆孔進(jìn)行修復(fù)處理后，從第32 d 重新開始接抽，到第71 d考察周期內(nèi)，修復(fù)后的鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛染S持在25%左右，而對比鉆孔的平均瓦斯?jié)舛热蕴幱?0%以下。通過統(tǒng)計分析考察周期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，修復(fù)后的鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛葹?6.6%，而未修復(fù)處理的鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛葹?.2%，鉆孔修復(fù)后平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣?倍以上。

圖6中顯示的修復(fù)前后、修復(fù)和未處理鉆孔的抽采瓦斯純流量變化趨勢也十分明顯。失效鉆孔實施修復(fù)后，平均抽采瓦斯純流量提高到0.196 m3/min，而未實施修復(fù)處理的對比鉆孔平均抽采瓦斯純流量僅為0.097 m3/min。鉆孔修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，使平均抽采瓦斯純流量提高幅度超過了50%。

圖6 鉆孔抽采瓦斯純流量對比圖

4 結(jié)語

1)提出的失效鉆孔割縫封孔修復(fù)技術(shù)，有效解決了因煤層貫通裂隙和封孔材料失穩(wěn)變形裂隙導(dǎo)致的鉆孔漏氣問題，是一種適用性較為廣泛的技術(shù)。

2)通過數(shù)值分析鉆孔周圍應(yīng)力重新分布情況，將割縫位置確定在應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)交界位置，既能有效提高封孔質(zhì)量，又能防止封孔過深造成的資源浪費和形成抽采盲區(qū)。

3)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，對失效鉆孔采取割縫修復(fù)技術(shù)后，抽采瓦斯?jié)舛忍岣?倍以上，抽采瓦斯純流量提高50%以上，有效提高了瓦斯抽采效果，并延長了鉆孔的服務(wù)壽命，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。