“兩堵一注”帶壓封孔工藝在龍門峽南煤礦的研究與應(yīng)用

肖 喬 余曉康 馮康武 李林松 孫 臣 劉 陽

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.華鎣山煤業(yè)股份有限公司龍門峽南煤礦，四川省廣安市，409800)

我國是世界上煤礦瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，瓦斯災(zāi)害時(shí)刻影響著礦井的安全生產(chǎn)[1]。目前，對(duì)于減少瓦斯事故、實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采最有效的措施就是對(duì)礦井煤層瓦斯進(jìn)行抽采[2-3]。瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量的好壞將直接影響煤層瓦斯抽采效果[4]。因此，根據(jù)礦井自身?xiàng)l件選擇較好的封孔工藝很有研究必要。

現(xiàn)階段我國煤礦抽采鉆孔主要的封孔工藝有水泥漿液封孔[5]、高分子發(fā)泡材料封孔[6]、囊袋式封孔器封孔[7]、二次封孔法封孔[8]、“兩堵一注”帶壓封孔[9-10]等。水泥漿液封孔工藝是在抽采鉆孔中預(yù)埋1根抽采管和1根注漿管，從注漿管注入水泥漿液，抽采管返漿后停止注漿，待漿液凝固后完成封孔，具有成本低、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是水泥凝固后易收縮導(dǎo)致漏氣，而且漿液無法深入鉆孔裂隙中進(jìn)行封堵，亦會(huì)造成鉆孔漏氣，此為龍門峽南煤礦傳統(tǒng)封孔工藝；高分子發(fā)泡聚合材料封孔具有封孔時(shí)間短、發(fā)泡倍數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但發(fā)泡材料抗壓能力有限，在高地應(yīng)力或采掘干擾情況下容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致封孔段鉆孔周圍產(chǎn)生裂隙，影響抽采效果；囊袋式封孔器封孔具有封孔速度快的特點(diǎn)，但重復(fù)利用率低，對(duì)操作人員要求高，封孔質(zhì)量無法保證；二次封孔法封孔工藝主要是采取一次封孔之后，又利用帶壓將微細(xì)膨脹粉料吹入抽放鉆孔內(nèi)，起到封堵鉆孔周邊裂隙、提高抽采率的效果，缺點(diǎn)是微細(xì)膨脹粉料易受潮結(jié)塊，影響裂隙封堵；“兩堵一注”帶壓封孔可以使封孔材料很好地滲入鉆孔周邊裂隙，有效地封堵漏氣通道，提高密封性，目前存在的問題是“兩堵”強(qiáng)度低，導(dǎo)致注漿壓力不高或不帶壓，不能對(duì)鉆孔周邊裂隙進(jìn)行嚴(yán)密封堵，無法達(dá)到“注”的目的，導(dǎo)致抽采效果不佳。

針對(duì)龍門峽南煤礦現(xiàn)開拓采區(qū)構(gòu)造發(fā)育、裂隙眾多的特點(diǎn)，若采用傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝將無法滿足礦井抽采要求，綜合考慮封孔效果和經(jīng)濟(jì)效益，提出選用“兩堵一注”帶壓封孔工藝，并對(duì)該工藝進(jìn)行改造升級(jí)，分別在3131工作面機(jī)巷和+310 m北西翼運(yùn)輸大巷進(jìn)行順層、穿層應(yīng)用試驗(yàn)，效果良好。

1 試驗(yàn)礦井概況

龍門峽南煤礦絕對(duì)瓦斯涌出量為12.20 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為11.07 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。主采K1煤層最大瓦斯壓力為2.2 MPa，最大瓦斯含量為14.78 m3/t，透氣性系數(shù)為0.521 m2/(MPa2·d)，K1煤層原始瓦斯壓力、瓦斯含量均較大，且煤層透氣性較差，同時(shí)具有突出危險(xiǎn)性，瓦斯治理困難。隨著礦井抽采重點(diǎn)向313采區(qū)轉(zhuǎn)移，此采區(qū)煤(巖)層原生構(gòu)造十分發(fā)育，加之巷道掘進(jìn)后松動(dòng)圈內(nèi)裂隙眾多，原先采用的水泥漿液封孔工藝抽采效果很不理想，瓦斯抽采濃度低，且抽采鉆孔易出現(xiàn)漏氣問題。因此，需結(jié)合礦井實(shí)際情況，對(duì)原有封孔工藝進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。

2 “兩堵一注”帶壓封孔工藝

2.1 封孔原理

“兩堵一注”帶壓封孔工藝示意圖見圖1。其基本原理為：首先采用專用封堵材料對(duì)瓦斯抽采鉆孔封孔段兩端進(jìn)行封堵，待封堵材料發(fā)泡、膨脹凝結(jié)后，再往封堵段之間的空間內(nèi)注入攜帶一定壓力的水泥漿液，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度，漿液在注漿壓力的作用下將進(jìn)入鉆孔壁裂隙進(jìn)行封堵，凝固后其注漿壓力接近于地應(yīng)力，能使鉆孔封孔段處形成高應(yīng)力區(qū)，徹底密封瓦斯漏氣通道，提高密閉性。

1—封孔泵；2—壓力表；3—返漿管；4—抽采管；5—注漿管；6—化學(xué)漿堵頭；7—水泥漿液；8—抽采鉆孔；9—抽采管花眼段；10—煤(巖)層；11—裂隙圖1 “兩堵一注”帶壓封孔工藝

2.2 封孔參數(shù)確定

(1)順層鉆孔封孔長度的確定。由于K1煤層較松軟、裂隙發(fā)育，采煤工作面風(fēng)巷、機(jī)巷掘進(jìn)過程中將形成裂隙圈，需滿足抽采鉆孔封孔長度大于裂隙圈半徑，防止因裂隙與抽采鉆孔溝通而引起的漏氣，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，確定順層鉆孔封孔長度為12 m。

(2)穿層鉆孔封孔長度的確定。根據(jù)礦井已揭露的地質(zhì)資料顯示，K1煤層底板的泥巖段氣密性較好，而靠近穿層仰孔孔口端茅口灰?guī)r段的鉆孔裂隙較發(fā)育，因此，封孔至煤層底板的泥巖即可，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，確定穿層鉆孔封孔長度為15 m。

2.3 主要封孔材料及設(shè)備的選用

(1)考慮到龍門峽南煤礦煤(巖)層構(gòu)造帶眾多，原生斷層、裂隙發(fā)育的實(shí)際情況，采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝會(huì)存在兩方面問題：其一，鉆孔封孔段兩端封堵材料強(qiáng)度不足，主要體現(xiàn)在材料徑向上缺乏作用力，對(duì)后續(xù)的注漿帶來影響；其二，缺乏對(duì)注漿壓力的把控，注漿時(shí)若壓力過小，水泥漿液無法滲透孔壁裂隙，若壓力過大，容易將封堵材料沖破，兩者均會(huì)對(duì)封孔效果造成負(fù)面影響。

(2)通過地面帶壓封孔模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用PN-6波雷因高分子發(fā)泡聚合材料作為鉆孔頂、底端封堵材料，兩端封堵材料產(chǎn)生的徑向作用力可滿足注漿壓力對(duì)兩端封堵材料的強(qiáng)度要求。

試驗(yàn)采用直徑? 100 mm的鐵管模擬井下抽采鉆孔，采用PN-6波雷因注漿加固材料作為鉆孔頂封材料，然后帶壓注漿封孔12 h后，將鐵管沿截面切開，可以得到模擬鉆孔的剖面，如圖2所示。

圖2 “兩堵一注”帶壓封孔模擬鉆孔剖面

從圖2可看出，模擬鉆孔內(nèi)有瓦斯抽采管、注漿管、返漿管以及封孔段凝固的封孔材料，其中經(jīng)過12 h后封孔材料已完全凝固，同時(shí)瓦斯抽采管無受壓變形現(xiàn)象，說明該封孔材料能夠有效密封鉆孔。因此選用PN-6波雷因注漿加固材料(后文簡稱為“化學(xué)漿”)作為龍門峽南煤礦“兩堵一注”帶壓封孔工藝“兩堵”的材料。

鉆孔封孔段兩端封堵完成后，往封孔段注入的水泥漿液必須帶有適當(dāng)壓力，使得水泥漿液既不會(huì)沖破封孔段兩端的封堵材料，又可以充分滲入鉆孔孔壁裂隙。通過前期試驗(yàn)，當(dāng)注入漿液壓力控制在1～2 MPa時(shí)，其填充效果最好。對(duì)此，龍門峽南煤礦引進(jìn)了BFK-12/2.4型礦用注漿封孔泵，該泵額定注漿壓力為0～2.4 MPa，注入流量為12 L/min，滿足“兩堵一注”帶壓封孔工藝“一注”要求。

2.4 封孔步驟

第一步：準(zhǔn)備工作。事先預(yù)置BFK-12/2.4型礦用注漿封孔泵作為封孔機(jī)械設(shè)備，且準(zhǔn)備足量的封孔材料，“兩堵”材料采用化學(xué)漿，“一注”材料采用水泥與石膏粉配水料，還需要準(zhǔn)備其他必備的封孔注漿器具，包括抽采管、注漿管、返漿管、棉紗、鐵絲等。

第二步：清理預(yù)封鉆孔。通過壓風(fēng)對(duì)已打鉆孔進(jìn)行清洗，清洗完畢后對(duì)鉆孔進(jìn)行檢查，確保鉆孔的完整性，不出現(xiàn)變形、垮孔的情況。

第三步：“兩堵”。按封孔結(jié)構(gòu)要求固定管道，并根據(jù)封孔深度在管道封孔前后端包裹棉紗，用于混合“兩堵”封孔材料?，F(xiàn)場(chǎng)配置化學(xué)漿，將化學(xué)漿液充分澆在管道棉紗上，并將管道送至鉆孔預(yù)定封孔位置。待化學(xué)漿充分反應(yīng)膨脹后，使鉆孔封孔段前后兩端封堵牢固，完成“兩堵”。

第四步：“一注”。通過注漿泵機(jī)械配置水泥漿液，連接注漿泵與注漿管并往孔內(nèi)注漿，待返漿管返漿后關(guān)閉返漿管上的閥門，繼續(xù)注漿。此階段為帶壓注漿階段，須確保封孔段內(nèi)水泥漿液壓力值滿足在1～2 MPa之間，且壓力值不再衰減。滿足條件后封堵注漿管，完成“一注”。

第五步：待24 h封孔材料充分反應(yīng)凝固后，“兩堵一注”帶壓封孔工作全部完成，可對(duì)鉆孔內(nèi)瓦斯進(jìn)行接抽。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 順層鉆孔帶壓封孔效果分析

順層鉆孔帶壓封孔考察地點(diǎn)選擇在3131工作面機(jī)巷，在3131工作面機(jī)巷布置抽采鉆孔對(duì)K1煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。本次試驗(yàn)選定了1#～10#瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行封孔效果對(duì)比分析，試驗(yàn)鉆孔直徑均為?87 mm，鉆孔深度為100～120 m，封孔長度均為12 m，抽采負(fù)壓為20～30 kPa，鉆孔竣工參數(shù)見表1。其中，1#～5#瓦斯抽采鉆孔為傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝封孔，6#～10#鉆孔選用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行封孔，鉆孔平面布置示意圖見圖3。

通過對(duì)1#～10#瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行為期1個(gè)月的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝(1#～5#)與“兩堵一注”帶壓封孔工藝(6#～10#)鉆孔的單孔瓦斯抽采參數(shù)分別如表2、表3所示，并得出兩者的單孔平均瓦斯抽采濃度與抽采時(shí)間的關(guān)系，見圖4。

表1 鉆孔竣工參數(shù)表

圖3 鉆孔平面布置示意圖

表2 傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝鉆孔瓦斯?jié)舛?%

表3 “兩堵一注”帶壓封孔工藝鉆孔瓦斯?jié)舛?%

圖4 順層鉆孔單孔平均瓦斯抽采濃度曲線

從表2、表3、圖4分析可知，經(jīng)過為期1個(gè)月的瓦斯抽采，采用傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝鉆孔(1#～5#)的單孔平均瓦斯抽采濃度從最初的30.4%逐漸下降至21.4%，均值下降幅度為9%；采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝鉆孔(6#～10#)的單孔平均瓦斯抽采濃度從最初的55.8%逐漸下降至47%，均值下降幅度為8.8%。相比較于前者，其單孔平均瓦斯抽采濃度大幅度上升，瓦斯抽采濃度提高了約25%，且衰減的速率也相對(duì)緩慢。通過以上分析可以看出，“兩堵一注”帶壓封孔工藝在順層抽采鉆孔的應(yīng)用上效果顯著，可以較好地提高封孔質(zhì)量。

3.2 穿層鉆孔帶壓封孔效果分析

穿層鉆孔帶壓封孔選擇考察地點(diǎn)在+310 m北西翼運(yùn)輸大巷，該巷道兼作3133機(jī)巷掘進(jìn)條帶預(yù)抽煤層瓦斯的底板抽采巷。選定+310 m北西翼運(yùn)輸大巷59#和60#鉆場(chǎng)中各5個(gè)抽采鉆孔進(jìn)行封孔效果對(duì)比分析，59#鉆場(chǎng)抽采鉆孔為傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝封孔，60#鉆場(chǎng)抽采鉆孔選用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行封孔。

待鉆場(chǎng)內(nèi)抽采鉆孔均封孔完畢后，接通瓦斯抽采管路，對(duì)試驗(yàn)鉆孔連續(xù)考察1個(gè)月，收集并統(tǒng)計(jì)其試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)。2種封孔工藝下單孔平均瓦斯抽采濃度曲線如圖5所示。

圖5 穿層鉆孔單孔平均瓦斯抽采濃度曲線

由圖5可知，相比于傳統(tǒng)水泥漿液封孔工藝，“兩堵一注”帶壓封孔工藝更為有效，單孔平均瓦斯抽采濃度提高約10%，且抽采瓦斯?jié)舛人p相對(duì)緩慢，高濃度維持的周期較長，抽采效果得到很大程度的提升。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合龍門峽南煤礦實(shí)際情況，提出運(yùn)用“兩堵一注”帶壓封孔新工藝解決礦井K1煤層瓦斯抽采問題，并通過理論分析闡述了適用于該礦井新工藝的應(yīng)用辦法。

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，相比傳統(tǒng)礦井水泥漿液封孔工藝，“兩堵一注”帶壓封孔新工藝可將煤層順層單孔瓦斯抽采濃度提高約25%，穿層瓦斯抽采濃度提高約10%，兩者抽采衰減速率均得到有效控制。

(3)“兩堵一注”帶壓封孔新工藝可以有效地封堵抽采鉆孔中的裂隙，有效提高鉆孔抽采濃度，滿足了龍門峽南煤礦安全生產(chǎn)要求。