孟津礦穿層抽采孔漏氣原因分析及封孔工藝改進(jìn)

宣德全， 黃應(yīng)利

(1.河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300； 2.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

瓦斯預(yù)抽是防治瓦斯事故的主要技術(shù)手段，而封孔質(zhì)量是預(yù)抽的關(guān)鍵[1]。許多專家對(duì)封孔技術(shù)進(jìn)行研究，提出了封孔器封孔、聚氨酯封孔、水泥砂漿封孔、“兩堵一注”封孔等多種封孔方法，其中“兩堵一注”封孔因其簡(jiǎn)單方便且封堵效果較好而得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。

理論上，封孔嚴(yán)密的情況下，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葢?yīng)接近100%。然而，我國部分礦井的鉆孔在抽采初期瓦斯?jié)舛容^高，但在一個(gè)月甚至更短時(shí)間內(nèi)便降到很低的水平。以孟津煤礦為例，即便采用了“兩堵一注”封孔工藝，大多數(shù)穿層鉆孔的抽采濃度仍在不到一個(gè)月便衰減至10%以下，直接影響了瓦斯的治理效果乃至礦井的安全生產(chǎn)。針對(duì)上述問題，以孟津煤礦為背景，對(duì)穿層抽采鉆孔漏氣原因進(jìn)行研究，采取減少漏氣的針對(duì)性措施，以提高抽采濃度和抽采效果。

1 研究背景

孟津煤礦位于孟津縣橫水鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a。礦井采用立井兩水平上下山開拓，中央并列式通風(fēng)，傾斜長壁采煤，全部垮落法管理頂板。所采煤層平均厚度為2.5 m，最大瓦斯壓力為3.1 MPa，最大瓦斯放散初速度Δp為5 586 Pa，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.11～0.65，突出危險(xiǎn)性較大。為此，礦井采用在距離煤層15 m的底板巷布置穿層鉆孔并配以水力沖孔增透來預(yù)抽煤層瓦斯。封孔選用行業(yè)推薦的“兩堵一注”方法，并根據(jù)底板巷周圍裂隙分布、鉆孔有效抽采半徑等測(cè)算結(jié)果，將封孔深度、封孔長度、注漿壓力分別設(shè)定為18 m、6 m、1.2 MPa，用微膨脹高強(qiáng)度水泥制漿封孔。注漿流程如下：先將9個(gè)2 m/根的絲接式φ50 mm封孔管(前端第一、第三根分別帶里、外囊袋)依次連接并送入鉆孔后，利用注漿泵將攪拌好的水泥砂漿通過注漿管注入里、外囊袋，使其逐漸膨脹并與鉆孔壁壓合。漿液注滿囊袋并達(dá)到設(shè)計(jì)壓力(1.5 MPa)后，兩個(gè)囊袋間的注漿管上安設(shè)的爆破閥自動(dòng)裂開,使?jié){液流入兩個(gè)囊袋與鉆孔壁壓合而形成的空間。當(dāng)兩個(gè)囊袋之間的漿液壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí)，注漿結(jié)束。改進(jìn)前的封孔工藝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 改進(jìn)前的封孔工藝結(jié)構(gòu)Fig.1 Sealing process structure before improvement

為保證封孔效果，礦井安排專人負(fù)責(zé)，嚴(yán)格封孔作業(yè)管理，并加強(qiáng)對(duì)抽采管路的日常檢查及維護(hù)。然而即便如此，穿層抽采鉆孔的初始平均瓦斯?jié)舛热詢H為41.4%，1個(gè)月便衰減至5.3%，2個(gè)月衰減至2.3%，3個(gè)月衰減至1.2%，遠(yuǎn)達(dá)不到瓦斯治理要求。為此，礦井嘗試了增加封孔深度、封孔長度、加大水泥型號(hào)及其與水的比例等辦法，但鉆孔的漏氣情況、抽采瓦斯?jié)舛鹊热晕吹玫矫黠@改善。

2 鉆孔漏氣原因分析

為了查找鉆孔漏氣原因，對(duì)井下封孔工作進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及跟班寫實(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆孔注漿時(shí)存在從鉆孔內(nèi)而不是返漿管返漿的異常情況。為此，把便于觀察的φ108 mm透明PVC管當(dāng)作抽采鉆孔，在地面開展了3孔次的物理實(shí)驗(yàn)(見圖2)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將兩根分別帶里、外囊袋的封孔管連接，一端用堵頭密封，另一端通過抽采連接管與空壓機(jī)相連；然后，在管路接口涂抹肥皂水，并用空壓機(jī)對(duì)封孔管注氣，觀察其漏氣情況；最后，將封孔管去掉堵頭并送入PVC管中，按井下流程注漿封孔。

圖2 地面封孔實(shí)驗(yàn)Fig.2 Ground sealing test

3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：第1次，封孔管路注氣壓力達(dá)到8 kPa時(shí)，封孔管接口處便開始冒泡，即出現(xiàn)漏氣；之后注漿時(shí)，封孔器爆破閥在爆破壓力為1.0 MPa時(shí)提前裂開，漿液在囊袋未完全脹起時(shí)便從爆破閥流出并越過囊袋從PVC管返出。第2次，當(dāng)注氣壓力達(dá)到9.5 kPa時(shí)，封孔管接口開始漏氣；當(dāng)漿液壓力為1.6 MPa時(shí)爆破閥自動(dòng)裂開并使?jié){液流出對(duì)兩個(gè)囊袋之間的鉆孔段成功進(jìn)行注漿。第3次，當(dāng)注氣壓力達(dá)到10 kPa時(shí)，封孔管接口開始漏氣；當(dāng)漿液壓力上升到2.6 MPa時(shí)，爆破閥還未裂開但外囊袋破裂，使得漿液卸壓并從PVC管流出。

造成抽采鉆孔漏氣的原因主要有封孔材料不致密、封孔段與鉆孔之間存在間隙、鉆孔松動(dòng)圈未堵實(shí)，以及鉆孔封孔段未覆蓋巷道松動(dòng)圈等[5-8]。孟津煤礦地面實(shí)驗(yàn)表明礦井所用的封孔工藝存在連接管漏氣接口多、爆破閥可靠性差等缺陷并因此導(dǎo)致鉆孔漏氣。首先，封孔管路接口在8～10 kPa的內(nèi)外壓差下便開始漏氣，而井下的抽采負(fù)壓在13 kPa以上，1個(gè)鉆孔的封孔管有9個(gè)接口(封孔深度為18 m)，且其中7個(gè)在封孔段外，這些接口將使大量空氣在抽采負(fù)壓的作用下進(jìn)入鉆孔而形成漏氣。其次，封孔器爆破閥可靠性差，3次實(shí)驗(yàn)中有2次未能正常自動(dòng)裂開而使囊袋欠壓未完全脹起或過壓破裂，造成漿液充注兩囊袋間的封孔段時(shí)未達(dá)設(shè)計(jì)壓力而難以進(jìn)入并封堵鉆孔周圍裂隙，空氣會(huì)在抽采負(fù)壓的作用下通過這些未充分封堵的裂隙進(jìn)入鉆孔而形成漏氣。

3 封孔工藝改進(jìn)

針對(duì)封孔管接口多而導(dǎo)致漏氣的問題，將鉆孔帶里端囊袋以外的其他8個(gè)2 m/根的絲扣式封孔管及連接管改為整根PE通管。PE通管的一端直接與鉆孔帶里端囊袋封孔管用密封接頭連接，另一端直接與抽采支管連接，如此便將鉆孔的封孔管接口數(shù)量由原來的9個(gè)減少至1個(gè)，且該接口還位于難以漏氣的封孔段中。

同時(shí)，為了更便于運(yùn)輸、操作及節(jié)省材料，并考慮到在抽采一段時(shí)間后將φ20 mm的疏通管送入封孔管對(duì)坍塌鉆孔進(jìn)行修復(fù)的要求，將封孔管的直徑由原來的50 mm改為32 mm。管徑改小后的主要不利影響為在一定程度上增大了管內(nèi)氣體流動(dòng)的阻力，降低了鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓。根據(jù)流動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，得到氣體在管內(nèi)流動(dòng)過程中的沿程摩擦阻力損失

(1)

式中：l表示管長；d表示管子內(nèi)徑；v表示流速；λ表示沿程阻力系數(shù)；g表示重力加速度。

孟津煤礦單個(gè)穿層抽采鉆孔的封孔管及連接管總長度l為19～22 m；改進(jìn)前的φ50 mm封孔管內(nèi)徑d為46 mm，改進(jìn)后的φ32 mm封孔管內(nèi)徑為30 mm；流速v可根據(jù)平均單孔流量0.01 m3/s及管徑進(jìn)行計(jì)算；沿程阻力系數(shù)λ與流體雷諾數(shù)Re、管道的當(dāng)量直徑d和管道的粗糙度k有關(guān)。雷諾數(shù)Re是一個(gè)表征流體流動(dòng)特性的無量綱數(shù)，當(dāng)Re≤2 000時(shí)為層流，當(dāng)2 000

(2)

式中：ρ、μ分別為流體的密度與黏性系數(shù)，在此分別取0.98 kg/m3、1.771×10-5；v為流體的流速，可根據(jù)流量和管徑求得；d為管道的當(dāng)量直徑，在此取管道內(nèi)徑。

計(jì)算得到管徑改進(jìn)前后孟津煤礦穿層鉆孔流體雷諾數(shù)Re>4 000，屬于紊流狀態(tài)。考慮到聚氯乙烯材質(zhì)的封孔管長抽采時(shí)管壁上會(huì)沉積一定量的煤粉顆粒，粗糙度ks取0.002 mm，并按尼古拉茲紊流粗糙區(qū)公式計(jì)算：

(3)

代入式(3)計(jì)算可得：管徑改小前沿程阻力系數(shù)λ=0.067 12，沿程摩擦阻力損失hf=59.36 Pa；管徑改小后沿程阻力系數(shù)λ=0.082 17，沿程摩擦阻力損失hf=615.94 Pa。將封孔管管徑由50 mm改為32 mm后，沿程摩擦阻力損失最多增加556.58 Pa，即鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓會(huì)降低556.58 Pa，相對(duì)于13 kPa以上的抽采負(fù)壓尚不到5%，影響很小，所以將封孔管直徑由原來的50 mm改為32 mm是完全可行的。

針對(duì)爆破閥可靠性差的問題，可通過增設(shè)一根注漿管去掉爆破閥解決。封孔時(shí)，先用原注漿管注兩個(gè)囊袋，再用增設(shè)的注漿管注兩個(gè)囊袋之間。同時(shí)，在靠近里端囊袋的封孔管上開設(shè)了兩個(gè)小孔，并用透氣而不透漿的高強(qiáng)度紗布包裹，以便向兩個(gè)囊袋間注漿時(shí)，其間的空氣可透過紗布和小孔從PE管流出。

圖3 改進(jìn)后的封孔工藝結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved sealing process structure

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及效果

為考察改進(jìn)后通管“兩堵兩注”工藝的效果，在孟津煤礦外段已采用原工藝封孔350個(gè)的12070軌道底抽巷里段，進(jìn)行了840個(gè)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。封孔時(shí)，先根據(jù)所封鉆孔情況截取一定長度的PE管，一端套上外囊袋并固定在距端頭4 m位置處，與帶里囊袋的封孔管用密封接頭連接，連接固定好兩根注漿管后，送至孔內(nèi)18 m封孔深度。然后，對(duì)兩個(gè)囊袋注漿至漿液壓力達(dá)到1.5 MPa，再換另一注漿管對(duì)兩個(gè)囊袋之間的鉆孔段及其周圍的裂隙圈進(jìn)行注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí)結(jié)束。

由現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的通管“兩堵兩注”工藝較原工藝的封孔效果有顯著提升：鉆孔初始平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?1.4%提升至78.2%，抽采30 d時(shí)的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.3%提升至49.2%，抽采60 d時(shí)的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.3%提升至34.6%，抽采90 d時(shí)的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.2%提升至25.4%，抽采120 d時(shí)的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.8%提升至18.1%。

圖4 封孔工藝改進(jìn)前后鉆孔抽采濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of borehole extraction concentration before and after the improvement

5 結(jié)論

針對(duì)孟津煤礦底板巷穿層抽采鉆孔漏氣而導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛鹊偷膯栴}，對(duì)漏氣原因進(jìn)行了分析，并對(duì)封孔工藝做了有針對(duì)性的改進(jìn)，形成了通管“兩堵兩注”工藝，并取得了良好的應(yīng)用效果，結(jié)論如下：(1)地面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孟津礦原封孔工藝的管路接口在8～10 kPa的內(nèi)外壓差下便開始漏氣，且爆破閥可靠性差，容易造成漿液達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力而難以進(jìn)入并封堵鉆孔周圍的漏氣裂隙。(2)結(jié)合漏氣原因?qū)Ψ饪坠に囘M(jìn)行了改進(jìn)，將原來2 m/根的絲接式φ50 mm封孔管及連接管改為整根φ32 mm的PE通管，并通過增設(shè)一條注漿管去掉了爆破閥，形成了通管“兩堵兩注”封孔工藝。(3)將封孔管直徑由原來的 50 mm改為32 mm，對(duì)鉆孔內(nèi)抽采負(fù)壓的影響不足5%，是完全可行的。(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，改進(jìn)后的封孔工藝顯著提升了封孔抽采效果。