軟煤順層瓦斯抽采鉆封孔新工藝研究

劉 向 陽

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山縣店坪煤礦，山西呂梁033100）

0 引 言

礦井在抽采鉆孔過程中，由于鉆孔破壞了煤層原巖的整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抽采鉆孔位置產(chǎn)生內(nèi)部裂隙，裂隙形成的漏氣通道，很大程度上降低了瓦斯抽采效率。我國大部分煤礦開采的煤層屬于低滲透性的松軟煤層，傳統(tǒng)的灌漿方法無法有效降低內(nèi)部裂隙。針對以上問題，以五輪山煤礦生產(chǎn)礦井作為研究對象，設(shè)計了一套新型抽采鉆孔封孔工藝[1-4]。

1 礦井及試驗區(qū)概況

貴州五輪山煤礦的煤炭礦井，礦區(qū)位于貴州省納雍縣，坐標位于北緯26 度37 分，東經(jīng)105 度18 分。井田南北側(cè)總長9.1km，東西側(cè)最大寬度6km，礦井總面積44.024km2，開采標高為+2000～+700m。礦井實驗煤層選用首采層，煤層平均厚度為2.04m，夾矸0～3 層，屬穩(wěn)定型軟煤層。煤層瓦斯含量16.44m3/t，瓦斯壓力達3.0 MPa，煤層壓力透氣系數(shù)為0.52，屬于低滲透性煤層，瓦斯治理相對困難。

煤層一分區(qū)中部的1819 工作面，標高為+1280.7～+1407.5 m，相對應(yīng)埋深在500m 左右，工作面走向長度160 m，傾斜方向長度565 m，結(jié)合上述地質(zhì)條件，對該煤層瓦斯抽取選用順層鉆孔方式抽采最為合理，但就實際情況來看，抽采效果并不理想。

2 封隔一體化封孔工藝

通過對實驗區(qū)內(nèi)鉆孔分析發(fā)現(xiàn)，在鉆孔過程中，煤層原巖受到破壞，由于鉆孔的擾動應(yīng)力，孔周邊煤體會產(chǎn)生細微裂隙，細微裂隙生成的漏氣通道是影響鉆孔抽采瓦斯的主要因素，如圖1 所示。按應(yīng)力大小對煤巖的影響程度可將鉆孔煤層軸向分為四個區(qū)域：破碎區(qū)，塑性區(qū)，彈性區(qū)，和原巖應(yīng)力區(qū)。其中塑性區(qū)和破碎區(qū)，鉆孔周邊煤巖所承受的載荷應(yīng)力超過了屈服強度，是生成細微裂紋的主要區(qū)域。

圖1 鉆孔周圍裂隙及滲透率分布特征

傳統(tǒng)的兩堵一注封孔工藝通過注漿能夠封堵破碎區(qū)內(nèi)細微裂紋。但無法有效降低彈塑性區(qū)的細微裂紋。通過研究發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于塑性區(qū)的滲透率較低導(dǎo)致[5-7]。

基于傳統(tǒng)封孔工藝缺陷，設(shè)計了一套新的封隔一體化封孔工藝，如圖2 所示。

圖2 封孔段割縫示意圖

新的鉆封孔工藝原理為：在確定鉆孔封孔深度后，通過理論計算判斷出抽采鉆孔的彈塑性區(qū)域；利用水切割技術(shù)，在該區(qū)域內(nèi)對煤巖進行切割，建立注漿槽，增加該區(qū)域的滲透率；結(jié)合傳統(tǒng)封孔工藝特點，利用注漿管，在壓力作用下將水泥砂漿進行滲透擴散。

新鉆孔工藝的主要目的是提高彈塑性區(qū)孔周邊的滲透率。破碎區(qū)的滲透率較好，增加注漿槽的實用性不大；而彈塑性區(qū)外裂隙較少，增加注漿槽反而會提高該區(qū)域煤巖的擾動應(yīng)力，因此要合理判斷出鉆孔彈塑性區(qū)的具體位置。

3 計算注漿槽具體位置

抽采鉆孔注漿液在煤巖中的滲流方式主要是沿著煤巖內(nèi)的裂隙滲流，注漿槽位置的確定，是降低裂隙漏氣的關(guān)鍵因素。而鉆孔周邊裂隙主要產(chǎn)生于鉆孔彈塑性范圍內(nèi)。根據(jù)上述研究，塑性區(qū)的外邊界為彈性區(qū)，內(nèi)邊界為破碎區(qū)，邊界線應(yīng)力方程為：

內(nèi)邊界：r=Rs，σr=pi

根據(jù)Mohr-Coulomb 強度準則，其塑性條件為：

式中：c 為煤巖粘聚力，MPa，通過現(xiàn)場檢測取值0.24MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，取30°。

根據(jù)彈塑性應(yīng)力平衡方程結(jié)合上述塑性條件可得：

式中：R0為鉆孔半徑，根據(jù)瓦斯抽采量確定為113mm；P0為孔周邊各向應(yīng)力，鉆孔孔徑較于煤層厚度尺寸過小，可將鉆孔各向應(yīng)力視為等壓壓力，取11.25 MPa。

根據(jù)實驗礦井具體情況，利用上述公式計算得出抽采鉆孔塑性區(qū)半徑為0.25m。

研究表明，在一般軸對稱圓形空間圍巖的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)下，從工程應(yīng)用方向出發(fā)，當(dāng)應(yīng)力變量低于5%時，便可以忽略應(yīng)力產(chǎn)生的影響[8]。根據(jù)軸對稱平面應(yīng)變方程和應(yīng)力平衡方程結(jié)合上述彈性邊際條件，抽采鉆孔彈性區(qū)邊界可由下式得出：

即可粗略算出彈性區(qū)影響邊際半徑為Re≈5R0≈0.5m。

綜上所述，瓦斯鉆孔的注漿槽深度應(yīng)大于鉆孔周圍煤體的塑性區(qū)小于煤體彈性影響區(qū)，才可以有效增加鉆孔的滲透率，提高鉆孔的密封質(zhì)量。計算得出實驗礦井合理的縫槽深度應(yīng)控制在0.25～0.5 m。

4 現(xiàn)場實驗

為驗證上述理論研究，在礦井實驗煤層1819 采煤工作面進行實際抽采實驗，一共設(shè)置3 個實驗組，每組4 個鉆孔。A 組為采用傳統(tǒng)封孔工藝的瓦斯抽采孔；B 組為采用新型封孔工藝的瓦斯抽采孔，灌漿槽為一道；C 組為灌漿槽3 道的新型封孔工藝瓦斯抽采孔。實驗時間為45 天，每3 天對鉆孔抽采濃度進行檢測。

圖3 為A 組鉆孔瓦斯抽采濃度曲線，從圖中可以看出，A 組鉆孔初始抽采濃度為41.76%，45 天后的抽采濃度下降到15.83%，平均抽采濃度不足25%，抽采濃度隨時間成階梯式下降，說明細微裂隙產(chǎn)生的漏氣通道未能有效封堵對瓦斯抽采產(chǎn)生很大的影響。

圖3 A 組鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

圖4 B 組鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

圖4 為B 組鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖，從圖中可以看出，B 組鉆孔初始抽采濃度為61.5%，45 天后的抽采濃度下降到38.9%，平均抽采濃度為48.12%。從實驗情況來看，采用新型封孔工藝的瓦斯抽采較傳統(tǒng)封孔工藝的瓦斯抽采，初始濃度提高了50%，平均抽采濃度提高了98.6%，有效的降低了瓦斯漏氣情況，但抽采濃度隨時間下降的情況并未得到明顯改善。

圖5 C 組鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

圖5 為C 組鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖，從圖中可以看出，C 組鉆孔初始抽采濃度為88.95%，45 天后的抽采濃度下降到79.8%，平均抽采濃度為77.4%。通過與B 組抽采鉆孔比較發(fā)現(xiàn)，擁有3 道灌漿槽的抽采鉆孔抽采濃度明顯升高，同時減緩了抽采濃度隨時間下降的情況。相較于A 組抽采鉆孔，初始抽采濃度提高了2.05 倍，平均瓦斯抽采濃度提升約2.8 倍。

綜合上述實驗，采用封隔一體化新型封孔工藝的瓦斯抽采鉆孔，能有效降低細微裂隙產(chǎn)生的漏氣空間，提高瓦斯抽采濃度。增加縫槽數(shù)量增加能夠改善鉆孔密封性，提升抽采效果。

5 結(jié) 論

1）順層軟煤在抽采鉆孔后會產(chǎn)生細微裂隙，形成漏氣通道。傳統(tǒng)的“兩封一堵”封孔工藝，無法有效解決由此帶來的瓦斯抽采濃度降低。

2）鉆孔彈塑性區(qū)滲透性差是無法封堵細微裂隙的主要原因，為解決這一問題，設(shè)計了新封孔工藝，即通過理論計算確定彈塑性區(qū)域后增加灌漿槽以增加滲透率。

3）通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，采用封隔一體化新型封孔工藝的瓦斯抽采鉆孔，能有效降低細微裂隙產(chǎn)生的漏氣空間，提高瓦斯抽采濃度。增加縫槽數(shù)量增加能夠改善鉆孔密封性，提升抽采效果。