囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝關(guān)鍵參數(shù)技術(shù)研究

尹勇勤，程風(fēng)超

(鄭煤集團(tuán) 楊河煤業(yè)公司，河南 新密 452380)

煤與瓦斯突出事故是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一，瓦斯抽采是防治煤與瓦斯事故的最根本、最直接、最有效的措施[1]。我國65%以上的回采工作面預(yù)抽瓦斯體積分?jǐn)?shù)不足30%，充分體現(xiàn)了抽采鉆孔封孔質(zhì)量差、效果差的現(xiàn)狀[2]。封孔質(zhì)量的好壞直接影響抽采鉆孔作用的發(fā)揮，提高封孔質(zhì)量對安全生產(chǎn)具有重要意義[3]。

1 概況

楊河煤業(yè)為突出礦井，開采二1煤層，煤層屬于典型的三軟煤層，煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、透氣性差、地應(yīng)力大，采掘工作面煤層瓦斯含量普遍在6 m3/t以上，局部煤層瓦斯含量達(dá)到8 m3/t，主要采用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的治理措施。順層鉆孔主要采用聚氨酯+水泥“兩堵一注”封孔工藝進(jìn)行封孔，但是該封孔工藝存在鉆孔抽采濃度低、抽采流量小、單孔抽采周期短、整體抽采周期長、抽采效果差等缺點(diǎn)，往往需要施工順層鉆孔2～3遍，需投入大量的人力、物力和財(cái)力，給礦井瓦斯治理造成巨大的阻力，嚴(yán)重威脅礦井正常生產(chǎn)接替[4]。

順層鉆孔采取聚氨酯+水泥“兩堵一注”抽采效果差的原因分析：①鉆孔封孔工藝落后，封孔質(zhì)量差；②封孔段深度不足，對巷道預(yù)排寬度等值帶計(jì)算值較小，封孔段以里存在裂隙；③順層鉆孔設(shè)計(jì)過密，易塌孔、穿孔；④水泥漿未侵入裂隙封堵裂隙，水泥漿收縮后，封孔段存在空白帶；⑤聚氨酯“兩堵一注”封孔工藝程序繁瑣，工人工作隨意性大，很少能夠嚴(yán)格執(zhí)行封孔標(biāo)準(zhǔn)。

針對以上情況，楊河煤業(yè)公司開展以囊袋式封孔器配合速凝膨脹封孔液材料的“兩堵一注”帶壓注漿封孔試驗(yàn)研究。研究新型囊袋式帶壓封孔技術(shù)，選用具體的封孔方法、封孔材料、封孔長度、注漿壓力、注漿量等[5]，對于提高瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采效果具有重要意義[6]。

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2.1 技術(shù)原理

囊袋式注漿封孔裝置主要組成部件有注漿封孔器、封孔專用材料、專用注漿泵等[7]。其主要技術(shù)原理是基于煤壁內(nèi)存在周邊裂隙、破碎區(qū)裂隙和應(yīng)力擾動(dòng)裂隙[8]，通過利用注漿泵增加注漿壓力，增大漿液擴(kuò)散能力，達(dá)到改變鉆孔周圍煤體特性和密封鉆孔裂隙的目的，從而提高鉆孔密封效果[9]。第1次帶壓注漿主要是充填囊袋及囊袋之間封孔段；第2次帶壓注漿主要是封堵煤體周邊破碎區(qū)裂隙[10]；第3次帶壓注漿主要是封堵水泥漿凝固收縮產(chǎn)生的空白帶及水泥漿凝固收縮產(chǎn)生的裂隙。

2.2 封孔工藝流程

清孔→固定囊袋封孔器和封孔管及注漿管→準(zhǔn)備注漿泵注漿材料→第1次帶壓注漿，漿液進(jìn)入囊袋，囊袋膨脹，當(dāng)壓力大于1.2 MPa時(shí)，中間爆破閥打開，將囊袋之間的封孔段充滿→第2次帶壓注漿，提高注漿壓力至2.5 MPa，持續(xù)注漿時(shí)間不少于5 min，充填鉆孔周邊裂隙→鉆孔周邊裂隙注滿，注漿泵自動(dòng)停注→24 h后進(jìn)行第3次帶壓注漿，注漿壓力2.5 MPa，持續(xù)注漿時(shí)間不少于5 min→漿液凝固后，連接抽采系統(tǒng)。

2.3 合理的封孔參數(shù)研究

國內(nèi)外專家學(xué)者普遍認(rèn)為，煤體未開發(fā)前自身具有裂隙的自然屬性，且后期采動(dòng)影響以及鉆孔施工過程中的機(jī)械沖擊力破壞了巷道周圍煤體原有的應(yīng)力平衡，形成了“三帶”，即卸壓帶(巷道預(yù)排瓦斯帶)、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶[11]。卸壓帶內(nèi)煤體裂隙發(fā)育、擴(kuò)展、貫穿巷道，是漏氣的主要原因，該范圍可以依據(jù)《煤礦抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》附表1中的數(shù)據(jù)或計(jì)算公式確定，但是依據(jù)《煤礦抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》的數(shù)據(jù)或計(jì)算公式確定的范圍，往往小于實(shí)際數(shù)據(jù)，因而封孔長度過短，則可能導(dǎo)致抽采鉆孔漏氣，從而降低瓦斯抽采效率[12]。所以，應(yīng)首先考察確定巷道預(yù)排瓦斯帶寬度，從而確定封孔深度和封孔度長度[13]。

楊河煤業(yè)在31091回風(fēng)巷掘進(jìn)至37.2～70.2、94.9～174.9、1 143～1 203 m三個(gè)區(qū)域，在31091回風(fēng)巷下幫煤體施工3組(每組3個(gè))深度為22 m、直徑為42 mm的鉆孔，鉆孔間距為3～5 m，測試鉆孔鉆屑量、電磁輻射和瓦斯含量等指標(biāo)[14]；并在31091回風(fēng)巷布置1組應(yīng)力監(jiān)測站，監(jiān)測站滯后掘進(jìn)工作面30～50 m，應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)，孔深分別為22、20、18 m。通過測試數(shù)據(jù)對比分析回風(fēng)巷煤體不同位置的指標(biāo)差異及分布規(guī)律。

楊河煤業(yè)通過實(shí)測31091回風(fēng)巷煤層瓦斯含量、鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆孔電磁輻射及數(shù)值模擬等多指標(biāo)綜合分析，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 多指標(biāo)綜合分析Tab.1 Comprehensive analysis of multiple indicators

綜合以上分析，確定31091工作面預(yù)排瓦斯帶范圍從實(shí)體煤一側(cè)計(jì)算大于22 m，確定封孔深度22 m，封孔段長度為15 m。

2.4 合理的注漿參數(shù)研究

帶壓注漿封孔的關(guān)鍵是控制好注漿量和注漿壓力，注漿量的多少影響封孔的質(zhì)量，注漿壓力決定注漿的質(zhì)量[15]。

2.4.1 注漿量的確定

只有足夠的注漿量，才能有效充填封孔段和鉆孔圍邊裂隙[16]，注漿量計(jì)算如下。

(1)漿液密度的確定。

(1)

(2)漿液量的確定。

Q=d×3.14(D2-d2)×h×K×β×α

(2)

式中，D為鉆孔直徑，取0.094 m；d為封孔管直徑，取0.05 m；h為封孔段長度，取18 m；k為鉆孔圍巖裂隙系數(shù)，取1.2；β為鉆孔直徑不規(guī)則系數(shù)，取1.1；α為漿液可利用系數(shù)，取1.05。

水灰比為1∶1，經(jīng)計(jì)算需要每孔注水泥量108 kg。因此，順層鉆孔采用囊袋式“兩堵一注”封孔工藝注漿量不少于108 kg。

2.4.2 注漿壓力確定

注漿壓力是迫使?jié){液在鉆孔周圍裂隙中擴(kuò)散流動(dòng)的動(dòng)力[17]，注漿壓力的大小，決定漿液擴(kuò)散能力的大小[18]，從而決定注漿效果。注漿壓力過大時(shí)，容易對封孔段周邊裂隙承載力造成破壞，擴(kuò)大裂隙破裂面或生成新裂隙；注漿壓力過小，漿液擴(kuò)散動(dòng)力不足，造成不能對鉆孔裂隙進(jìn)行有效封堵，其擴(kuò)散不規(guī)律?？梢酝ㄟ^牛頓流體在水平光滑裂隙面內(nèi)的擴(kuò)散方程式[19]，模擬計(jì)算注漿時(shí)所需的壓力值：

(3)

式中，P為注漿壓力；λ為冗余系數(shù)，取1.2；μ為漿液黏度，取1.7×10-4Pa·s；R為擴(kuò)散半徑，30 cm；r為鉆孔半徑，4.7 cm；T為注漿時(shí)間，2 000 min；δ為裂隙開度，0.02 cm。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，注漿所需壓力值為2.5 MPa。因此，順層鉆孔采取囊袋式“兩堵一注”封孔工藝注漿所需壓力值為2.5 MPa。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及考察

3.1 研究地點(diǎn)

選取楊河煤業(yè)31091工作面為試驗(yàn)基地，該工作面為首次回采工作面，未采取抽采措施。煤層厚2.0～15.7 m，平均厚7.5 m，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層傾角12°～22°。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)及封孔工藝參數(shù)

試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)2組9個(gè)鉆孔，孔深80 m，孔間距2.5 m，孔徑94 mm，采用ZDY4000L型鉆機(jī)配套φ73 mm三棱鉆桿施工鉆孔。囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔工藝參數(shù)見表2。

表2 囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔工藝對比Tab.2 "Two plugs and one injection" polyurethane sealing hole and bladder type pressure grouting sealing technology

3.3 實(shí)踐效果分析

通過現(xiàn)場對2組鉆孔封孔工藝參數(shù)進(jìn)行連續(xù)50 d的抽采效果考察，重點(diǎn)考察不同封孔工藝參數(shù)瓦斯抽采濃度情況、瓦斯抽采濃度隨著時(shí)間的增加衰減幅度的變化規(guī)律。由圖1、表3可知，采用囊袋式“兩堵一注”水泥注漿加U型膨脹劑封孔是聚氨酯+水泥“兩堵一注”注漿封孔工藝瓦斯抽采濃度的4.5～13.5倍。隨著抽采時(shí)間的推移，采用囊袋式“兩堵一注”水泥注漿加U型膨脹劑封孔工藝的抽采濃度呈現(xiàn)緩慢變化趨勢，連續(xù)抽采50 d后抽采濃度仍然維持在10%左右；采用聚氨酯+水泥“兩堵一注”注漿封孔工藝的抽采濃度呈現(xiàn)直線下降的趨勢，連續(xù)抽采50 d后降到了3%以下，達(dá)到瓦斯抽采極限，不可再抽采。

圖1 囊袋式帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔瓦斯抽采變化Fig.1 Gas-draining change diagram of bladder-type sealing hole and polyurethane sealing hole

由此可知，采用囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝能夠有效提高鉆孔抽采抽采濃度，減緩抽采鉆孔衰竭能力，延長鉆孔抽采時(shí)間。

表3 囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔工藝瓦斯瓦斯抽采情況Tab.3 Gas and gas drainage situation of bladder type "two plugs and one injection" sealing hole and polyurethane sealing hole with pressure grouting %

4 結(jié)語

(1)通過實(shí)測煤層瓦斯含量、鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆孔電磁輻射及數(shù)值模擬等多指標(biāo)綜合分析，確定楊河煤業(yè)孔的合理封孔深度為22 m，封孔段長度為15 m。

(2)分析了高水充填材料漿液的滲透規(guī)律，得到了壓力值為2.5 MPa時(shí)，擴(kuò)散半徑為0.63 m，漿液可以充填密實(shí)鉆孔擾動(dòng)裂隙范圍，確定封孔注漿壓力為2.5 MPa。

(3)通過對比采用傳統(tǒng)工藝封孔的鉆孔，采用新封孔工藝進(jìn)行封孔，鉆孔瓦斯抽采濃度提高了4.5～13.5倍，且長時(shí)間保持較高的瓦斯抽采濃度。囊袋式“兩堵一注”帶壓多輪次注漿封孔技術(shù)在楊河煤業(yè)具有良好的適用性，達(dá)到了封堵填充順層瓦斯抽采鉆孔周圍裂隙的目的，有效提高了瓦斯抽采效果，為下一步瓦斯抽采提供了技術(shù)支撐。