新型封孔技術(shù)在順層鉆孔瓦斯抽采中的應(yīng)用

徐永吉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048019）

1 引言

煤礦瓦斯是我國(guó)燃?xì)饽茉吹闹匾Y源之一，瓦斯抽采過(guò)程中，鉆孔的封孔技術(shù)是影響瓦斯抽采效果的重要工藝程序，封孔技術(shù)不佳會(huì)導(dǎo)致瓦斯氣體泄漏、采氣濃度低、含量少等結(jié)果。因此，合理引入新型封孔技術(shù)提升鉆孔瓦斯抽采效果至關(guān)重要[1-3]。

何奇等[4]依托于大慶油田喇嘛甸區(qū)塊儲(chǔ)層高滲透油層開(kāi)采項(xiàng)目，提出使用鎖孔成膜封堵劑技術(shù)成功將工程現(xiàn)場(chǎng)的防漏成功率提高了9.3%，引入該技術(shù)有效保護(hù)了儲(chǔ)層的安全性。郭煜[5]基于四川龍灘煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重現(xiàn)狀，指出該地區(qū)煤質(zhì)裂隙發(fā)育，并通過(guò)采用兩堵一注帶壓的封孔方案，成功實(shí)現(xiàn)了該煤礦的瓦斯治理目標(biāo)。馮亮亮[6]指出采用定向水力壓裂技術(shù)能夠有效克服傳統(tǒng)鉆孔模式的問(wèn)題，并依托于古書(shū)院煤礦項(xiàng)目成功驗(yàn)證了該方法的可行性，有效克服了鉆孔漏氣問(wèn)題。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要是從鉆孔技術(shù)、封孔技術(shù)等角度解決瓦斯抽采過(guò)程鉆孔漏氣的問(wèn)題，且較少涉及到順層鉆孔瓦斯開(kāi)采。然而，在順煤層鉆孔開(kāi)展瓦斯抽采過(guò)程中，受礦山壓力影響鉆孔容易變形破壞進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯氣體泄漏。因此，本文提出一種新型封孔技術(shù)并將其成功應(yīng)用于寺河煤礦二號(hào)井煤礦瓦斯開(kāi)采中，有效提升了該煤礦瓦斯抽采的效率。

2 工程背景與抽采現(xiàn)狀

2.1 工程背景

本次研究依托于寺河煤礦二號(hào)井煤礦瓦斯抽采工程，該煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為100 萬(wàn)t/a，采用傾斜式長(zhǎng)壁采煤法進(jìn)行開(kāi)采，主采煤層為穩(wěn)定煤層，實(shí)測(cè)瓦斯含量達(dá)6.85 m3/t，瓦斯壓力在0.2～2.8 MPa范圍內(nèi)。煤層頂板巖層分布有泥巖、砂巖等，底板巖層主要為砂質(zhì)泥巖。

2.2 原封孔技術(shù)

煤礦抽采鉆孔原采用直徑50 mm、長(zhǎng)度2 m 的PVC 管進(jìn)行抽采，并利用聚氨酯倒入封孔帶后快速送入鉆孔進(jìn)行順層鉆孔封孔，統(tǒng)計(jì)得到該煤礦某工作面上的4 個(gè)埋深均為60 m 鉆孔的瓦斯抽采純量數(shù)據(jù)，并繪制抽采瓦斯純量-抽采時(shí)間曲線如圖1。由圖1 可知，4 個(gè)鉆孔的抽采瓦斯純量均隨著抽采時(shí)間而不斷減小，且減小速率越來(lái)越慢，二者之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。在開(kāi)采初期，4 個(gè)鉆孔的抽采瓦斯純量分別為0.047 m3/min、0.065 m3/min、0.040 m3/min 和0.024 m3/min，而在開(kāi)采進(jìn)行到10 d 以后，各鉆孔的抽采瓦斯純量均下降到0.02 m3/min 以下，其中744號(hào)鉆孔的抽采純量已經(jīng)接近于0。由此可見(jiàn)，采用原聚氨酯封孔技術(shù)封孔效率低，漏氣情況嚴(yán)重，瓦斯抽采效果差，需要采用新的封孔技術(shù)進(jìn)行封孔工作。

圖1 原封孔工藝下抽采瓦斯純量隨抽采時(shí)間變化關(guān)系

3 新型封孔技術(shù)

3.1 抽采漏氣規(guī)律

在順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，受?chē)鷰r性質(zhì)、鉆孔工藝、礦山壓力及封孔技術(shù)等多重因素的影響，會(huì)出現(xiàn)不同的瓦斯氣體泄漏情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況結(jié)合巖石力學(xué)與工程的基本理論，發(fā)現(xiàn)順層鉆孔瓦斯抽采主要存在以下3 種氣體泄漏形式：

（1）破碎圍巖漏氣。圖2 為順層鉆孔瓦斯抽采氣體流動(dòng)圖，由圖可知，在順層鉆孔形成后，由于開(kāi)挖造成鉆孔周?chē)鷩鷰r出現(xiàn)松動(dòng)、破碎現(xiàn)象，按照巖石力學(xué)理論[7-8]，此時(shí)圍巖可劃分為破碎區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū)。圍巖破碎區(qū)是造成氣體泄漏的主要原因，需要及時(shí)利用封孔材料對(duì)裂隙進(jìn)行封堵。如果出現(xiàn)裂隙封堵不及時(shí)、裂隙封堵不充分或鉆孔封孔深度不夠等情況，高氣壓下瓦斯會(huì)順著煤體裂隙流出，導(dǎo)致瓦斯開(kāi)采效果不佳。

（2）鉆孔壁與封孔材料貼合差。在礦山壓力的持續(xù)作用下，鉆孔圍巖會(huì)發(fā)生持續(xù)的蠕變變形，如此時(shí)鉆孔壁與封孔材料的粘結(jié)效果較差，會(huì)導(dǎo)致鉆孔壁與封孔材料之間出現(xiàn)間隙，進(jìn)而導(dǎo)致外界空氣進(jìn)入鉆孔，導(dǎo)致鉆孔漏氣。

（3）封孔材料漏氣。結(jié)合圖2 可以看出，在封孔材料漏氣情況下，空氣將會(huì)從外界進(jìn)入瓦斯抽采管，導(dǎo)致所采的瓦斯氣體濃度降低，瓦斯抽采效果差。封孔材料漏氣是由很多因素導(dǎo)致的，如封孔材料質(zhì)量不佳、操作失誤等，因此，需要嚴(yán)格把控封孔材料質(zhì)量檢測(cè)及施工環(huán)節(jié)，有效提升瓦斯抽采效率。

圖2 順層鉆孔瓦斯抽采氣體流動(dòng)

3.2 封孔原則

基于上述順層鉆孔漏氣規(guī)律及原因分析結(jié)果，結(jié)合煤層封孔工藝技術(shù)及要求，提出順層鉆孔瓦斯抽采封孔基本原則如下：

（1）鉆孔破碎圍巖封堵優(yōu)先原則。在順層鉆孔瓦斯抽采過(guò)程中，圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中遭到擾動(dòng)破壞，且礦山壓力作用下圍巖會(huì)持續(xù)產(chǎn)生蠕變變形，加劇了圍巖的破壞程度。破碎圍巖是順層鉆孔瓦斯抽采時(shí)發(fā)生瓦斯泄漏的最主要的原因，因此進(jìn)行封孔時(shí)需要遵守鉆孔破碎圍巖封堵優(yōu)先原則。在進(jìn)行鉆孔圍巖破碎區(qū)封堵時(shí)，首先需要根據(jù)巖石力學(xué)相關(guān)理論，在考慮鉆孔直徑、圍巖力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上采用合理的計(jì)算方法得到鉆孔的卸壓直徑。

（2）鉆孔封堵深度優(yōu)化原則。鉆孔圍巖卸壓區(qū)和峰后應(yīng)力區(qū)是發(fā)生氣體滲漏的主要原因之一，由于該區(qū)域煤巖已經(jīng)破壞，巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，因此，鉆孔封孔深度應(yīng)綜合考慮到圍巖卸壓區(qū)和峰后應(yīng)力集中區(qū)。

3.3 封孔工藝優(yōu)化

由原聚氨酯封孔技術(shù)下抽采瓦斯純量-抽采時(shí)間曲線（圖1）可知，該封孔工藝技術(shù)的封孔效率較低，因此需要采用新的封孔工藝進(jìn)行優(yōu)化。由于聚氨酯滲入煤體效果差、無(wú)法有效封堵，因此考慮采用SRS-II 型高強(qiáng)微膨脹型速凝封孔材料。該材料具有粘結(jié)力強(qiáng)、凝結(jié)速度快、滲透性好等特殊優(yōu)勢(shì)，且凝結(jié)后可使用壽命長(zhǎng)，能夠有效封堵圍巖裂隙。為進(jìn)一步獲得有效的封孔深度，在該工作面附近打鉆獲得不同深度條件下煤屑瓦斯解吸參數(shù)變化規(guī)律圖如圖3。由圖3 可知，鉆孔煤屑瓦斯解吸參數(shù)整體隨深度呈不斷增加的變化趨勢(shì)，但在鉆孔深度為11 m 時(shí)出現(xiàn)曲線斜率驟然增大趨勢(shì)，因此可以判定圍巖卸壓區(qū)的范圍在11 m。因此可見(jiàn)，需要保證鉆孔封孔深度在11 m 時(shí)才能保證瓦斯抽采效果。

圖3 鉆孔煤屑瓦斯解吸參數(shù)隨鉆孔深度變化趨勢(shì)

3.4 優(yōu)化效果

選擇與原封孔工藝相同深度的鉆孔展開(kāi)研究，得到4 個(gè)鉆孔的抽采瓦斯純量隨抽采時(shí)間變化關(guān)系如圖4。由圖4 可知，抽采瓦斯純量與抽采時(shí)間之間整體呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系，即抽采瓦斯純量均隨著抽采時(shí)間而不斷減小，但減小速率越來(lái)越慢，這與原封孔工藝下抽采瓦斯純量-抽采時(shí)間曲線變化規(guī)律基本一致。在開(kāi)采初期，4 個(gè)鉆孔抽采瓦斯純量分別為0.043 m3/min、0.019 m3/min、0.025 m3/min和0.046 m3/min，而在開(kāi)采進(jìn)行到10 d 以后，各鉆孔的抽采瓦斯純量均下降到0.02 m3/min 以下，其中744 號(hào)鉆孔的抽采純量已經(jīng)接近于0。

進(jìn)一步對(duì)比采用新型封孔技術(shù)前后瓦斯抽采效率，考慮到不同鉆孔的初始瓦斯含量不同，因此選擇初始抽采瓦斯純量相近的兩個(gè)鉆孔進(jìn)行比較。選取880 號(hào)鉆孔（原封孔工藝）和992 號(hào)鉆孔（新型封孔工藝）展開(kāi)對(duì)比，兩個(gè)鉆孔的初始抽采瓦斯純量分別為0.047 m3/min、0.046 m3/min，當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到20 d 時(shí)，不同封孔工藝下的抽采瓦斯純量分別為0.003 m3/min、0.008 m3/min。采用新封孔工藝后鉆孔的抽采瓦斯純量較原工藝提升近167%，因此可見(jiàn)，新型封孔技術(shù)在順層鉆孔瓦斯抽采中取得了良好的提升效果。

4 結(jié)論

為提升我國(guó)煤礦順層鉆孔瓦斯抽采效果，本文依托于山西省晉城寺河煤礦二號(hào)井煤礦瓦斯抽采工程，展開(kāi)了順層鉆孔氣體泄漏規(guī)律以及新型封孔技術(shù)瓦斯抽采工程應(yīng)用研究，得出如下結(jié)論：

（1）順層鉆孔瓦斯抽采泄漏主要是由破碎圍巖漏氣、鉆孔壁與封孔材料貼合差和封孔材料漏氣三個(gè)原因?qū)е碌模虼诵枰裱@孔破碎圍巖封堵優(yōu)先和鉆孔封堵深度優(yōu)化原則。

（2）抽采瓦斯純量均隨著抽采時(shí)間而不斷減小，但減小速率越來(lái)越慢，抽采瓦斯純量與抽采時(shí)間之間整體呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系；采用高強(qiáng)微膨脹型速凝封孔材料進(jìn)行封孔后瓦斯抽采純量相較原技術(shù)提升近167%。

圖4 新型封孔工藝下抽采瓦斯純量隨抽采時(shí)間變化關(guān)系