超高水材料封孔技術(shù)在西馮街煤業(yè)的應(yīng)用

楊育龍

（山西陽城陽泰集團(tuán)西馮街煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100）

瓦斯抽放作為治理瓦斯的主要措施，已經(jīng)在我國煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。部分礦井瓦斯抽采效果不理想，主要的原因是封孔質(zhì)量不達(dá)標(biāo)[1-4]。因此，科學(xué)確定封孔深度、選用新型的封孔材料成為提高瓦斯抽采濃度、消除瓦斯災(zāi)害的重要措施。

1 工程概況

山西陽泰集團(tuán)西馮街煤業(yè)位于山西省晉城市陽城縣，主采煤層為3 號煤，煤層平均厚度為5.85 m，采用走向長壁綜合機(jī)械化開采方式，全部垮落法管理頂板。煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2 層夾矸，全區(qū)穩(wěn)定可采。

2019 年度的礦井瓦斯涌出量測定報告顯示，礦井相對瓦斯涌出量為9.56 m3/t，絕對瓦斯涌出量為18.1 m3/t，二氧化碳相對涌出量為3.51 m3/t，屬高瓦斯礦井。

為保證安全生產(chǎn)，在工作面掘進(jìn)過程中向工作面內(nèi)施工鉆孔，對工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。在兩巷中施工，每隔100 m 施工一個抽放鉆場，在鉆場內(nèi)施工扇形鉆孔，鉆孔開孔直徑97 mm，終孔直徑大于75 mm，鉆孔深度80 m，向上傾斜2°～3°，兩巷鉆孔交替對拉布置，最外側(cè)鉆場的抽采時間不小于180 d。

2 漏氣機(jī)理研究

瓦斯抽采鉆孔一般都是在巷道內(nèi)施工，由于巷道的掘進(jìn)，鉆孔未開始之前煤壁及煤巖表面已經(jīng)處于破碎狀態(tài)。隨著鉆孔的鉆進(jìn)，煤巖體的應(yīng)力集中區(qū)不斷向深部轉(zhuǎn)移。鉆孔鉆至設(shè)計位置后，應(yīng)力重新平衡，從孔口到孔底，按受力環(huán)境的不同可分為四個區(qū)域，如圖1。

圖1 鉆孔內(nèi)分區(qū)示意圖

（1）Ⅰ：卸壓區(qū)

該區(qū)位于巷道表面，煤巖體受巷道掘進(jìn)和鉆孔施工的影響最為嚴(yán)重，由于應(yīng)力集中的作用，發(fā)生塑性變形，內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙。該區(qū)內(nèi)的鉆孔淺部均為破碎區(qū)，原生裂隙與施工形成的裂隙貫通，滲透率大，是封孔漏氣的主要通道。

（2）Ⅱ：塑性變形區(qū)

該區(qū)域內(nèi)的煤巖體受力超過了極限強(qiáng)度，最大應(yīng)力超出原巖應(yīng)力的兩倍，煤巖體內(nèi)部發(fā)生塑性變形，原生裂隙發(fā)育程度高，并且產(chǎn)生大量的新裂隙。在瓦斯壓力等的作用下，極有可能相互貫通，也是漏氣的重要通道。

（3）Ⅲ：彈性變形區(qū)

該區(qū)域煤巖體內(nèi)的應(yīng)力增加，但未達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度。受鉆孔施工的影響，部分原生裂隙發(fā)生一定程度的擴(kuò)展，并且會產(chǎn)生一部分新裂隙，但裂隙擴(kuò)展和發(fā)育的程度較低，存在一定的漏氣可能性。

（4）Ⅳ：穩(wěn)定區(qū)

該區(qū)位于鉆孔的最底部，不受巷道掘進(jìn)的影響，并且受鉆孔鉆進(jìn)的影響最小，煤巖體應(yīng)力狀態(tài)未發(fā)生明顯變化，裂隙沒有發(fā)生擴(kuò)展。

卸壓區(qū)和塑性區(qū)的深部一般在10～25 m 左右，該區(qū)域內(nèi)各種裂隙發(fā)育充分，貫通率高，有利于瓦斯抽采，但同時也是漏氣的主要通道。因此在實際應(yīng)用中，封孔長度應(yīng)該在卸壓區(qū)以里，塑性區(qū)的范圍內(nèi)。

3 封孔深度研究

封孔深度是瓦斯抽采鉆孔的一個重要參數(shù)。深度過大不僅封孔效果不理想，而且經(jīng)濟(jì)性差，封孔短則長時間抽采容易出現(xiàn)漏氣。為此采用極限平衡法和鉆屑法科學(xué)確定封孔的深度[5-6]。

（1）極限平衡法

巷道開掘后，巷道兩幫的淺部煤體處于極限應(yīng)力狀態(tài)，如圖2。

圖2 煤體中應(yīng)力分布

利用公式計算，獲得應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x1和卸壓區(qū)寬度x0。

式中：m為巷道高度，m；A0為側(cè)壓系數(shù)；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖石容重，kg/m3；H為埋藏深度，m；?為內(nèi)摩擦角，（°）；C為內(nèi)聚力，MPa。

代入計算可得，極平衡區(qū)寬度為9.5 m，卸壓區(qū)寬度為8.7 m。因此，封孔長度應(yīng)大于卸壓區(qū)寬度8.7 m，考慮一定的安全系數(shù)，實際的封孔深度應(yīng)大于10 m。

（2）鉆屑量法

在工作面運料巷中布置5 個采樣鉆孔，垂直煤壁向工作面內(nèi)打孔，鉆孔深度18 m。打鉆過程中，準(zhǔn)確記錄每米鉆孔的鉆屑量，結(jié)果如圖3。由圖可以看出：

圖3 鉆屑法統(tǒng)計結(jié)果

（1）在孔深為1～7 m 段鉆屑量緩慢增加，8～13 m 段鉆屑量迅速增加，14～15 m 左右鉆屑量出現(xiàn)峰值，15 m 以后鉆屑量逐漸減少。

（2）根據(jù)鉆屑量沿孔深的變化規(guī)律可以推斷出，7 m 以內(nèi)為卸壓區(qū)范圍。此范圍內(nèi)煤體完全卸壓，鉆屑量基本保持穩(wěn)定，8～13 m 為應(yīng)力升高區(qū)，在14 m 左右達(dá)到峰值，之后逐漸降低。

（3）鉆孔合理密封深度的范圍必須超過鉆孔卸壓區(qū)范圍，但同時又要小于煤壁應(yīng)力峰值點的深度，因此，鉆孔的合理密封深度應(yīng)在15 m 左右。

4 封孔材料及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 封孔材料的確定

超高水材料最早由中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部研究成功，已經(jīng)在煤礦充填開采、沿空留巷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在實驗室進(jìn)行水泥和超高水材料性能的對比試驗。水泥使用普通的325 水泥，漿液的配制過程中，添加部分添加劑，與超高水材料同時制作邊長為70.7 mm 的試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、測試，其結(jié)果見表1。

表1 不同封孔材料參數(shù)對比

由表可以看出，隨著水固比的增大，水泥和超高水材料的強(qiáng)度變小，凝結(jié)時間變長。試驗結(jié)果表明，水泥材料會產(chǎn)生固化收縮，體積有不同程度的縮小，而超高水材料則表現(xiàn)出微膨脹性，在后期體積有所增長，可以避免漏氣通道的產(chǎn)生。

4.2 注漿壓力

根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑來確定注漿壓力，如式所示：

式中：P為注漿壓力，MPa；γ為備用系數(shù)，一般取1.1；μ為漿液粘度，MPa·s；R為漿液擴(kuò)散半徑，m；r0為抽采鉆孔半徑，m；T為注漿時間，s；δ為裂隙開度，m。

西馮街礦采用Φ113 mm 的鉆頭施工，成孔直徑約為120 mm，擴(kuò)散范圍按最大擾動破壞范圍選取，一般為鉆孔孔徑的10倍，為600 mm。代入計算可得，注漿壓力為2.31 MPa，實際操作中要求注漿壓力不得小于2.5 MPa。

4.3 封孔注漿系統(tǒng)布置

采用兩堵一注的封孔方式。封孔漿液利用泵壓入囊袋中，囊袋注漿膨脹與孔壁接觸，兩端的囊袋注漿完成后，在囊袋中間注入超高水材料或水泥漿液，完成封孔，如圖4。

圖4 封孔示意圖

4.4 效果分析

對采用不同材料封孔的單孔抽采負(fù)壓和抽采濃度進(jìn)行觀測，評價封孔質(zhì)量。觀測結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 單孔抽采負(fù)壓隨時間變化曲線

圖6 孔口瓦斯?jié)舛入S時間變化曲線

由圖可以看出，隨著時間的延長，采用水泥漿液封孔和超高水材料封孔，抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫兴陆?，但下降幅度差別較大。超高水材料封孔的抽采濃度下降幅度小于6%，抽采負(fù)壓未發(fā)生明顯變化，抽采效果較好。而采用水泥漿液封孔，抽采濃度下降40%，抽采負(fù)壓下降20%。

水泥漿液凝固后，脆性較大，長期抽采下孔壁出現(xiàn)變形，在內(nèi)部會形成裂隙，同時降低水泥與孔壁之間的密閉性，形成漏氣通道。而采用超高水材料具有微膨脹性，能夠適應(yīng)鉆孔的變形，長期條件下密閉效果好。

4.5 成本對比

采用水泥漿液和超高水材料封孔的注漿時間和成本對比見表2。

表2 不同材料注漿時間與成本統(tǒng)計

由表可以看出，隨著水固比的增加，漿液的流動性增強(qiáng)，注漿時間變短，材料成本下降。但采用超高水材料封孔，注漿時間短，為水泥材料的50%，注漿成本低，最高可降低63%。

5 結(jié)論

（1）抽采鉆孔孔口到孔底，分為卸壓區(qū)、塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，卸壓區(qū)和塑性變形區(qū)是漏氣的主要通道，是封孔的重點。

（2）采用極限平衡法理論計算和鉆屑法確定西馮街礦的瓦斯抽采鉆孔的封孔深度為15 m。

（3）采用超高水材料封堵瓦斯抽采鉆孔，注漿時間短，抽采濃度和抽采負(fù)壓下降少，注漿成本低，是一種理想的封孔材料。