新型瓦斯抽采鉆孔保壓封孔技術(shù)

王 帥

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

我國(guó)煤田瓦斯附存條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出及瓦斯爆炸導(dǎo)致的重特大事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤礦安全高效生產(chǎn)[1-3]。通過(guò)鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽作為防治瓦斯突出及瓦斯治理的重要手段，在高瓦斯及瓦斯突出礦井進(jìn)行了廣泛應(yīng)用[4-5]。然而，由于瓦斯抽采鉆孔孔壁圍巖受巷道開(kāi)挖、鉆孔施工以及瓦斯抽采等多重采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)影響，產(chǎn)生大量動(dòng)態(tài)變化的節(jié)理與裂隙，造成鉆孔瓦斯抽采率低，抽采濃度衰減快，抽采效果不達(dá)標(biāo)[6-8]。研究表明，我國(guó)近65%的工作面瓦斯預(yù)抽體積分?jǐn)?shù)小于30%[9]，瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量逐漸成為制約瓦斯抽采效果的主要因素。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從瓦斯抽采鉆孔漏氣機(jī)理研究出發(fā)，對(duì)封孔材料、封孔參數(shù)以及封孔工藝上進(jìn)行了優(yōu)化與創(chuàng)新[10-14]。在泥漿式封孔、機(jī)械式封孔、囊袋式封孔的基礎(chǔ)上，提出了基于“兩堵一注”帶壓封孔原理的系列封孔裝置[15]，并在我國(guó)各大高瓦斯及瓦斯突出礦井進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。但目前“兩堵一注”封孔裝置主要由瓦斯抽采管、注漿管、出漿管（回水管）以及環(huán)形注漿囊袋組成，其中注漿管與出漿管外切于抽采管并置于環(huán)形注漿囊袋中心，待兩側(cè)端頭注漿囊袋膨脹打開(kāi)后，3條管路與封孔囊袋間存在無(wú)法被完全充填的“三角區(qū)”，繼而出現(xiàn)跑漿、漏漿的情況，惡化作業(yè)環(huán)境的同時(shí)，降低了注漿壓力與裂隙充填效果?；诖耍谕咚钩椴摄@孔應(yīng)力與裂隙分布特征理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對(duì)“兩堵一注”封孔裝置的不足，設(shè)計(jì)了1款新型瓦斯抽采鉆孔封孔裝置，并在川煤集團(tuán)芙蓉公司新維煤礦順層瓦斯抽采中進(jìn)行了應(yīng)用。

1 瓦斯抽采鉆孔應(yīng)力與裂隙分布特征

1.1 鉆孔軸向應(yīng)力與裂隙分布特征

煤礦井下巷道開(kāi)挖后，圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞并進(jìn)行重新分布，當(dāng)巷道開(kāi)挖而產(chǎn)生的集中應(yīng)力大于煤體破壞強(qiáng)度時(shí)，巷道周邊的淺部煤體發(fā)生破裂而導(dǎo)致應(yīng)力降低，應(yīng)力集中峰值向深部轉(zhuǎn)移，由巷幫至圍巖深處依次形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)，即圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)[16]。而巷道圍巖應(yīng)力的變化勢(shì)必導(dǎo)致其裂隙分布的變化，根據(jù)巷道松動(dòng)圈理論[17]，對(duì)應(yīng)著應(yīng)力σ分布狀態(tài)還可以將巷道圍巖分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)，巷道圍巖彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布如圖1。

由于煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工均位于巷道或硐室內(nèi)，與巷道斷面相比，瓦斯抽采鉆孔孔徑較小，在討論鉆孔軸向應(yīng)力分布時(shí)，忽略鉆孔施工對(duì)于巷道徑向應(yīng)力分布的影響。因此，鉆孔的軸向應(yīng)力分布與巷道的徑向應(yīng)力分布一致，即卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)。瓦斯抽采鉆孔軸向應(yīng)力分布如圖2。

其中，卸壓區(qū)內(nèi)的煤體經(jīng)歷了峰值應(yīng)力由巷道表面向深部轉(zhuǎn)移的過(guò)程，導(dǎo)致煤體發(fā)生破碎，對(duì)應(yīng)巷道破碎區(qū)；應(yīng)力集中區(qū)按照集中應(yīng)力的峰值位置，可以分為峰后應(yīng)力集中區(qū)和峰前應(yīng)力集中區(qū)，峰后應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的煤體經(jīng)歷了峰值應(yīng)力轉(zhuǎn)移后，煤體雖未破碎，但產(chǎn)生大量裂隙，對(duì)應(yīng)巷道塑性區(qū)；峰前應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力雖然增大，但未超過(guò)煤體的破碎極限，未產(chǎn)生明顯的宏觀裂隙，因此對(duì)應(yīng)巷道彈性區(qū)；原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤體未受擾動(dòng)，裂隙分布無(wú)變化。因此，從鉆孔軸向應(yīng)力與裂隙分布特征來(lái)看，鉆孔施工勢(shì)必穿過(guò)巷道圍巖的破碎區(qū)與塑性區(qū)，該區(qū)域由于宏觀裂隙最為發(fā)育，在鉆孔封孔時(shí)應(yīng)盡量避免將封孔段設(shè)計(jì)在該區(qū)域內(nèi)。

1.2 鉆孔徑向應(yīng)力與裂隙分布特征

瓦斯抽采鉆孔可以看作是1個(gè)受采動(dòng)影響后的微型煤層巷道，因此鉆孔徑向應(yīng)力與裂隙分布特征可以借鑒巷道應(yīng)力分布理論進(jìn)行分析。鉆孔施工后，孔周煤體同樣形成破碎區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，鉆孔應(yīng)力及裂隙分布示意圖如圖3。根據(jù)鉆孔周邊煤體裂隙分布特征可以看出，鉆孔徑向漏氣范圍主要在破碎區(qū)與塑性區(qū)內(nèi)。

圖3 鉆孔應(yīng)力及裂隙分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole stress and crack distribution

按照彈塑性支護(hù)理論的基本假設(shè)，軸對(duì)稱條件下的塑性區(qū)應(yīng)力與塑性區(qū)半徑可表示為[18]：

從式（1）～式（3）可以看出，由于封孔支護(hù)力的存在，使得孔周煤體由二維受力狀態(tài)變?yōu)槿S受力狀態(tài)，鉆孔圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)半徑均與封孔支護(hù)力呈反比，隨著封孔支護(hù)力的提高，孔周煤體應(yīng)力升高，部分裂隙被壓密閉合，漏氣半徑進(jìn)一步縮小。因此，通過(guò)提高注漿封孔壓力可以有效提升封孔效果。

2 新型瓦斯抽采鉆孔保壓封孔方法

2.1“兩堵一注”封孔技術(shù)的不足

“兩堵一注”封孔方法是在早期囊袋式封孔的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的1種帶壓封孔技術(shù)，該技術(shù)在原理上解決了封孔段注漿壓力低，漿液無(wú)法滲透進(jìn)鉆孔塑性區(qū)的缺陷，并逐漸成為我國(guó)煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的主要封孔工藝。“兩堵一注”封孔裝置主要包括注漿管、回漿管、環(huán)形注漿囊袋以及爆破閥等，其中注漿管與2個(gè)環(huán)形注漿囊捆扎連接，2個(gè)注漿囊袋間的注漿管上安裝1個(gè)爆破閥，回漿管與注漿管平行布置，孔內(nèi)一端的管口位于注漿段內(nèi)。

“兩堵一注”封孔工藝的一般流程是：將封孔裝置套在瓦斯抽采管上一同送入鉆孔內(nèi)，通過(guò)注漿管分別向2個(gè)環(huán)形囊袋中注漿，囊袋膨脹并充填抽采管與孔壁空間；注漿壓力繼續(xù)升高至爆破閥開(kāi)啟，隨后漿液填充至2個(gè)囊袋之間的空隙，待回漿管返漿后關(guān)閉；保持注漿壓力并持續(xù)一段時(shí)間，使得高壓漿液可以有效滲透進(jìn)圍巖裂隙，提供主動(dòng)支護(hù)提升鉆孔密封效果。

但在“兩堵一注”封孔工藝的實(shí)際使用過(guò)程中，雖然在一定程度上提升了鉆孔瓦斯抽采濃度與負(fù)壓，但與理論預(yù)期存在較大差距。究其原因是由于“兩堵一注”封孔裝置的注漿管與出漿管外切于抽采管，注漿囊袋膨脹打開(kāi)后，3條管路與孔口側(cè)的封孔囊袋間存在無(wú)法被完全充填的“三角區(qū)”，導(dǎo)致對(duì)2個(gè)囊袋間的封孔段進(jìn)行注漿時(shí)出現(xiàn)跑漿、漏漿的情況，降低注漿壓力的同時(shí)，使得漿液無(wú)法有效滲透進(jìn)鉆孔圍巖深部裂隙當(dāng)中，進(jìn)而影響封孔效果。“兩堵一注”封孔裝置示意圖如圖4。

圖4“兩堵一注”封孔裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of“two plugs and one injection”sealing device

2.2 新型保壓注漿封孔裝置

通過(guò)對(duì)瓦斯抽采鉆孔圍巖應(yīng)力與裂隙分析，保障鉆孔封孔效果的關(guān)鍵在于提高封孔注漿壓力。針對(duì)現(xiàn)有“兩堵一注”封孔工藝的不足，設(shè)計(jì)研究了1款新型保壓注漿封孔裝置，新型抽采鉆孔保壓封孔裝置示意圖如圖5。裝置主要由多孔管抽采管、孔口囊袋、孔內(nèi)囊袋、注漿閥、回水閥等部分組成。采用注漿管與出漿管內(nèi)切與瓦斯抽采管的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“一管多用，多管合一”的目標(biāo)，消除了三角區(qū)域的漏漿通道，提升了抽采管、封孔囊袋以及孔壁間的氣密性，最大程度上提高了封孔段的注漿壓力，使得漿液有效滲透進(jìn)孔周裂隙，保障了封孔效果。

圖5 新型抽采鉆孔保壓封孔裝置示意圖Fig.5 Schematic diagrams of a new type of drainage borehole pressure maintaining and sealing device

2.3 注漿封孔工藝及原理

在對(duì)瓦斯抽采鉆孔封孔前，應(yīng)根據(jù)煤層附存及抽采鉆孔施工技術(shù)條件，合理選擇封孔裝置及參數(shù)。多孔抽采管的直徑一般為鉆孔直徑的0.6～0.8倍，封孔囊袋膨脹后的直徑一般為鉆孔直徑的1.05～1.1倍；注漿封孔段長(zhǎng)度及位置則需根據(jù)鉆孔施工巷道的塑性圈范圍進(jìn)行綜合確定，囊袋長(zhǎng)度為0.5 m，注漿段范圍盡量設(shè)計(jì)在巷道彈性區(qū)內(nèi)，且長(zhǎng)度不小于2 m。

采用該注漿裝置進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔封孔時(shí)，首先將封孔裝置送入孔內(nèi)指定位置，而后在孔口一側(cè)的多孔抽采管連接專用注漿與回水連接頭，通過(guò)注漿管與囊袋間的單向截止閥向囊袋內(nèi)進(jìn)行注漿，當(dāng)囊袋注滿后注漿壓力開(kāi)始逐步升高，使得囊袋進(jìn)一步膨脹，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔壁的第1次擠壓加固；當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，2個(gè)囊袋間的閥門開(kāi)啟并向注漿段注漿，注漿段內(nèi)多余的空氣通過(guò)回水閥與回水管排出，當(dāng)回水管中開(kāi)始流出漿液時(shí)，說(shuō)明注漿段內(nèi)漿液已完全充滿；關(guān)閉孔口回水閥，繼續(xù)提高注漿壓力至2 MPa，保持10 min后關(guān)閉孔口注漿閥，封孔結(jié)束，通過(guò)高壓漿液對(duì)鉆孔圍巖裂隙的充填，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔壁的第2次裂隙充填加固；此外，注漿材料選擇具有微膨脹特性的特細(xì)水泥，在漿液凝固過(guò)程中產(chǎn)生膨脹力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔壁及裂隙的第3次加固。通過(guò)封孔裝置給鉆孔提供的3次的主動(dòng)支護(hù)力，有效封堵鉆孔塑性區(qū)裂隙，保障了封孔效果。

3 工程實(shí)踐

3.1 試驗(yàn)工作面概況

新維煤礦新場(chǎng)井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，平硐（主、副平硐）加暗斜井開(kāi)拓方式，中央邊界式通風(fēng)，+431 m水平以上劃分為1個(gè)盤區(qū)，采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法由上至下依次開(kāi)采2#、3#以及8#煤層。3106綜采工作面位于新場(chǎng)井一盤區(qū)中部，走向長(zhǎng)度178 m，傾斜長(zhǎng)度485 m，東部為3104工作面采空區(qū)，西部為未開(kāi)采的3018工作面。工作面開(kāi)采的3#煤層瓦斯壓力0.35 MPa，瓦斯含量5.90 m3/t，透氣性系數(shù)0.877 3 m2/（MPa2·d）。3106綜采工作面回采前利用回風(fēng)巷施工順層瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。

3.2 封孔效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)新型保壓封孔裝置封孔效果，分別采用聚氨酯封孔、“兩堵一注”封孔以及新型保壓封孔等3種封孔方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。在工作面回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)計(jì)施工1組共15個(gè)水平鉆孔，鉆孔深度80 m，水平間距3 m，依次命名為1#～15#鉆孔。鉆孔施工完成后，每3個(gè)鉆孔為1組，分別采用3種不同的封孔方式進(jìn)行封孔。

為合理選擇封孔參數(shù)，確保封孔深度位于巷道彈性區(qū)范圍內(nèi)，采用煤鉆屑解吸指標(biāo)法對(duì)巷道塑性圈進(jìn)行測(cè)定；通過(guò)對(duì)15個(gè)鉆孔施工過(guò)程中鉆屑解吸指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在孔深10 m左右時(shí)，鉆屑指標(biāo)出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，因此將封孔深度設(shè)定為10 m，封孔段長(zhǎng)度為3 m；其中“兩堵一注”與新型保壓封孔裝置的囊袋長(zhǎng)度均為0.5 m，注漿段長(zhǎng)度均為2 m。封孔完成后，分別對(duì)采用相同封孔方式的5個(gè)鉆孔串孔連接抽采系統(tǒng)，并安裝測(cè)氣嘴與孔板流量計(jì)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1組鉆孔投抽后，每天對(duì)鉆孔瓦斯抽采濃度與流量觀測(cè)1次。通過(guò)對(duì)每5 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值，并按投抽時(shí)間繪制抽采濃度與瓦斯抽采純量的對(duì)比曲線，不同封孔方式瓦斯抽采濃度對(duì)比如圖6，瓦斯抽采純量對(duì)比曲線圖如圖7。

由圖6和圖7可以看出，在鉆孔投抽30 d后，聚氨酯封孔、“兩堵一注”封孔以及新型保壓封孔工藝的平均瓦斯抽采濃度分別為28.14%、33.43%、37.42%，平均抽采純量分別為0.17、0.21、0.25 m3/min。與聚氨酯封孔和兩堵一注封孔工藝相比，新型保壓封孔瓦斯抽采濃度分別提高32.98%和11.94%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高47.1%和19.05%。

圖6 不同封孔方式瓦斯抽采濃度對(duì)比Fig.6 Comparison of gas drainage concentration of different sealing methods

在鉆孔投抽60 d后，3種封孔工藝的平均瓦斯抽采濃度分別為16.77%、22.98%、34.54%，平均抽采純量分別為0.10、0.16、0.22 m3/min。與聚氨酯封孔和兩堵一注封孔工藝相比，新型保壓封孔瓦斯抽采濃度分別提高105.96%和50.30%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高120.0%和37.5%。

綜上所述，3種封孔方式的瓦斯抽采濃度與抽采純量均隨抽采時(shí)間呈逐漸衰減的趨勢(shì)，但新型保壓封孔工藝的衰減速度與其他2種封孔方式相比較為平緩，瓦斯抽采濃度在鉆孔投抽60 d后，仍能保持在30%以上，說(shuō)明新型保壓封孔裝置密封性能更好，能有效減少漏氣通道和孔內(nèi)負(fù)壓損失，提高鉆孔瓦斯抽采效率。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)巷道與鉆孔圍巖應(yīng)力與裂隙特征分析，提出瓦斯抽采鉆孔封孔的兩項(xiàng)基本原則，即將封孔位置選擇在巷道彈性區(qū)內(nèi)以及提高鉆孔徑向封孔壓力，可有效提升封孔效果。

2）設(shè)計(jì)了1款新型保壓封孔裝置，通過(guò)將注漿管、回漿管以及瓦斯抽采管一體化設(shè)計(jì)，避免了“兩堵一注”封孔裝置存在漏漿三角區(qū)的問(wèn)題，大幅度提高了注漿封孔壓力；同時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)封孔長(zhǎng)度和封孔位置，滿足精細(xì)化封孔的要求。

3）現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，與聚氨酯封孔和“兩堵一注”封孔工藝相比，新型保壓封孔工藝在瓦斯抽采鉆孔投抽30 d后，瓦斯抽采濃度分別提高32.98%和11.94%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高47.1%和19.05%；鉆孔投抽60 d后，抽采濃度分別提高105.96%和50.30%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高120.0%和37.5%。新型保壓封孔工藝在減少漏氣通道方面起到了良好效果，且投抽時(shí)間越長(zhǎng)效果越顯著。