順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度及注漿參數(shù)研究

牛心剛，國林東

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

我國煤炭資源豐富、分布范圍廣泛、賦存條件復(fù)雜，高瓦斯礦井?dāng)?shù)量占比較大，其煤層主要呈現(xiàn)地應(yīng)力高、瓦斯含量高、瓦斯壓力高、滲透性低的特征，煤層瓦斯治理難度大[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦中約有2/3數(shù)量的瓦斯抽采鉆孔密封性差，影響了煤層瓦斯抽采效果，給礦井生產(chǎn)帶來安全隱患[4-6]。

眾多學(xué)者圍繞提升鉆孔密封質(zhì)量進(jìn)行深入研究，對封孔工藝進(jìn)行優(yōu)化，形成了“兩堵一注”封孔[7]、囊袋式封孔[8]、二次封孔[9]、封隔一體化封孔[10]及高效綜合封孔等工藝[11]。陳賓[12]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件并結(jié)合封孔質(zhì)量檢測儀判斷鉆孔漏氣位置，確定了合理的封孔深度；婁振等[13]采用鉆屑指標(biāo)法分析巷道裂隙“三帶”分布情況，并進(jìn)行不同封孔深度的對比試驗(yàn)確定了最佳封孔深度；喬元棟等[14]建立了順層鉆孔漏氣模型并運(yùn)用COMSOL軟件分析鉆孔“三帶”分布及主要漏氣通道；倪冠華等[15]利用掃描電子顯微鏡分別對聚氨酯、PD復(fù)合材料的滲透擴(kuò)散形式進(jìn)行了微觀分析，結(jié)果表明選用PD復(fù)合材料能夠達(dá)到較好的密封效果；翟成等[16]研發(fā)了柔性膏體材料，確定了最佳料水比，提高了封孔材料的膨脹性及密封性，從而提升了鉆孔封孔效果。

鉆孔密封效果主要受封孔深度及注漿參數(shù)影響，確定合理的封孔深度及注漿參數(shù)是確保鉆孔封孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素[17-19]。筆者擬通過相關(guān)研究，為提高鉆孔封孔質(zhì)量提供指導(dǎo)。

1 工程概況及鉆孔漏氣分析

1.1 工程概況

貴州五輪山煤礦首采層8#煤層的煤體最高破壞類型為Ⅲ類，瓦斯含量為18.58 m3/t，最大瓦斯壓力為3.0 MPa，最小煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.52，ΔP=16.4，透氣性系數(shù)λ=0.000 2～0.106 1 m2/(MPa2·d)，8#煤層屬于較難抽放煤層。抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)為30%左右，百米順層鉆孔抽采瓦斯純流量為0.01～0.05 m3/min。抽采瓦斯?jié)舛人p較快，抽采效果較差，鉆孔封孔漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 鉆孔漏氣影響因素分析

抽采瓦斯鉆孔封孔段存在漏氣通道是造成抽采瓦斯?jié)舛?、抽采效率降低的主要原因，煤體特征、巷道及鉆孔施工情況、封孔設(shè)備及參數(shù)等因素共同影響鉆孔封孔質(zhì)量[20]。

封孔段漏氣主要分為巷道裂隙帶漏氣、鉆孔裂隙帶漏氣、孔壁邊緣漏氣、封孔段材料漏氣4類，鉆孔漏氣通道示意圖如圖1所示。

1—巷道裂隙帶漏氣；2—鉆孔裂隙帶漏氣；3—孔壁邊緣漏氣；4—封孔段材料漏氣。

1811回采工作面運(yùn)輸巷道為煤巷且斷面較大，順層抽采瓦斯鉆孔封孔段處于巷道應(yīng)力影響范圍區(qū)，產(chǎn)生巷道裂隙帶漏氣。由于煤體屬于軟煤且親水性較高，在鉆孔施工過程中鉆孔塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆孔孔壁發(fā)生離層變形，周圍易產(chǎn)生鉆孔裂隙帶漏氣。鉆孔封孔采用傳統(tǒng)的“兩堵一注”方式，兩端堵頭為聚氨酯封孔材料，封孔材料為水、水泥、滑石粉，其質(zhì)量配比為10∶8∶2，封孔注漿壓力為1.2 MPa。由于封孔壓力較低，同時(shí)封孔材料中缺少膨脹劑、保水劑等配劑，封孔段注漿不充分及封孔材料性能不足易造成孔壁邊緣及封孔段材料內(nèi)部漏氣。

2 鉆孔應(yīng)力分布規(guī)律研究

2.1 理論分析

抽采瓦斯鉆孔封孔的關(guān)鍵技術(shù)是封孔深度的確定及對煤體裂隙的密封。鉆孔周圍應(yīng)力分布如圖2所示。

p0—原巖應(yīng)力；σθ—切向應(yīng)力；σr—徑向應(yīng)力；pi—支護(hù)阻力；R0—孔洞半徑;Rs—卸壓區(qū)半徑；Rp—塑性區(qū)半徑；Re—彈性區(qū)半徑。

鉆孔在軸向及徑向分別受到巷道及自身開挖應(yīng)力的影響，因此需確定鉆孔軸向及徑向上應(yīng)力的影響范圍，以確定封孔參數(shù)。

依據(jù)巖石力學(xué)強(qiáng)度理論，煤體破壞服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，其應(yīng)力本構(gòu)解析方程為：

(1)

式中：fs為應(yīng)力解；σ1為主應(yīng)力，MPa；σ3為水平應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；C為黏聚力，MPa。

為了簡化鉆孔應(yīng)力區(qū)影響范圍計(jì)算公式，依據(jù)巖石彈塑性力學(xué)模型將三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為平面問題進(jìn)行分析。

由巖石彈塑性力學(xué)模型可知巖石的應(yīng)力平衡方程，見式(2)：

(2)

式中r為應(yīng)力影響半徑，m。

在彈塑性區(qū)邊界處煤體達(dá)到塑性破壞條件，見式(3)：

(3)

結(jié)合應(yīng)力本構(gòu)方程、平衡方程、塑性方程，可求得塑性區(qū)半徑，見式(4)：

(4)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]所述卸壓區(qū)與塑性區(qū)邊界條件，求得卸壓區(qū)半徑，見式(5)：

(5)

在工程實(shí)踐中，認(rèn)為孔洞開挖后圍巖內(nèi)應(yīng)力相較于原巖應(yīng)力的變化影響范圍約為±5%原巖應(yīng)力。由圖2可以看出，在彈性區(qū)邊界有σr=σθ，即：

(6)

根據(jù)式(6)計(jì)算彈性區(qū)影響半徑，見式(7):

Re=5R0

(7)

依據(jù)8#煤層物理力學(xué)特征參數(shù)，可分別求得巷道卸壓區(qū)半徑Rs=2.06 m、塑性區(qū)半徑Rp=4.14 m、彈性區(qū)半徑Re=10.00 m，鉆孔卸壓區(qū)半徑Rs=0.17 m、塑性區(qū)半徑Rp=0.25 m、彈性區(qū)半徑Re=0.34 m。

2.2 數(shù)值模擬研究

以8#煤層為地質(zhì)背景，建立巷道及鉆孔開挖數(shù)值分析模型。8#煤層埋深約450 m，頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。巷道模型頂部采用上覆巖層自重壓力邊界，側(cè)壓系數(shù)為0.8，其余邊界設(shè)為固定支座約束邊界。鉆孔模型采用等圍壓應(yīng)力。

巷道施工后，其周圍煤巖體會(huì)發(fā)生不同程度的塑性破壞。由于巷道斷面尺寸較大，其塑性破壞范圍呈蝴蝶狀分布，左右兩幫破壞范圍較大且呈對稱分布，頂?shù)装灏l(fā)生破壞范圍較小，如圖3所示。

圖3 巷道圍巖塑性破壞云圖

在等圍壓應(yīng)力狀態(tài)下鉆孔施工后，其周圍煤巖體發(fā)生塑性破壞的形態(tài)為圓形，破壞范圍在鉆孔徑向方向上均勻分布，如圖4所示。

圖4 鉆孔塑形破壞云圖

為了更好地確定巷道及鉆孔的應(yīng)力影響范圍，在數(shù)值分析模型中心布置監(jiān)測線，提取監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制應(yīng)力—位移變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 巷道應(yīng)力—位移監(jiān)測曲線

圖6 鉆孔應(yīng)力—位移監(jiān)測曲線

由圖5可知，巷道煤壁向圍巖內(nèi)部延伸，總應(yīng)力值呈現(xiàn)由低到高再緩慢降到穩(wěn)定值的變化趨勢。在距巷道壁2.0 m范圍內(nèi)總應(yīng)力呈現(xiàn)緩增，超過2.0 m到3.3 m范圍內(nèi)總應(yīng)力急劇上升至最大峰值21.9 MPa，隨后在15.0 m處降到原巖應(yīng)力，約為15.3 MPa。另外，水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力變化亦呈現(xiàn)相似分布特征。巷道周圍煤體總位移在煤壁處達(dá)到最大值 13.50 mm，延伸至4.0 m處總位移急劇下降至最小值0.80 mm，隨后總位移有所增加再漸緩下降，在超過15.0 m后總位移處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可大致判斷，距離巷道2.0 m范圍內(nèi)為卸壓區(qū)、超過2.0 m至4.0 m范圍內(nèi)為塑性區(qū)、超過4.0 m至15.0 m范圍內(nèi)為彈性區(qū)，超過15.0 m范圍內(nèi)為原巖應(yīng)力區(qū)。

由于鉆孔尺寸較小，其周圍應(yīng)力可被視為等圍壓狀態(tài)，僅監(jiān)測煤體的總應(yīng)力及總位移即可。由圖6可知，在煤層中施工鉆孔后，鉆孔總應(yīng)力在0.14 m處達(dá)到最大值20.1 MPa，在0.40 m處總應(yīng)力下降至19.3 MPa，在0.50 m后其總應(yīng)力趨于穩(wěn)定；總位移在卸壓區(qū)由最大值1.90 mm驟降至0.60 mm，隨后緩慢降至0.10 mm。由此，可確定距鉆孔孔壁0.20 m范圍內(nèi)為卸壓區(qū)、超過0.20 m至0.40 m范圍內(nèi)為塑性區(qū)、超過0.40 m至0.50 m范圍內(nèi)為彈性區(qū)，超過0.50 m范圍為原巖應(yīng)力區(qū)。

2.3 鉆屑量分析

采用鉆屑量分析法分析煤層巷道圍巖內(nèi)煤體的破碎范圍，以確定封孔深度。在煤層巷道中部布置 6個(gè)試驗(yàn)鉆孔(S1#～S6#)，鉆屑量效檢鉆孔采用直徑為42 mm的煤電鉆施工，深度為15 m。記錄鉆進(jìn)過程的排渣量，繪制曲線圖，如圖7所示。

圖7 單位進(jìn)尺鉆孔鉆屑量統(tǒng)計(jì)曲線

由圖7可知，各試驗(yàn)鉆孔的單位進(jìn)尺排渣量統(tǒng)計(jì)曲線與應(yīng)力分布特征相近似，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。由鉆屑量擬合曲線可知，在0～2 m內(nèi)煤體破碎嚴(yán)重，鉆屑量較少，為卸壓區(qū)。單位進(jìn)尺平均煤屑量在2～6 m內(nèi)升至最大值，約為6.3 kg/m；在超過6 m至15 m范圍內(nèi)線性降低，至15 m處趨于穩(wěn)定。由此可判斷巷道彈性區(qū)范圍為6～15 m。

綜合分析，可確定鉆孔的封孔深度及注漿擴(kuò)散半徑應(yīng)當(dāng)超過開挖孔洞周圍的塑性區(qū)，達(dá)到彈性區(qū)，即封孔深度應(yīng)為10～15 m，合理注漿擴(kuò)散半徑為0.40～0.50 m。

3 封孔注漿參數(shù)研究

3.1 封孔材料優(yōu)化

目前，抽采瓦斯鉆孔封孔材料普遍采用水泥砂漿材料，盡管該類材料成本低，但其性能方面存在不足。因此，遵循封孔材料應(yīng)具備膨脹性、抗壓性、保水性及流動(dòng)性原則，對封孔材料進(jìn)行優(yōu)化，在封孔材料中添加膨脹劑、保水劑等成分以確保鉆孔密封效果。新型封孔材料質(zhì)量配比如表2所示。

表2 新型封孔材料質(zhì)量配比

為了驗(yàn)證新型封孔材料的性能，分別對水泥砂漿(A)、新型封孔材料(B)在水灰質(zhì)量比8∶10條件下的力學(xué)強(qiáng)度、膨脹性、黏度、終凝時(shí)間4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試對比。封孔材料性能對比如圖8 所示。

圖8 封孔材料性能對比圖

由圖8可知，新型封孔材料的抗壓強(qiáng)度提升了20 MPa，膨脹率增加了20%，黏度降低了23%，終凝時(shí)間縮短5 h。試驗(yàn)表明，新型封孔材料具有較好的抗壓性、膨脹性及流動(dòng)性，有效縮短凝固時(shí)間，可有效提升封孔的密封性。

3.2 注漿壓力研究

基于達(dá)西公式推導(dǎo)封孔料漿在一定注漿壓力下的柱面擴(kuò)散公式，見式(8)：

(8)

H=p/(ρgg)

(9)

式中：rg為注漿擴(kuò)散半徑，m；k為煤體滲透系數(shù)，m/s；H為漿液深度，m；t為注漿時(shí)間，s；q為煤體孔隙率，%；β為漿液與水的黏度比；rmax為最大擴(kuò)散半徑，m；r1為注漿管半徑，m；p為注漿壓力，MPa；ρg為漿液密度，kg/m3;g為重力加速度，g=9.8 N/kg。

蔣偉成等[22]基于柱面擴(kuò)散理論，建立了注漿擴(kuò)散的時(shí)間計(jì)算公式，見式(10)：

(10)

依據(jù)現(xiàn)場注漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合注漿柱面擴(kuò)散理論，建立注漿壓力與孔徑、注漿擴(kuò)散半徑的經(jīng)驗(yàn)公式，見式(11)：

(11)

式中：pg為鉆孔注漿壓力，MPa；γ為注漿修正系數(shù)，取1.2；ψ為裂隙張開度，取0.05 cm。

合理的注漿壓力既可確保封孔漿液對周圍煤體裂隙的封堵，又可防止封孔壓力過高導(dǎo)致漏漿造成封孔材料浪費(fèi)。依據(jù)公式(11)計(jì)算，得到合理的注漿壓力為1.5 MPa。

3.3 注漿量計(jì)算

通過計(jì)算得到合理注漿量，有利于避免封孔時(shí)依靠現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)判斷造成的材料浪費(fèi)，可節(jié)省鉆孔封孔成本。鉆孔封孔注漿空間主要由封孔段空間及鉆孔周圍裂隙注漿體積兩部分構(gòu)成，得到注漿量理論計(jì)算公式，見式(12):

(12)

式中：Vg為注漿量，m3；Φ為注漿冗余系數(shù)，取1.2；Vk為封孔段注漿空間，m3；Vl為鉆孔破碎帶注漿空間，m3；L為封孔段長度，m；rc為抽采管半徑，取0.025 m。

經(jīng)計(jì)算鉆孔注漿量約為0.3 m3。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

基于上述研究，確定合理封孔深度為10～15 m、合理注漿壓力為1.5 MPa、注漿量為0.3 m3。選擇在1811回采工作面運(yùn)輸巷道對工作面施工順層抽采瓦斯鉆孔，進(jìn)行封孔工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)鉆孔布置如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)鉆孔布置示意圖

本次試驗(yàn)共選取16個(gè)試驗(yàn)鉆孔，孔深為100 m、鉆孔直徑為113 mm，共分為4組。F1組為礦方采用原有的封孔方法作為對照組。F2、F3、F4組鉆孔為試驗(yàn)組，具體封孔參數(shù)見表3。

表3 封孔試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)鉆孔采用“兩堵一注”式封孔工藝，如圖10所示。

圖10 封孔工藝示意圖

封孔段兩端采用FKJW-230/1.6型囊袋式封孔器，囊袋長度為1 m。依據(jù)表3中封孔參數(shù)，使用注漿設(shè)備以指定壓力將封孔材料壓注到封孔空間，完成鉆孔密封。待封孔漿液凝固后，將抽采管并入抽采網(wǎng)路抽采煤層瓦斯。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采集了各組試驗(yàn)鉆孔連續(xù)45 d的抽采瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)并繪制擬合曲線，以更好地對比分析不同參數(shù)條件下的鉆孔封孔效果。試驗(yàn)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)變化曲線如圖11所示。

(a)F1組鉆孔

由圖11可知，F(xiàn)1、F2組試驗(yàn)鉆孔在考察期間的抽采瓦斯?jié)舛惹捌谒p速率較快，下降幅度較大，大約30 d后其抽采瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定并且保持在10%左右；F3、F4組試驗(yàn)鉆孔在考察期間的抽采瓦斯?jié)舛认陆捣葹?0%左右，其衰減速率相比于F1、F2組試驗(yàn)鉆孔較小，30 d后其抽采瓦斯?jié)舛热员３衷?0%左右。

由數(shù)據(jù)分析可知，F(xiàn)1、F2、F3、F4組試驗(yàn)鉆孔其日平均抽采瓦斯?jié)舛确謩e為32.0%、25.0%、56.4%、57.6%。為了進(jìn)一步對比各試驗(yàn)鉆孔的封孔效果，繪制了各組試驗(yàn)鉆孔的平均抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D，如圖12所示。

圖12 各試驗(yàn)組鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖12可知，F(xiàn)3、F4組鉆孔相較于F1、F2組鉆孔抽采瓦斯?jié)舛蕊@著提升，抽采瓦斯?jié)舛忍嵘s30%，衰減速率較小。

綜上分析，F(xiàn)3、F4組試驗(yàn)鉆孔密封性較好，抽采瓦斯?jié)舛容^高且衰減速率較小。綜合考慮封孔經(jīng)濟(jì)因素，F(xiàn)3組試驗(yàn)鉆孔較F4組試驗(yàn)鉆孔封孔深度短 5 m，封孔成本較低。因此，封孔深度為15 m，注漿壓力為1.5 MPa參數(shù)條件下，鉆孔密封性較好。

5 結(jié)論

1)根據(jù)貴州五輪山煤礦8#煤層賦存特征及原有封孔方式，分析了封孔質(zhì)量影響因素，并將鉆孔漏氣形式劃分為巷道裂隙帶漏氣、鉆孔裂隙帶漏氣、孔壁邊緣漏氣、封孔段材料漏氣4類。

2)采用巖石力學(xué)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，對鉆孔周圍應(yīng)力分布規(guī)律開展研究，確定 8#煤層的合理封孔深度為10～15 m，合理注漿擴(kuò)散半徑為0.40～0.50 m。

3)對封孔材料進(jìn)行優(yōu)化，新型封孔材料相較于水泥砂漿封孔材料其抗壓強(qiáng)度提升了20 MPa，膨脹率增加了20%，黏度降低了23%，終凝時(shí)間縮短5 h。確定合理的注漿壓力為1.5 MPa，注漿量為0.3 m3。

4)現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明，順層抽采瓦斯鉆孔合理封孔深度為15 m、注漿壓力為1.5 MPa、注漿量為0.3 m3。鉆孔日平均抽采瓦斯?jié)舛忍嵘s30%，衰減速率明顯降低。