煤層瓦斯抽采鉆孔失效分析及封孔技術(shù)優(yōu)化研究

李 攀

(潞安化工集團(tuán)漳村煤礦，山西 長治 046032)

引 言

瓦斯的開采工作是通過在借助已經(jīng)安裝在煤層中的抽氣管道來進(jìn)行的，這樣在開采過程中就能避免人員身處井下的開采空間，從而能大大減少瓦斯開采事故的發(fā)生次數(shù)。瓦斯作為一種綠色能源可以用于發(fā)電、取暖、供熱和燃燒等，所以瓦斯開采顯得尤為重要[1]。瓦斯抽采有很多種方式來進(jìn)行鉆孔布置，而在這些方式中順層鉆孔預(yù)抽方式是治理煤層瓦斯開采的重要手段。但這一手段也存在弊端，因?qū)︺@孔的封孔取位不當(dāng)、封孔的長度較短、封孔質(zhì)量較低等因素，導(dǎo)致約只有不到五分之一的以順層鉆孔方式開采的瓦斯?jié)舛葧?huì)在開采了一段時(shí)間后依然能保持初期濃度的80%以上，這一現(xiàn)象只能保障很低的煤層瓦斯預(yù)抽率。所以要保障瓦斯的抽采質(zhì)量需要從封孔質(zhì)量的提高入手，其帶來的好處主要有三方面:其他前提條件不變的情況下，能增加瓦斯的開采量，從而降低在煤層開采瓦斯時(shí)泄漏的瓦斯量，以此確保瓦斯開采的安全性高效性；可以將負(fù)壓抽取瓦斯的方式轉(zhuǎn)為由流動(dòng)動(dòng)能抽取瓦斯，進(jìn)而高效開采瓦斯；而且通過提高封孔的質(zhì)量，可進(jìn)一步保障所抽取的瓦斯?jié)舛?，開闊了瓦斯運(yùn)用途徑，同時(shí)減少了瓦斯開采危險(xiǎn)發(fā)生的概率，減少了瓦斯開采前的準(zhǔn)備時(shí)長[2-4]。要從導(dǎo)致煤層瓦斯鉆孔失誤的原因方面入手對鉆孔封堵嚴(yán)密是開采瓦斯的重要一環(huán)，也是提高瓦斯開采效果的重要因素。

1 瓦斯開采漏氣原理

1.1 巷道松動(dòng)圈漏氣的原理

根據(jù)距離巷道由近及遠(yuǎn)壁面圍巖可以依次分為松動(dòng)圈、塑性q區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。鉆孔的孔口在巷道圍巖的各個(gè)區(qū)域里都分布著封孔口，這一現(xiàn)象會(huì)極大地影響封閉鉆孔的質(zhì)量。滲透性是其他巖層滲透區(qū)的1倍～3倍的完全滲流區(qū)也稱松動(dòng)圈，其裂痕呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)巷道里的空氣是呈自由流動(dòng)的狀態(tài)的。這一現(xiàn)象具有普遍性。

1.2 漏氣原因之封孔材料的質(zhì)量

黏土、水泥基、高水這三類材料是我國在瓦斯開采中經(jīng)常使用的封孔材料。但是水泥基材料有兩個(gè)缺點(diǎn)，分別是硬化收縮和凝固所需時(shí)間久。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，通常會(huì)和一些添加劑混合使用從而來改良水泥砂漿的弊端，增強(qiáng)封堵后的成效，而且配合加壓可能會(huì)得到更好的應(yīng)用效果[5-6]。

2 封孔效果的測試方法

按設(shè)定要求，在某個(gè)回風(fēng)順槽19～28聯(lián)巷之間按原有因素可正常開采瓦斯的情況下，更改封孔材料、封孔段長度和封孔堵頭等進(jìn)行多種方式的組合排列進(jìn)行測驗(yàn)。封孔方式選擇:為篩選出最佳封孔方式，先設(shè)想了18種不同的組合封孔方式，其中每種方式需要打5個(gè)孔，18種則共計(jì)90個(gè)，兩孔之間距離相距2.5 m，單組鉆孔之間隔20 m。測試每組的抽采負(fù)壓、抽采濃度以及抽采量。測試的順層鉆孔的不同封孔方式如第146頁圖1所示。

只有第1種和第17種方式采用礦上的水泥進(jìn)行封孔，從孔口向孔內(nèi)往下8 m為封孔深度，對于封孔管則不加以更換仍使用原有的，在兩堵一注壓力顯示正常后開始封孔。

圖1 順層鉆孔不同封孔方式布置圖

其他幾種方式都采用以A、B料封孔水泥在孔口向下8 m進(jìn)行封孔的方式，封孔管的類型與上面一樣，在測試完兩堵一注后壓力仍正常后開始封孔。這18種封孔方式中任何一組的鉆孔鉆好后就開始測驗(yàn)，每組的封孔方式都依照計(jì)劃進(jìn)行。每組封孔結(jié)束后就開始連管，與系統(tǒng)開始開采。

3 對測試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

3.1 對比分析封孔段長度差異對效果的影響

抽采濃度不變對兩者進(jìn)行對比分析。采用礦上材料來封孔的第一組、第四組、第十二組及第十四組，但是其封孔距離不同分別是0 m～8 m、0 m～12 m、8 m～16 m、0～16 m，現(xiàn)實(shí)運(yùn)作測出的封孔數(shù)據(jù)結(jié)果由圖2展示。

圖2 不同封孔工藝抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

而同是采用新材料加囊袋進(jìn)行封孔的第三組、第七組、第十一組及第十六組分別采用的封孔距離是0 m～8 m、0 m～12 m、8 m～16 m、0～16 m，4組的瓦斯開采濃度繪制成圖后進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖3所示。

圖2、圖3可得出的結(jié)論是，8 m～16 m的距離進(jìn)行封孔最佳，0 m～8 m則比0 m～12m封孔效果更好，這些數(shù)據(jù)表明存在著最佳的封孔距離。

圖3 不同封孔工藝抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D

3.2 影響瓦斯開采原因之鉆孔變形

除了由于挖掘巷道時(shí)上下板壓迫煤層導(dǎo)致煤層側(cè)漏氣以及在打孔時(shí)鉆孔附近出現(xiàn)裂縫，而導(dǎo)致漏風(fēng)這兩種漏風(fēng)原因，導(dǎo)致鉆孔瓦斯無效開采外，鉆孔的失穩(wěn)變形也會(huì)導(dǎo)致鉆孔瓦斯開采的失效。關(guān)于礦井瓦斯的開采過程方面的問題有兩個(gè)，分別是動(dòng)力和阻力，為開采瓦斯提供動(dòng)力的是瓦斯抽采泵，阻力指的的在開采中不透氣的煤巖體和瓦斯對煤體強(qiáng)力吸附等。由于開采中存在阻力，這使有限的動(dòng)力只對一定范圍內(nèi)的瓦斯有作用，這一范圍被稱為抽采半徑。在負(fù)責(zé)抽采的管道口附近，或其他抽取手段抽取，先抽出的都是游離狀態(tài)的瓦斯，抽采半徑內(nèi)的瓦斯最先被抽出，較遠(yuǎn)地方的瓦斯在補(bǔ)給過程中受煤體介質(zhì)的阻力影響會(huì)延緩運(yùn)送實(shí)效，因此會(huì)造成單位時(shí)間內(nèi)瓦斯含量降低，局部抽采負(fù)壓升高。造成這一影響擴(kuò)大的原因還有鉆孔縮頸、變形、孔壁坍塌等，這就加大了密封鉆孔的困難程度，極不利于提高抽采效率。由此要緊抓鉆孔的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，封孔長度并不是長就一定好，封孔長度有其定義的最佳數(shù)值，在進(jìn)行封孔長度一定的情況下采用不同的封孔材料的試驗(yàn)時(shí)，新材料的應(yīng)用具有更好的效果。