煤層瓦斯抽采鉆孔強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)研究

孫守靖

(潞安化工集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

在煤炭開采過(guò)程中，瓦斯抽采是預(yù)防瓦斯災(zāi)害、保證煤礦安全生產(chǎn)的根本措施。在瓦斯抽采過(guò)程中，鉆孔封孔的有效性是高效抽采瓦斯的基礎(chǔ)[1-2]。

目前我國(guó)煤礦在鉆孔密封方面采用的鉆孔密封法主要有“兩堵一注”帶壓注漿法[3]、囊袋封孔法[4]、動(dòng)態(tài)密封法[5]及聚氨酯封孔[6]等方法，僅做到對(duì)孔周裂隙的初次及二次密封，無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封段孔周煤體裂隙的有效持續(xù)密封，沒(méi)有從根本上解決瓦斯抽采效率低的問(wèn)題[7]。

本文針對(duì)此問(wèn)題，提出采用強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)改善瓦斯抽采效果，解釋了強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)的密封原理并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，最終為實(shí)現(xiàn)采掘工作面精準(zhǔn)抽采提供參考。

1 強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)原理

20世紀(jì)80年代，周世寧院士[8]提出了主動(dòng)式測(cè)壓法，其基本原理是“固封液，液封氣”，即利用液體作為封孔物質(zhì), 解決固體物質(zhì)無(wú)法嚴(yán)密封閉鉆孔周圍裂隙的難題，在整個(gè)密封過(guò)程中，密封液的壓力始終略高于瓦斯的壓力, 從而阻斷瓦斯的泄漏[9]。在密封液液體段的兩端處用高強(qiáng)度水泥基材料進(jìn)行封堵，而密封液用柔性弱強(qiáng)度粘液密封材料,這樣就形成了用固體封堵液體、用液體封堵氣體的密封系統(tǒng)[10]。

原理表述具體為：①鉆孔密封段兩端強(qiáng)支護(hù)技術(shù)：在封孔段兩端采用較長(zhǎng)囊袋式注漿，通過(guò)注入一種具有膨脹性與早強(qiáng)性的密封材料，將整個(gè)鉆孔的封孔段全部支護(hù)起來(lái)；②鉆孔密封段中間弱支護(hù)強(qiáng)滲透技術(shù)：通過(guò)壓力注漿，使?jié){液粘結(jié)在孔壁煤裂隙上，在滲透壓力梯度的作用下，生成較強(qiáng)的粘結(jié)力，以便完全密封氣體泄漏通道；③動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)：壓力為0.3～ 0.4 MPa的高壓空氣將儲(chǔ)料罐內(nèi)的弱強(qiáng)度密封粘液通過(guò)注漿管壓入鉆孔內(nèi)，剩余部分的弱強(qiáng)度密封粘液會(huì)殘留在外罐內(nèi)并與孔內(nèi)粘液形成動(dòng)態(tài)均勻，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封[11]。

強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)結(jié)構(gòu)原理包括兩個(gè)系統(tǒng)：靜態(tài)注漿系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)注漿系統(tǒng)。靜態(tài)注漿系統(tǒng)的具體工藝為：把抽采管指定位置安置囊袋作為堵頭，通過(guò)帶有花眼的注漿管Ⅱ，把高強(qiáng)度水泥基固化漿液壓入鉆孔中固化封孔段，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L3。工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的具體封孔工藝為：高壓空氣以0.3～0.4 MPa的壓力把儲(chǔ)料罐中的弱強(qiáng)度密封粘液通過(guò)注漿管I壓入鉆孔內(nèi)，直到L2段被上述材料充滿，而剩余的部分弱強(qiáng)度密封粘液將殘留在外部料罐并與孔內(nèi)密封粘液形成動(dòng)態(tài)均勻，從而形成動(dòng)態(tài)密封。在瓦斯抽采負(fù)壓的作用下，弱強(qiáng)度密封粘液會(huì)滲入鉆孔封孔段周圍的煤體中，形成“固封液，液封氣”。通過(guò)以上注漿密封工藝增大裂隙中氣體的流動(dòng)阻力，阻隔外部空氣的導(dǎo)入，減少孔內(nèi)的漏風(fēng)量，從而提高鉆孔的瓦斯抽采濃度，改善瓦斯抽采效果，確保瓦斯抽采系統(tǒng)的高效性。

2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

2.1 工作面概況

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在潞安某礦2102工作面進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔為本煤層近水平瓦斯抽采鉆孔。工作面開采煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組下部的3號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。潞安某礦2102工作面傾斜長(zhǎng)度約270.56 m，走向長(zhǎng)度878.3 m，工作面可采長(zhǎng)度799.87 m，煤層瓦斯含量7.5～8.5 m3/t。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.2.1 鉆孔現(xiàn)場(chǎng)布置

為了考察強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，采用鉆孔組的方式進(jìn)行。共實(shí)驗(yàn)鉆孔數(shù)40個(gè)，其中新型密封技術(shù)試驗(yàn)孔20個(gè)，全囊袋注漿試驗(yàn)孔20個(gè)。封孔完成后，對(duì)40個(gè)孔的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了歷時(shí)1個(gè)月的監(jiān)測(cè)。其中鉆孔深度為120 m，傾角為0°，方位角185°，鉆孔間距2.5 m，鉆孔直徑為120 mm。

圖2 2102工作面鉆孔布置示意

2.2.2 鉆孔密封及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果分析

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔施工完成并密封后，對(duì)各個(gè)試驗(yàn)鉆孔及對(duì)比鉆孔每天的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，本煤層瓦斯抽采隨著時(shí)間推移，瓦斯?jié)舛葧?huì)慢慢降低，高濃度瓦斯抽采時(shí)間是衡量本煤層密封的重要手段之一，分別對(duì)40個(gè)鉆孔的30 d抽采濃度做了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)其平均抽采濃度進(jìn)行對(duì)比考核，如圖3所示。

圖3中實(shí)驗(yàn)孔與普通孔的瓦斯?jié)舛惹€是通過(guò)取每組數(shù)據(jù)的平均值所擬合得到的。從40個(gè)鉆孔的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)可以明顯看出，優(yōu)化孔的瓦斯?jié)舛染哂谄胀椎耐咚節(jié)舛取?號(hào)～5號(hào)強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封鉆孔瓦斯平均濃度為86.24%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?1.2%，濃度降低了25.04%；1號(hào)～5號(hào)礦用全囊袋式注漿密封鉆孔瓦斯平均濃度為65.2%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?4%，濃度降低了43.2%.

6號(hào)～10號(hào)強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封鉆孔瓦斯平均濃度為87.06%，1個(gè)月，其鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?8.98%，濃度降低了18.08%；6號(hào)～10號(hào)礦用全囊袋式注漿密封鉆孔瓦斯平均濃度為64.5%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?6.98%，濃度降低了37.52%.

11號(hào)～15號(hào)強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封鉆孔瓦斯平均濃度為84.78%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?5.54%，濃度降低了19.24%；6號(hào)～10號(hào)礦用全囊袋式注漿密封鉆孔瓦斯平均濃度為67.48%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?4.84%，濃度降低了42.64%.

16號(hào)～20號(hào)強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封鉆孔瓦斯平均濃度為84.62%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?4.24%，濃度降低了20.38%；6號(hào)～10號(hào)礦用全囊袋式注漿密封鉆孔瓦斯平均濃度為64.74%，1個(gè)月后，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?6.2%，濃度降低了38.54%.

為了進(jìn)一步對(duì)比兩種封孔方法的密封效果，選取瓦斯?jié)舛戎廨^具代表性的抽采流量(混量)進(jìn)行了對(duì)比分析，具體參數(shù)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在30 d內(nèi)，對(duì)比孔與試驗(yàn)孔的抽采混量呈下降趨勢(shì)，但相較于對(duì)比孔，試驗(yàn)鉆孔下降趨勢(shì)更為平緩。在30 d內(nèi)，試驗(yàn)孔平均抽采混量為0.026 49 m3/min，對(duì)比孔平均抽采混量為0.022 97 m3/min，即利用強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封工藝試驗(yàn)孔相較于礦用全囊袋式注漿工藝的普通孔抽采混量提升了15.32%；試驗(yàn)孔30 d內(nèi)抽采混量下降幅度為17.15%，第30日抽采混量均值為0.024 38 m3/min。而對(duì)比孔30 d內(nèi)抽采混量下降幅度為39.01%，第30日抽采混量均值為0.018 76 m3/min。顯然利用強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)密封的鉆孔的抽采混量及抽采濃度變化幅度要遠(yuǎn)小于礦用全囊袋式的對(duì)比孔，由此驗(yàn)證了強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)的優(yōu)越性。

表1 對(duì)比孔與試驗(yàn)孔30 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值

3 結(jié) 語(yǔ)

本文解釋了強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)的密封原理并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究，然后在潞安某礦2102工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。得出了以下結(jié)論：

1) 提出了強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)，通過(guò)用固體封堵液體、用液體封堵氣體的密封系統(tǒng)，增大裂隙中氣體的流動(dòng)阻力，阻隔外部空氣的導(dǎo)入，減少孔內(nèi)的漏風(fēng)量，提高鉆孔的瓦斯抽采濃度，改善了瓦斯抽采效果，確保了瓦斯抽采系統(tǒng)的高效性。

2) 實(shí)踐過(guò)程中，從40個(gè)鉆孔的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)可以明顯看出，優(yōu)化孔的瓦斯?jié)舛染哂谄胀椎耐咚節(jié)舛?。使用了?qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果顯著，與原有全囊袋式密封工藝對(duì)比瓦斯?jié)舛人p速度明顯降低且抽采濃度提高了20%以上。

3) 利用強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)密封的鉆孔的抽采混量及抽采濃度變化幅度要遠(yuǎn)小于礦用全囊袋式的對(duì)比孔，由此驗(yàn)證了強(qiáng)弱強(qiáng)新型密封技術(shù)的優(yōu)越性。