馬蘭礦大直徑瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)優(yōu)化研究

徐鵬飛

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦目前主采8#煤層，厚度3.80～4.80 m，均厚約4.43 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a，礦井工業(yè)廣場(chǎng)位于山西省古交市西南15 km。18502工作面設(shè)計(jì)利用輔運(yùn)巷、皮帶巷施工順層鉆孔對(duì)該面進(jìn)行本煤層抽采，從巷道里程1190 m 開(kāi)始至里程110 m 結(jié)束，工作面傾斜長(zhǎng)度320 m，兩側(cè)巷道內(nèi)順層鉆孔長(zhǎng)度170 m，鉆孔直徑113 mm，鉆孔水平間距8 m，兩側(cè)鉆孔交替布置。工作面巷道布置及皮帶巷一側(cè)順層鉆孔布置詳情見(jiàn)圖1 所示。封孔工藝：采用袋裝聚氨酯封孔。鉆孔施工完畢后，鉆機(jī)及時(shí)向孔內(nèi)推入規(guī)格3 m4 寸PVC 套管（全程使用PVC 管，下套管深度以套管底端進(jìn)入穩(wěn)定巖層為準(zhǔn)），在套管距孔口0.5 m、3 m、5 m、7 m 處分別捆綁一道封孔膠，每道封孔膠不少于4 袋，封孔深度6.6 m。待封孔膠充分反應(yīng)后，在孔口200 mm 段用水泥砂漿進(jìn)行固孔。結(jié)合南五下組煤已采8#煤工作面抽采效果預(yù)測(cè)，采用袋裝聚氨酯封孔前期封孔效果良好，但是抽采約10 d 后，抽采濃度急速下降，導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)、需施工補(bǔ)充抽采鉆孔等問(wèn)題。

圖1 18502 巷道及順層鉆孔布置示意圖（m）

2 非凝固膏體材料封孔技術(shù)原理

參考相關(guān)研究成果[1]，非凝固膏體材料封孔技術(shù)實(shí)質(zhì)是在固體封孔基礎(chǔ)上加上液體封孔段，其技術(shù)原理如圖2。每個(gè)鉆孔通過(guò)三個(gè)固體封孔段+兩個(gè)非固體封孔段進(jìn)行封閉，三個(gè)固體封孔段形成兩個(gè)密閉空間A、B。首先注入可凝固封孔材料形成三個(gè)固體封孔段，然后在密閉空間A 中注入非凝固封孔材料，固體密封段兼具封堵瓦斯及非凝固膏體材料的作用。非凝固材料在壓力作用下向鉆孔周?chē)扑槊后w內(nèi)滲透，起到阻隔瓦斯?jié)B漏通路的效果。一次封孔完成后，即具備瓦斯抽采條件，抽采一段時(shí)間后，再向密閉空間B 內(nèi)注入非凝固封孔材料，起到二次封孔的效果。后續(xù)瓦斯抽采過(guò)程中，當(dāng)封孔效果下降時(shí)，可重復(fù)多次注入非凝固膏體材料，起到多次封孔的作用。

圖2 非凝固膏體封孔技術(shù)原理圖

3 膏體材料合理注漿壓力、黏度模擬研究

非凝固膏體材料封孔技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵影響因素包括封孔長(zhǎng)度、非凝固膏體材料滲透半徑、注漿壓力等[2-3]。為保證膏體封孔材料能夠滲透至鉆孔周?chē)后w內(nèi)破碎帶邊界，且避免膏體漿液流失過(guò)快，非凝固膏體材料既需要有良好的滲透性同時(shí)也需要具有一定的黏度。為選擇更適合馬蘭礦18502 工作面的封孔注漿壓力和漿液黏度，依據(jù)馬蘭礦8#煤層相應(yīng)物理參數(shù)利用COMOSL 仿真數(shù)值模擬軟件建立模型。為保證模擬方案的可行性，以一個(gè)鉆孔為研究對(duì)象，模型為高11 m、寬12 m 的矩形，模型四周邊界均為不透水邊界，煤層孔隙率0.08，滲透率2×10-10，煤層密度1350 kg/m3，圓形鉆孔界面位于模型中央，直徑113 mm，模型如圖3（a）。設(shè)計(jì)非凝固膏體材料黏度分別為0.05、0.01、0.015、0.03、0.05、0.075、0.1、0.13、0.16、0.2、0.25 Pa·s，組別編號(hào)為1～11 組?？紤]到馬蘭礦采用的袋裝聚氨酯封孔器耐壓小于2 MPa，設(shè)計(jì)注漿壓力為0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.5 MPa 四組，注漿時(shí)間為30 min，觀測(cè)漿液影響范圍，整理得到圖3（b）所示結(jié)果。

根據(jù)圖3（b）可以看出，隨著注漿壓力的增大，各黏度條件下漿液的影響半徑均呈增大趨勢(shì)。不同壓力條件下，黏度編號(hào)1～6 組漿液影響半徑存在明顯的差值，表明此時(shí)漿液黏度小，0.8～1.5 MPa 注漿壓力均滿(mǎn)足漿液滲流的需求；黏度編號(hào)7～11 組影響半徑基本無(wú)差異，說(shuō)明此時(shí)漿液黏度過(guò)大，注漿壓力均不滿(mǎn)足動(dòng)力條件。綜合考慮滲透效果、粘結(jié)效果、流失時(shí)間等因素，確定合理的漿液黏度為2～4 組，即0.01～0.03 Pa·s。對(duì)比分析不同壓力條件下各黏度組擴(kuò)散半徑提升幅度，0.8 MPa 與1.0 MPa影響半徑隨漿液黏度變化曲線僅在第二組黏度條件下存在明顯的差異，表面注漿壓力由0.8 MPa 提高至1.0 MPa，漿液擴(kuò)散效果提升不明顯；注漿壓力為1.2 MPa 時(shí)，相對(duì)于1.0 MPa 對(duì)應(yīng)黏度第1～3 組、5 組、6 組條件下的影響半徑均顯著增大，且增幅明顯大于注漿壓力1.5 MPa。綜合考慮注漿設(shè)備要求等現(xiàn)場(chǎng)施工因素，選取1.2 MPa 為最優(yōu)注漿壓力。

圖3 數(shù)值模型及模擬結(jié)果

4 實(shí)體煤幫破碎區(qū)深度實(shí)測(cè)

參閱相關(guān)研究成果可知[4]，回采巷道掘進(jìn)后，擾動(dòng)了巷道周?chē)后w內(nèi)的原始應(yīng)力分布平衡，實(shí)體煤幫由淺至深形成破碎區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。破碎區(qū)煤體破碎嚴(yán)重，該區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工時(shí)存在塌孔、堵孔的風(fēng)險(xiǎn)，且瓦斯抽采過(guò)程中存在漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，是導(dǎo)致抽采鉆孔瓦斯抽采濃度降低的重要因素，因此抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于破碎區(qū)深度。根據(jù)破碎區(qū)透氣性較好的特性，設(shè)計(jì)圖4（a）所示的測(cè)定原理，采用兩個(gè)密封囊袋在不同鉆孔深度形成封閉空間，在該空間注入等壓氣體，根據(jù)氣體注入量的變化來(lái)判斷煤體的破碎程度。在18502 輔運(yùn)巷施工3 個(gè)測(cè)試鉆孔，孔深16 m，直徑113 mm，深度每增加1 m 作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，密封膠囊內(nèi)注水壓力2.5 MPa，封堵空間內(nèi)氣體注入壓力0.5 MPa，通過(guò)流量計(jì)讀取氣體注入量，整理得到圖4（b）所示結(jié)果。

圖4 破碎區(qū)深度測(cè)試原理及結(jié)果

由氣體流量隨鉆孔深度變化曲線可以看出，三個(gè)鉆孔氣體流量均隨著深度增大呈減小趨勢(shì)。密閉空間中心深度由1.5 m 至5.5 m，氣體流量減小了20%，表明巷幫0～5.5 m 范圍內(nèi)煤體破碎程度高，透氣性較好；深度9.5 m 與5.5 m 相比，三個(gè)鉆孔的氣體流量平均減小72%，表明該區(qū)域煤體破壞程度逐漸降低，裂隙大小、數(shù)量均顯著減小，表明該區(qū)域?yàn)槠扑閰^(qū)至原巖應(yīng)力區(qū)的過(guò)渡帶；深度在10.5 m 及以上時(shí)，三個(gè)鉆孔氣體流量均保持在較低的水平，表明該區(qū)域煤體處于原巖應(yīng)力區(qū)。由此說(shuō)明大直徑瓦斯抽采鉆孔封孔深度應(yīng)不小于11 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固密封膏封孔技術(shù)的封孔效果，在馬蘭礦18502 輔運(yùn)巷進(jìn)行新封孔技術(shù)和傳統(tǒng)袋裝聚氨酯封孔的抽采效果對(duì)比分析。測(cè)試鉆孔布置如圖4，1#～5#鉆孔采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔技術(shù)，封孔長(zhǎng)度13 m，袋裝聚氨酯注入壓力為2 MPa。瓦斯抽采15 d 后，在第一個(gè)密封空腔內(nèi)注入非凝固膏體材料，壓力1.2 MPa，黏度0.02 Pa·s，抽采30 d 后再向第二個(gè)密閉空腔內(nèi)注入膏體材料，完成二次封孔。6#孔采用水泥密封，7#、8#孔采用袋裝聚氨酯封孔。監(jiān)測(cè)1#～8#抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，整理得到圖5 所示結(jié)果。

圖5 測(cè)試鉆孔布置示意圖（m）

由圖6 可以看出，抽采1～15 d，1#～8#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛然揪３衷?0%以上，各鉆孔間瓦斯?jié)舛炔町惒淮螅怀椴?5～30 d 期間，1#～4#鉆孔瓦斯?jié)舛染３衷?0%以上，6#鉆孔瓦斯?jié)舛冉抵?0%，7#、8#降至35%左右；抽采30～50 d 期間，1#～4#鉆孔瓦斯?jié)舛热员３衷?0%左右，6#鉆孔瓦斯?jié)舛缺３衷?0%，7#、8#鉆孔降至30%。抽采15 d 后，水泥封孔已基本失效，抽采15～30 d 期間，采用袋裝聚氨酯封孔效果迅速降低，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度不斷降低，無(wú)法滿(mǎn)足礦井瓦斯抽采濃度的要求。采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔效果良好，相對(duì)傳統(tǒng)封孔方式可有效提高瓦斯抽采濃度15%～40%，保障平均抽采濃度在50%以上，滿(mǎn)足工作面瓦斯抽采要求。

圖6 鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖

6 結(jié)論

大直徑抽采鉆孔采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔技術(shù)可有效解決封孔效果迅速衰減的問(wèn)題，結(jié)合馬蘭礦18502 工作面地質(zhì)條件，非凝固膏體的合理黏度范圍為0.01～0.03 Pa·s，最佳注漿壓力1.2 MPa，巷幫煤體破碎區(qū)發(fā)育深度約為5.5 m，原巖應(yīng)力區(qū)深度為10.5 m，封孔長(zhǎng)度不應(yīng)小于11.0 m。袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔鉆孔瓦斯抽采濃度衰減率低，封孔效果良好，抽采瓦斯?jié)舛缺３衷?0%以上，能夠滿(mǎn)足礦井瓦斯抽采的要求。