煤礦新型瓦斯抽采鉆孔保壓封孔技術研究

唐 杰

（晉能控股煤業(yè)集團寺河煤礦, 山西晉城 048000）

1 瓦斯抽采鉆孔的兩種應力及其對應的裂隙分布特征

1.1 鉆孔軸向應力和其裂隙分布特征

在煤礦中, 當開始挖掘其井下巷道時, 會破壞圍巖最初的應力形態(tài), 并再度分布其形態(tài), 集中應力的產(chǎn)生是由于對巷道進行挖掘造成的, 這種情況下, 煤體被破損的力度小于其集中應力, 有淺部的煤體靠近巷道的應力會由于破碎而下降, 其峰值逐漸轉移到深部, 從巷幫到圍巖的較深位置形成的應力區(qū)是原巖應力區(qū)、應力集中區(qū)、應力降低區(qū)。并且巷道圍巖的裂隙分布隨其應力的改變而改變, 巷道圍巖按照理論把巷道松動圈及相應的分布應力σ的情況分成原巖應力區(qū)、破碎區(qū)、彈性區(qū)和塑性區(qū), 圖1即為其彈塑性區(qū)和應力分布圖。

圖1 巷道圍巖彈塑性區(qū)及應力分布

在煤礦中, 因為硐室或巷道是其井下瓦斯抽采進行鉆孔工作的位置, 并相比較于巷道斷面, 對瓦斯抽采進行鉆孔, 其孔徑不大, 當對鉆孔的孔軸向應力分布進行探討時, 可以不考慮其能夠影響巷道的徑向應力。所以, 巷道和鉆孔對應的徑相應力、軸向應力的分布是相同的, 都是原巖應力區(qū)、應力集中區(qū)、卸壓區(qū)。圖2即為瓦斯抽采鉆孔的軸向應力分布圖。

圖2 瓦斯抽采鉆孔軸向應力分布

在煤體中, 在卸壓區(qū)內的部分峰值應力自巷道的外表逐漸轉移至深部的全過程都經(jīng)歷了, 這就造成有破碎現(xiàn)象出現(xiàn)在煤體中, 與巷道的破碎區(qū)相對應；峰前應力集中區(qū)與峰后應力集中區(qū)構成了應力集中區(qū), 其依據(jù)的是其峰值所在的位置, 煤體所在的集中應力區(qū)轉移峰值應力的過程都經(jīng)歷, 盡管煤體沒有破碎, 可會有很多裂隙產(chǎn)生, 其與巷道的塑性區(qū)相對應；盡管應力在峰前應力集中區(qū)是上升的, 可是沒有達到煤體發(fā)生破碎的最大值, 宏觀裂隙發(fā)生的明顯度不大, 所以與巷道的彈性區(qū)相對應；其在原巖應力區(qū)沒有受到擾動, 沒有改變裂隙的分布情況。所以, 根據(jù)其分布特征可以看出, 圍巖的塑性區(qū)和破碎區(qū)是鉆孔工作的必經(jīng)之路, 這個地方因為是有利于宏觀裂隙發(fā)育, 所以, 當對鉆孔進行封孔時, 要避開這個地方設計封孔段。

1.2 鉆孔徑向應力和其裂隙分布特征

可以把瓦斯抽采鉆孔當做小型的煤層巷道, 其煤層巷道受整體的被采動所影響, 分析其分布的特征只要是憑借巷道的應力分布理論。在實施鉆孔之后, 彈性區(qū)、塑性區(qū)、破碎區(qū)也構成了孔周煤體, 圖3即為鉆孔應力和裂隙分布示意圖。按照其分布特征能夠發(fā)現(xiàn), 其塑性區(qū)和破碎區(qū)是發(fā)生漏氣的區(qū)域。

圖3 鉆孔應力及裂隙分布示意圖

因為有支護力存在于封孔中, 進而改變了孔周煤體的受力情況, 即為三維受力替代二維受力, 并且封孔的支護力和鉆孔圍巖的塑性區(qū)、彈性區(qū)是反比關系, 孔周煤體的應力由于上升的封孔支護力而上升, 有的裂隙會由于壓密而緊閉, 進而減小漏氣的半徑。所以, 為能夠使封孔的成效得到提升可以采用注漿把封孔的壓力提高。

2 三種封孔方法

2.1 存在于“兩堵一注”封孔技術的缺陷

在初期的封孔方法是囊袋式的, 后來以此為基礎慢慢發(fā)展的封孔技術是帶壓封孔, 即為“兩堵一注”, 本技術能夠在原理上把注漿壓力在封孔段比較低, 無法使?jié){液滲入鉆孔的塑性區(qū)的不足的問題得到解決, 而且在國內瓦斯抽采鉆孔中慢慢成為最重要的技術。爆破閥、注漿管、環(huán)形注漿囊袋、回漿管等構成了“兩堵一注”封孔裝置, 在該裝置中, 環(huán)形注漿囊和注漿管捆綁相連, 并且環(huán)形注漿囊的數(shù)量是2個, 把1個爆破閥安置在注漿管中, 并且注漿管是在2個相鄰注漿囊袋之間, 在安置注漿管和回漿管時需要注意的是兩者必須是平行的, 注漿段中有孔的一側管口。

下面即為“兩堵一注”封孔技術的詳細過程：瓦斯抽采管套有封孔裝置, 兩者一起進到鉆孔中, 注漿管把漿液分別注入到2個環(huán)形囊袋內, 使囊袋擴張, 并把孔壁和抽采管之間的空隙進行填充, 等有漿液流入回漿管流出時就可關閉注漿管了；把注漿壓力慢慢提升, 當注漿壓力達到能夠打開爆破閥, 漿液就把囊袋與囊袋的間隙進行充填, 等有漿液流入回漿管時就可以關閉注漿管了；注漿壓力始終保持一定值并堅持一定的時間, 那么漿液在持續(xù)高壓的情況下就能很好地滲入到圍巖的裂隙中, 為使鉆孔封閉成效上升而供給主動支護[1]。

可是, 當使用“兩堵一注”封孔技術時, 盡管能使瓦斯抽采的負壓和濃度得到提升, 可和理論預期還是有不小的差距。從根本上說就是因為該裝置的出漿管和注漿管與抽采管外切, 注漿囊袋由于擴張而開啟之后, 就出現(xiàn)了漏漿“三角區(qū)”, 其“三角區(qū)”就是封孔囊袋在孔口面和3條管路之間, 致使注漿時有漏漿、跑漿狀況出現(xiàn)在囊袋和囊袋之中的封孔段, 使注漿壓力下降, 與此同時, 導致漿液不能很好地滲入鉆孔圍巖裂隙的更深處, 進而對封孔成效產(chǎn)生影響。圖4即為“兩堵一注”封孔裝置示意圖。

圖4 “兩堵一注”封孔裝置示意圖

2.2 新型保壓注漿封孔裝置

經(jīng)過分析瓦斯抽采鉆孔的裂隙和圍巖應力, 封孔的注漿壓力的提高能夠確保其封孔成效。關于“兩堵一注”封孔工藝現(xiàn)存的缺陷, 新型保壓注漿封孔裝置被研究與設計出來, 圖5就是該裝置的示意圖。回水閥、多孔管抽采管、注漿閥、孔內囊袋、孔口囊袋等部分構成了該裝置。選取瓦斯抽采管和內切于出漿管與注漿管的設計的一體化, 使“多管合一, 一管多用”的方針得計的注漿段區(qū)域最好是巷道的彈性區(qū)中, 并且其長度要大于2m。

圖5 新型抽采鉆孔保壓封孔裝置示意圖

在對瓦斯抽采鉆孔進行封孔, 可以選取本裝置, 第一就是把該裝置伸入孔里的規(guī)定位置, 然后把回水連接頭和注漿連接到孔口面的多空抽采管中, 把漿液注入囊袋中使用的是單向截止閥, 其單向截止閥從囊袋和注漿管之間經(jīng)過的, 在把漿液注滿囊袋之后, 會提升注漿的壓力, 促進囊袋的擴張, 此時, 完成了首次加固擠壓孔壁；在注漿壓力提升至1.5MPa時, 就會打開囊袋與囊袋之中的閥門, 并在漿液注漿到注漿段, 存在于注漿段的剩余氣體會隨著回水管和回水閥排放出去, 在漿液從回水管內往外流出時, 就代表漿液充滿全部的注漿段；把孔口的回水閥關閉, 讓注漿壓力持續(xù)升高到2MPa, 并保持2MPa壓力10min之后, 再把孔口的注漿閥關閉, 完成封孔, 經(jīng)過使用高壓漿液來填充鉆孔圍巖的裂隙, 此時就完成了第二次的加固填充孔壁的裂隙；除此之外, 對注漿材料的選擇, 選擇的水泥要特別細而且稍微帶有膨脹性質, 膨脹力會在漿液逐漸凝固時產(chǎn)生的, 完成了第三次加固裂隙與孔壁。由于該裝置給予鉆孔的這三次加固, 能夠很好地對其塑性區(qū)存以完成, 把存在漏漿通道的三角區(qū)域消除, 能夠使孔壁、封孔囊袋與抽采管之間的密封性提高, 使注漿壓力在封孔段得以最大限度的提升, 促進漿液能很好地滲入孔周裂隙, 為封孔成效提供了保障。

2.3 注漿封孔工藝和其原理

當未封孔瓦斯抽采鉆孔時, 對封孔的參數(shù)和裝置的選擇, 要按照抽采鉆孔操作技術與煤層賦存的要求。0.6～0.8倍的鉆孔直徑就是多孔抽采管的直徑, 1.05～1.17倍的鉆孔直徑就是膨脹之后的封孔囊袋的直徑；按照實施鉆孔巷道特征中的塑性區(qū)的區(qū)域來決定注漿封孔段的位置與長度, 0.5m就是囊袋的長度, 設在的裂隙進行封堵, 為提高封孔成效提供了保障。

3 工程實踐

3.1 概述試驗工作面

在某礦中, 把60×104t/a的生產(chǎn)能力設計在了新場井中, 使用的開采方法就是結合暗斜與平硐（副平硐、主平硐）, 通風的方式是中央界限法, 盤區(qū)的劃分是水平向上高于+431m就為1個, 選取的采煤方法是傾斜長壁法, 其開采的順序從下到上為8#、3#與2#煤層。在新場井中, 3106綜采工作面所處的位置是其盤區(qū)中的一核心位置, 其傾斜長度和走向長度分別是485m和178m, 其西部與東部分別是3018工作面與3104工作面采空區(qū), 并且3018工作面是沒有被開采的。在對3#煤層進行開采時, 其瓦斯的壓力、瓦斯含量與透氣性系數(shù)分別是0.35MPa、5.90m3/t、0.8773m2/（MPa2·d）。在3106綜采工作面未回采時, 瓦斯的預抽可以選取在實施回風巷順層瓦斯抽放鉆孔。

3.2 比較封孔成效的實驗

為能更好地對新型保壓封孔裝置的封孔成效進行檢驗, 可以使用的封孔方法有新型保壓封孔、“兩堵一注”封孔及聚氨酷封孔, 并試驗與對比以上封孔方法。并把水平鉆孔施工設計到工作面的回風巷中, 其水平鉆孔共有15個, 其深度是80m, 在水平方向的相鄰鉆孔的距離3m, 其名字按順序為1#～15#鉆孔。在結束鉆孔操作后, 可以把其分成5組, 每組有3個鉆孔, 封孔時分別選取上面介紹的封孔方法。

封孔參數(shù)選取的合理性, 能夠保證在巷道的彈性區(qū)域中有封孔能夠達到的深度, 測定巷道塑性圈的方法是煤鉆屑解吸標準；經(jīng)過分析被鉆屑解吸標準的施工期間的1組鉆孔中可以得知, 當深度在10m上下時, 就會提升鉆屑標準, 所以把10m設定為封孔的深度, 3m設定為封孔段的長度；并且0.5m是囊袋在新型保壓封孔裝置和“兩堵一注”的長度, 2m分別是其注漿段的長度。在結束封孔之后, 要對5個使用同種封孔方法的鉆孔與抽采系統(tǒng)進行串孔連接, 而且把孔板流量計和測氣嘴進行安裝[2]。

3.3 試驗得出的結論

在投抽其中的1組鉆孔之后, 要天天觀察其純量及濃度。每觀察5d, 并提取得到的數(shù)據(jù)的均值, 并根據(jù)抽取的具體時間來把瓦斯的抽采純量和密度的對比曲線圖繪制出來, 圖6、圖7分別是三種封孔方法下的瓦斯抽采濃度與純量的對比圖。

圖6 不同封孔方式瓦斯抽采濃度對比

圖7 瓦斯抽采純量對比曲線圖

從2個圖中能夠發(fā)現(xiàn), 當投抽鉆孔30d之后, 三種封孔方法按圖中順序對應的瓦斯抽采濃度平均值分別是28.14%、33.43%、37.42%、抽采純量的平均值分別是0.17、0.21、0.25m3/min。新型保壓封孔比剩余兩種封孔方法的瓦斯抽采濃度相應上升了32.98%與11.94%, 抽采純量相應上升了47.1%與19.05%。

當又投抽30d之后, 按圖中順序的三種封孔方法的瓦斯抽采濃度的平均值分別是為16.77%、22.98%、34.54%, 抽采純量的平均值分別是0.10、0.16、0.22m3/min。新型保壓封孔比剩余兩種封孔方法的瓦斯抽采濃度相應上升了105.96%和50.30%, 抽采純量相應上升了120.0%和37.5%。

總而言之, 聚氨酯封孔、兩堵一注封孔、新型保壓封孔的瓦斯抽采的純量與濃度都會隨著抽采時間的增長而下降, 可是, 和聚氨酯封孔、兩堵一注封孔相對比, 新型保壓封孔下降的比較慢, 在投抽鉆孔60d之后, 新型保壓封孔的瓦斯抽采濃度依然大于30%, 這就體現(xiàn)出新型保壓封孔有更好的密封性, 可以降低由于孔內負壓與漏氣通道而導致的損失, 使鉆孔瓦斯抽采的效力得到提升。

4 結束語

（1）經(jīng)過分析鉆孔圍巖和巷道的裂隙特征和應力, 兩項根本原則被提出來, 就是巷道的彈性區(qū)作為封孔的位置和把鉆孔的徑向封孔壓力提高, 就能夠很好使封孔成效得到升高。

（2）新型保壓封孔裝置被設計出來, 經(jīng)過把瓦斯抽采管、回漿管及注漿管這三部分合理融合, 進行一體化設計, 預防漏漿三角區(qū)的不足, 封孔囊袋的氣密性以及實際注漿壓力得到了顯著提升, 實際應用結果表明, 該種新型保壓封孔技術, 封孔效果更好。

（3）在實際投抽鉆孔時發(fā)現(xiàn), 在投抽鉆孔30d與60d之后, 新型保壓封孔工藝比剩余兩種封孔工藝的瓦斯抽采濃度對應上升了32.98%、11.94%與105.96%、50.30%, 抽采純量對應上升了47.1%、19.05 %與120.0%、37.5%。其新型保壓封孔工藝能夠有效使漏氣通道下降, 并且其效果會隨著投抽時間的增長而明顯。