抽采鉆孔“三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)

曹建軍

(鄭煤集團(tuán) 告成礦，河南 登封 452477)

瓦斯事故是威脅我國(guó)煤礦安全的“第一殺手”。進(jìn)行瓦斯抽采可以有效杜絕巷道瓦斯爆炸、消除采掘工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性[1-2]。我國(guó)煤礦仍然存在瓦斯抽采量不均衡、抽采濃度整體較低等問題[3-4]。研究表明[5]，進(jìn)入抽采系統(tǒng)的空氣80%以上是通過鉆孔吸入的，因此鉆孔密封質(zhì)量直接影響了瓦斯的抽采效果。目前國(guó)內(nèi)使用的封孔方法主要有粘土(水泥)卷封孔法[6]、封孔器封孔法[5]、水泥砂漿封孔法[7-8]、聚氨酯封孔法[9-10]、囊袋封孔法[11]。以上方法中水泥砂漿封孔法應(yīng)用較為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、材料容易獲得、價(jià)格低廉，并且井下工人操作方便。但通過長(zhǎng)期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿干涸、收縮以后，煤巖層界面產(chǎn)生縫隙，從而造成瓦斯鉆孔封孔不嚴(yán)，瓦斯抽采效果差。另一方面由于巷道卸壓的作用，打破了煤壁周圍煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力的重新分布致使煤體產(chǎn)生彈性和塑性破壞變形，并從巷道煤壁向煤層深部逐步擴(kuò)展，因此在鉆孔形成后，抽采鉆孔周圍煤體含有大量的空隙和裂隙且溝通發(fā)育程度較高；并且用水泥砂漿封孔時(shí)，水泥砂漿很難進(jìn)入鉆孔周圍的裂隙，導(dǎo)致在抽采負(fù)壓的作用下，形成漏氣通道。針對(duì)以上問題，提出了“三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液相封孔材料二次封鉆孔周圍裂縫的作用，以期能提高瓦斯抽采效果，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 “三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)

相對(duì)于“兩堵一注”水泥砂漿封孔技術(shù)，“三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)增加了液相封孔材料。通過液相材料及時(shí)封堵圍巖裂隙，隔斷漏氣通道，保證封孔段密封材料和抽采管完好，確保抽采鉆孔高效抽采。

1.1 液相材料流動(dòng)及封孔機(jī)理

1) 液相材料在鉆孔周邊裂縫中流動(dòng)?！叭聝勺ⅰ惫?液兩相封孔示意如圖1所示。為了建立液相材料周邊裂縫流動(dòng)方程，首先做如下假設(shè)：①裂縫中的流動(dòng)屬于穩(wěn)態(tài)層流；②液相流體不可壓縮，并且質(zhì)量忽略不計(jì)；③不考慮鉆孔壁對(duì)液相的吸收；④假設(shè)形成的裂隙是和鉆孔同心的同心環(huán)。

圖1 “三堵兩注”固-液兩相封孔示意

基于以上假設(shè)，由牛頓內(nèi)摩擦定律和力平衡原理得：

(1)

式中：μ為液相介質(zhì)的粘度，MPa·s；v為裂縫中流體的流動(dòng)速度，cm/s；p1、p2分別為固相裂隙之中氣體壓力和液相流體壓力，MPa；l為固體密封段的長(zhǎng)度，m.

公式(1)的邊界條件為：r=r0時(shí)，v=0；r=R時(shí)，v=0.式中：r0為鉆孔半徑，m；R為密封半徑，m.對(duì)公式(1)求解可得：

(2)

對(duì)公式(2)進(jìn)行積分得同心圓環(huán)中液相流體的流量Qs，并設(shè)△=R-r0得:

(3)

(4)

由于△遠(yuǎn)小于R，則R≈r0，因此公式(4)可以簡(jiǎn)化為：

(5)

式中：D為鉆孔直徑，m.由公式(5)可知，當(dāng)由于水泥砂漿收縮和鉆孔壁產(chǎn)生裂縫△時(shí)，液相流體的流量與△3成正比。在壓力差的作用下，液體封孔段粘液會(huì)沿著裂縫運(yùn)移起到封堵裂隙的作用。通過公式(5)進(jìn)一步分析可知，為了增加封堵效果，要保持液相流體壓力大于固體孔隙中的氣體壓力，從而保證液相材料能順利進(jìn)入固相材料的裂隙中，形成液體隔離屏阻斷巷道空氣向負(fù)壓抽采區(qū)域的運(yùn)移。同時(shí)液體材料要保證一定粘度，防止液相材料沿裂隙大量漏失，影響封堵效果。為了得到合適粘度的液相材料，以膨脹土、水為原料，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終得出：當(dāng)膨脹土與水的比例為1∶4時(shí)配置成的液相材料具有合適的粘度，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求。

2) 液相材料在松動(dòng)圈徑向流動(dòng)。由于巷道的卸壓作用，在鉆孔周圍會(huì)存在徑向的松動(dòng)圈。由于水泥材料流動(dòng)性差，很難進(jìn)入到裂隙中，在流體壓力的作用下，液相材料不僅會(huì)沿著水平裂隙流動(dòng)，而且還會(huì)沿著徑向裂隙流動(dòng)，從而有效地封堵泄壓圈內(nèi)生成的裂隙。為了方便探討液相流體在徑向裂隙中的流動(dòng)，假定：①液相流體是純液體；②由于液體在壓力的作用下流速較快，屬于高速流體，根據(jù)滲流力學(xué)，用二項(xiàng)式關(guān)系來描述液相流體的流動(dòng)；③是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；④液相流動(dòng)屬于徑向流動(dòng)。則：

(6)

由公式(6)可得：

(7)

根據(jù)連續(xù)性方程可得：

(8)

將公式(7)帶入公式(8)得：

(9)

邊界條件：r=r0，p=p0；r=rb，p=pb.

式中：r0為鉆孔半徑，m；p0為密封液壓力，Pa；rb為液相材料滲透邊界半徑，m;pb為液相材料滲透邊界壓力，Pa.

解公式(9)得液相材料的流量為：

(10)

通過公式(10)可以得出，徑向方向液相材料的流量與徑向裂隙滲透率、液相材料的粘度以及液相材料和滲透邊界壓力差有關(guān)。當(dāng)與鉆孔相關(guān)的參數(shù)和液相材料的粘度一定時(shí)，徑向裂隙發(fā)育時(shí)，裂隙滲透率大，為了使液體材料能順利進(jìn)入徑向裂隙，當(dāng)液相材料壓力下降時(shí)，需定時(shí)補(bǔ)入液相材料補(bǔ)充壓力。在以上理論分析的基礎(chǔ)上，研發(fā)了“三堵兩注”固-液兩相封孔裝置。

1.2 封孔裝置組成與封孔步驟

1.2.1 封孔裝置組成

“三堵兩注”固-液兩相封孔裝置由注漿、注液封孔部件和可伸縮管組成。注漿、注液封孔部件由注漿管、注液管、囊袋、單向閥、爆破閥等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示?？缮炜s管由可伸縮單元、抽采管、“O”型密封圈等組成，如圖3所示。通過注漿、注液封孔部件和可伸縮抽采管配合使用，在抽采鉆孔內(nèi)形成固體封孔段和液體封孔段，液體封孔段適應(yīng)圍巖的擠壓破壞；同時(shí)帶壓粘液及時(shí)封堵圍巖變形等原因形成的裂隙，保證抽采鉆孔抽采管和密封段的完整性、密封性。

圖2 注漿、注液封孔部件結(jié)構(gòu)示意

圖3 可伸縮抽采管結(jié)構(gòu)示意

1.2.2 封孔步驟

1) 鉆孔施工完畢后，根據(jù)鉆孔施工深度選擇合適長(zhǎng)度的抽采管和注漿、注液封孔部件，將它們組合在一起，放置到鉆孔內(nèi)的預(yù)定位置。其中可伸縮單元位于注漿、注液封孔部件下部的兩個(gè)囊袋之間，處于液體封孔段范圍內(nèi)。

2) 將注漿、注液封孔部件的注漿管與注漿裝置連接，通過注漿管向鉆孔內(nèi)注入配制好的水泥漿：在注漿壓力的作用下，首先打開里囊袋、中囊袋、外囊袋內(nèi)的單向閥，向3個(gè)囊袋中注入水泥漿，囊袋膨脹，使里囊袋和中囊袋之間、中囊袋和外囊袋之間分別形成兩個(gè)獨(dú)立空間。注漿壓力達(dá)到一定數(shù)值后，里囊袋和中囊袋之間的爆破閥打開，水泥漿充滿里囊袋和中囊袋之間的獨(dú)立間隔，形成固體封孔段，結(jié)束注漿。注漿完成后，將抽采管接入抽采管網(wǎng)。

3) 注漿一定時(shí)間后，將注液管與注液裝置連接，通過注液管向中囊袋和外囊袋之間的獨(dú)立空間注入配置好的特制液體，當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定數(shù)值，液體液面穩(wěn)定不下降時(shí)，表明帶壓粘液已充滿中囊袋和外囊袋之間的空間以及鉆孔周圍的裂隙，關(guān)閉注液閥門，完成注液封孔操作。

4) 在鉆孔抽采服務(wù)期內(nèi)，定時(shí)觀測(cè)液體封孔段內(nèi)的液體壓力，當(dāng)液體壓力低于0.4 MPa時(shí)，將注液管與注液裝置連接，及時(shí)補(bǔ)液增壓，使注液壓力不低于0.6 MPa.如果補(bǔ)液一段時(shí)間后，液體壓力再次下降并低于0.4 MPa，需二次補(bǔ)液，保持帶壓密封。

2 現(xiàn)場(chǎng)效果考察

為驗(yàn)證“三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)的可行性，在鄭煤集團(tuán)告成礦底抽巷施工穿層抽采鉆孔，進(jìn)行封孔試驗(yàn)。在試驗(yàn)區(qū)域分別布置試驗(yàn)鉆孔和對(duì)比鉆孔，其中兩個(gè)孔為一組，奇數(shù)孔為試驗(yàn)孔，偶數(shù)孔為對(duì)比孔，如圖4所示。試驗(yàn)鉆孔采用“三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)封孔，對(duì)比鉆孔采用“兩堵一注”水泥漿帶壓注漿技術(shù)封孔。封孔后，均接入抽采管網(wǎng)，進(jìn)行瓦斯抽采，測(cè)量了孔口瓦斯?jié)舛?，以?duì)比兩種技術(shù)的密封性能和瓦斯抽采效果。

圖4 告成礦底板巷穿層鉆孔試驗(yàn)孔與對(duì)比孔示意

定期測(cè)量試驗(yàn)鉆孔和對(duì)比鉆孔的孔口瓦斯抽采濃度，共計(jì)48組，將觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，部分試驗(yàn)鉆孔和對(duì)比鉆孔孔口瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5～圖8所示。

圖5 1組對(duì)比鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖6 2組對(duì)比鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖7 1組試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖8 2組試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

從圖5～圖8分析可知：對(duì)比鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛入S著時(shí)間的延續(xù)呈連續(xù)下降的趨勢(shì)。試驗(yàn)鉆孔注液封孔后，瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間的延續(xù)保持一段時(shí)間后逐漸衰減，補(bǔ)液后瓦斯抽采濃度立即升高，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)衰減。試驗(yàn)鉆孔兩次補(bǔ)液前后瓦斯抽采濃度明顯提升，抽采200 d后，試驗(yàn)鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為45.10%，對(duì)比鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為25.88%，提高了74.28%.采用“三堵兩注”固-液兩相封孔技術(shù)密封的試驗(yàn)鉆孔，因能主動(dòng)適應(yīng)圍巖的拉伸和擠壓變形，避免了抽采管和封孔材料的破裂，并對(duì)圍巖發(fā)育形成的裂隙進(jìn)行了有效封堵，提高了密封質(zhì)量，大幅提升了瓦斯抽采濃度。

3 結(jié) 語

1) 針對(duì)封孔段漏氣的問題，提出“三堵兩注”固-液兩相封孔裝置及方法，通過固、液兩相封孔，及時(shí)封堵圍巖裂隙，隔斷漏氣通道，保證封孔段密封材料和抽采管完好，確保鉆孔高效抽采。

2) 為了得到合適粘度的液相材料，以膨脹土、水為原料，當(dāng)膨脹土與水的比例為1∶4時(shí)，配置成的液相材料具有合適的粘度，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求。

3) 試驗(yàn)鉆孔兩次補(bǔ)液前后瓦斯抽采濃度明顯提升，抽采200 d后，試驗(yàn)鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為45.10%，對(duì)比鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為25.88%，提高了74.28%.