固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用

李喜員，孫矩正，張益民，魏風(fēng)清

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；3.焦作市美格安礦業(yè)科技有限公司，河南 焦作 454000)

煤層瓦斯是影響煤礦安全高效生產(chǎn)的主要因素，也是一種寶貴的能源。瓦斯抽采是防治煤礦重大瓦斯事故的根本性措施，也是增加能源供給、減少環(huán)境污染的重要舉措[1-3]。借助于巖柱的保護(hù)，在煤層底板巖巷向煤層施工穿層鉆孔，對未采區(qū)域進(jìn)行大面積預(yù)抽，能有效預(yù)防瓦斯超限，確保礦井安全生產(chǎn)。底板穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯已成為礦井防治煤與瓦斯突出事故的主要技術(shù)措施[4-6]。采用“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)進(jìn)行封孔的鉆孔，在封孔初期，抽采瓦斯?jié)舛纫话爿^高，能夠達(dá)到預(yù)期效果。但隨著抽采時(shí)間延長，受圍巖變形影響，鉆孔周圍巖石裂隙發(fā)育擴(kuò)展、水泥封孔段收縮，在孔壁和圍巖的裂隙之間、封堵段與孔壁、抽采管之間極易形成漏氣通道，導(dǎo)致孔口抽采瓦斯?jié)舛认陆?，降低了瓦斯抽采效果[7-11]。湯紅槍等在城郊煤礦對非凝固恒壓漿液封孔技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究[12]；張永鵬利用二次封堵技術(shù)在大平礦進(jìn)行了試驗(yàn)[13]；靳玉平等提出破孔、透孔、分段封孔“三步走”的二次處理措施對趙固二礦失效鉆孔進(jìn)行處理[14]；郭書明等提出瓦斯抽采鉆孔立體式“二次封孔”技術(shù)，并在余吾煤業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)[15]；熊偉在應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)交界位置施工環(huán)形縫槽輔以“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝,對失效鉆孔進(jìn)行修復(fù)處理，并在陽煤五礦進(jìn)行了驗(yàn)證[16]，這些措施均提高了瓦斯抽采效果。為解決平寶煤業(yè)首山一礦“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)對圍巖穩(wěn)定性要求高、瓦斯?jié)舛人p快、有效抽采周期短、密封質(zhì)量具有時(shí)效性等問題，提出了“固液兩相復(fù)合封孔”技術(shù)，在該礦己15-17-12110中間底抽巷進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了提高抽采瓦斯?jié)舛鹊哪繕?biāo)，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

1 技術(shù)原理及裝備

1.1 技術(shù)原理

固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)是指抽采鉆孔的封孔部分由固體密封段和液體密封段兩部分組成，固體密封段位于鉆孔深部，由水泥砂漿帶壓填充而成，起到靜態(tài)封堵鉆孔的作用；液體密封段位于鉆孔孔口附近，由以膨潤土為主要原料配制的黏稠狀液體組成，液體密封段在抽采過程中始終保持一定的壓力。液體密封段能夠適應(yīng)鉆孔圍巖的位移與變形，帶壓液體可及時(shí)填充由圍巖變形等原因形成的裂隙，起到動態(tài)封堵的作用。

鉆孔周圍巖石發(fā)育的裂隙或固體封孔段收縮形成的縫隙是一個(gè)復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，裂隙的張開度和裂隙表面的粗糙度對漿液的滲流過程有重要影響。由于巖體裂隙的張開度較小，而調(diào)配的漿液黏度較大，故漿液在裂隙中的滲流速度較小。牛頓流體滲流過程研究表明，漿液在流動過程中與裂隙壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力起到增加漿液流動阻力、減緩滲流速度的作用[17]。

當(dāng)鉆孔密封段存在著溝通巷道的裂隙時(shí)，液體密封段的漿液在自身壓力和抽采負(fù)壓的作用下沿裂隙滲流，當(dāng)黏液與裂隙產(chǎn)生的阻力與自身壓力和抽采負(fù)壓產(chǎn)生的動力相平衡時(shí)，黏液就靜止在裂隙中，起到了封堵裂隙、隔絕漏氣通道的作用；當(dāng)黏液自身壓力和抽采負(fù)壓產(chǎn)生的動力大于黏液與裂隙產(chǎn)生的阻力時(shí)，黏液沿裂隙流向巷道或鉆孔深部空間，液態(tài)密封段壓力下降，就要及時(shí)補(bǔ)充漿液，以保證封孔段的密封性能。

1.2 裝備組成

固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)如圖1所示。其裝備主要包括瓦斯抽采管11，固定在瓦斯抽采管上的囊袋4、7、10，以及注漿管5、注液管2等部件。

1—裂隙；2—注液管；3—壓力表；4—外囊袋；5—注漿管；6—液體密封段；7—中囊袋；8—爆破閥；9—固體密封段；10—內(nèi)囊袋；11—抽采管；12—煤層；13—抽采鉆孔；14—圍巖。

固定在抽采管上的3個(gè)囊袋注漿后在抽采鉆孔13內(nèi)形成2個(gè)封閉空間，內(nèi)囊袋10和中間囊袋7之間的空間通過注漿管5填充水泥砂漿，形成固體密封段9；外囊袋4和中間囊袋7之間的空間通過注液管2填充特制的液體，形成液體密封段6；注漿管5上布置有4個(gè)爆破閥8，分別位于3個(gè)囊袋4、7、10和固體密封段9內(nèi)。其中位于囊袋內(nèi)爆破閥的爆破壓力低于位于固體密封段內(nèi)爆破閥的爆破壓力。在注液管2管口安裝有壓力表3，用以檢測液體封孔段內(nèi)液體的壓力，當(dāng)壓力降低到一定數(shù)值后，及時(shí)通過注液管2向液體密封段6補(bǔ)充液體，使其達(dá)到一定的壓力，保證液體密封段有效封堵裂隙。注漿管5、注液管2的管口安裝有截止閥，注漿、注液結(jié)束后，關(guān)閉閥門用以保持固體密封段和液體密封段內(nèi)的壓力。

1.3 操作步驟

在穿層鉆孔施工完畢后，根據(jù)鉆孔深度選擇合適長度的抽采管和注漿注液封孔部件，將其組合在一起，放置到鉆孔內(nèi)預(yù)定位置。要保證液體密封段位于圍巖松動圈內(nèi)。將固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)部件的注漿管與注漿裝置連接，通過注漿管向鉆孔內(nèi)注入配制好的水泥砂漿。在注漿壓力的作用下，首先打開內(nèi)囊袋、中囊袋、外囊袋內(nèi)的爆破閥，向3個(gè)囊袋中注入水泥砂漿，囊袋膨脹后，在內(nèi)囊袋和中囊袋之間、中囊袋和外囊袋之間分別形成2個(gè)密封空間。注漿壓力繼續(xù)上升，達(dá)到一定數(shù)值后，抽采管上位于內(nèi)囊袋和中囊袋之間的爆破閥打開，水泥砂漿充滿內(nèi)囊袋和中囊袋之間的獨(dú)立間隔區(qū)域，形成固體密封段。注漿完成24 h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)立空間注入配制好的特制液體，當(dāng)注液壓力達(dá)到一定數(shù)值，液體液面穩(wěn)定不下降時(shí)，表明帶壓黏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。通過以上過程完成抽采鉆孔的密封，形成固液兩相復(fù)合封孔。封孔后，將抽采管接入抽采管網(wǎng)開始抽采。在鉆孔抽采服務(wù)期內(nèi)，定時(shí)監(jiān)測液體封孔段內(nèi)的液體壓力，當(dāng)液體壓力低于一定數(shù)值時(shí)，及時(shí)注液增壓，保持帶壓密封。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)鉆孔布置

為驗(yàn)證固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)的密封效果，在平寶煤業(yè)首山一礦己15-17-12110中間底抽巷施工穿層抽采鉆孔，進(jìn)行封孔試驗(yàn)。己15-17煤層為突出煤層，工作面實(shí)測煤層原始最大瓦斯壓力為1.38 MPa，煤層最大原始瓦斯含量為10.46 m3/t。在己15-17-12110中間底抽巷內(nèi)向工作面煤體進(jìn)行打鉆抽放，沿工作面走向每隔4 m布置1組鉆孔，每組鉆孔按單雙號孔分2排布置，單號排與雙號排間距為1.5 m，鉆孔直徑94 mm，在中間底抽巷選擇1組鉆孔作為試驗(yàn)鉆孔，其中單號孔布置3個(gè)試驗(yàn)鉆孔(SY1～3)，雙號孔布置3個(gè)對比鉆孔(DB1～3)。試驗(yàn)鉆孔采用固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)封孔，對比鉆孔采用 “兩堵一注”水泥漿帶壓注漿技術(shù)封孔。試驗(yàn)與對比鉆孔布置如圖2所示。試驗(yàn)鉆孔(SY1～3)與對比鉆孔(DB1～3)分別具有接近的傾角和孔深，設(shè)計(jì)封孔深度也分別相對應(yīng)接近。

圖2 試驗(yàn)與對比鉆孔布置示意圖

2.2 孔口瓦斯?jié)舛葘Ρ?/h3>

鉆孔施工結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行封孔。封孔前首先通孔，采用壓風(fēng)或水清理干凈封孔段內(nèi)的煤、巖粉。試驗(yàn)鉆孔的固體段及對比鉆孔的封孔注漿壓力從0.4 MPa逐漸升高至1.2 MPa，壓力達(dá)到1.2 MPa后，保持壓力3～5 min，使水泥漿料充分滲入鉆孔周圍裂隙。試驗(yàn)鉆孔的液體段注液壓力不低于0.5 MPa, 壓力達(dá)到0.5 MPa，保持壓力3～5 min后，關(guān)閉注液管閥門。試驗(yàn)鉆孔固體段和對比鉆孔注漿完成后24 h，抽采管均接入抽采管網(wǎng)，抽采負(fù)壓(相對壓力)基本穩(wěn)定在-9～-12 kPa，在相同的抽采負(fù)壓等條件下，連續(xù)觀測孔口抽采瓦斯?jié)舛?20 d，試驗(yàn)鉆孔、對比鉆孔瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)隨時(shí)間變化趨勢如圖3～4所示。

圖3 試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線

分析圖3、圖4可知：在抽采初期，抽采瓦斯?jié)舛榷呦嗖畈淮?，封孔后孔口瓦斯?jié)舛戎饾u提高，達(dá)到高峰后維持一段時(shí)間開始下降。抽采一定時(shí)間后，對比鉆孔的瓦斯?jié)舛入S時(shí)間呈連續(xù)下降的趨勢。試驗(yàn)鉆孔在封孔后10 d和40 d兩次補(bǔ)液提壓后，孔口瓦斯?jié)舛让黠@升高，隨著抽采時(shí)間延長也出現(xiàn)衰減，但數(shù)值明顯高于對比鉆孔。抽采120 d后，試驗(yàn)鉆孔的孔口瓦斯?jié)舛葹?0%～50%，對比鉆孔的孔口瓦斯?jié)舛葎t在20%以下，證明了固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)較目前使用的“兩堵一注”封孔技術(shù)具有更好的瓦斯抽采效果。

圖4 對比鉆孔瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線

2.3 密封效果對比

假定抽采鉆孔密封段不漏氣，在抽采負(fù)壓作用下，鉆孔抽采管內(nèi)瓦斯?jié)舛妊乜咨畹姆植紤?yīng)基本穩(wěn)定一致；如果鉆孔內(nèi)部某一位置漏氣，則抽采管內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植紝⒊霈F(xiàn)突變，在孔口至漏氣位置瓦斯?jié)舛燃眲〗档停馕恢弥量椎讌^(qū)域瓦斯?jié)舛容^高。在鉆孔正常抽采狀態(tài)下，借助于YFZ封孔質(zhì)量檢測儀，測定試驗(yàn)鉆孔和對比鉆孔抽采管內(nèi)不同深度的瓦斯?jié)舛?，來判定抽采鉆孔的密封質(zhì)量[18-20]。從試驗(yàn)鉆孔與對比鉆孔中各選1個(gè)鉆孔進(jìn)行密封質(zhì)量檢測，在試驗(yàn)期間3次測量試驗(yàn)鉆孔和對比鉆孔內(nèi)定點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植迹Y(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 試驗(yàn)鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖6 對比鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛确植?/p>

對比圖5、圖6可知，沿鉆孔深度方向，2種封孔方式的瓦斯?jié)舛染煽椎字量卓谥饾u降低、均隨抽采時(shí)間的延長而逐漸衰減，證明存在漏氣通道，且隨著抽采時(shí)間的延長漏氣情況逐漸加劇，說明圍巖變形裂隙發(fā)育引起的漏氣現(xiàn)象難以避免。試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛认陆邓俣让黠@低于對比鉆孔的瓦斯?jié)舛认陆邓俣龋C明試驗(yàn)鉆孔的密封質(zhì)量較對比鉆孔好。

3 結(jié)語

從密封效果看，固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)在圍巖松動圈內(nèi)構(gòu)建的液體密封段，能主動填充鉆孔圍巖變形和固體密封段收縮產(chǎn)生的裂隙，有效密封漏氣通道，提高封孔質(zhì)量；從抽采效果來看，采用固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)的試驗(yàn)鉆孔在補(bǔ)液后，能連續(xù)保持較高的抽采濃度，明顯高于對比鉆孔，具有較好的抽采效果。試驗(yàn)應(yīng)用表明，固液兩相復(fù)合封孔技術(shù)降低了封孔段的漏氣程度，基本解決了抽采鉆孔密封段對圍巖穩(wěn)定性要求高、瓦斯?jié)舛人p快、有效抽采周期短、密封質(zhì)量具有時(shí)效性等問題，實(shí)現(xiàn)了提高抽采瓦斯?jié)舛群托Ч哪繕?biāo)，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了裝備和技術(shù)支持，具有較高的推廣價(jià)值。