抽采鉆孔注漿阻隔堵漏提濃技術(shù)研究

王 鵬

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046100)

瓦斯爆炸是煤礦井下的五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著礦井的正常生產(chǎn)活動(dòng)?！跋瘸楹蟛伞笔欠乐瓮咚故鹿实挠行Т胧軌蚪档屯咚故鹿实陌l(fā)生。然而，受瓦斯抽采鉆孔孔口漏氣、鉆孔交叉串孔等問(wèn)題影響，本煤層的鉆孔瓦斯抽采濃度處于較低水平，沒(méi)有達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)要求。本文基于抽采鉆孔漏氣機(jī)理，提出小直徑鉆孔注漿阻隔堵漏技術(shù)，提高了瓦斯抽采效率。

1 工作面鉆孔抽采概況

余吾煤業(yè)為高瓦斯礦井，順層鉆孔采前預(yù)抽是回采工作面瓦斯治理的基礎(chǔ)。某工作面瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度180 m，在膠順前期施工的167個(gè)采前預(yù)抽鉆孔中，因鉆孔封孔質(zhì)量差孔口漏氣、鉆孔與邁步鉆孔或相鄰鉆孔串孔(因軌跡偏離通過(guò)裂隙或直接溝通)等原因，約60%的鉆孔濃度低于10%，導(dǎo)致鉆孔關(guān)閉無(wú)法帶抽，嚴(yán)重制約著本煤層瓦斯抽采的效果。

2 鉆孔抽采低濃原因分析

2.1 瓦斯抽采鉆孔漏氣

由于巷道的掘進(jìn)以及工作面的開(kāi)采，地應(yīng)力的平衡狀態(tài)被打破，需要一定的支護(hù)體支撐，在應(yīng)力平衡的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的松弛破壞帶即松動(dòng)圈。這個(gè)區(qū)域在壓力的作用下存在大量裂隙，瓦斯、空氣可以在里面自由穿梭。煤層進(jìn)行鉆孔時(shí)，鉆孔兩側(cè)的煤體在壓力的作用下也會(huì)形成類(lèi)似松動(dòng)圈的區(qū)域，由于孔內(nèi)與巷道內(nèi)存有壓差，在巷道內(nèi)氣壓的作用下，巷道內(nèi)空氣與游離瓦斯通過(guò)松動(dòng)圈進(jìn)行流通交換。密封材料自身的裂隙以及與煤壁的結(jié)合度都會(huì)影響孔內(nèi)的負(fù)壓狀況進(jìn)而影響瓦斯抽采的速率。因此，漏氣通道主要有：煤體的破碎區(qū)、孔壁與密封材料結(jié)合處、封孔圍巖段漏氣通道[1-2，4]。

1) 巷道煤壁破碎區(qū)。瓦斯抽采施工過(guò)程中，當(dāng)鉆頭與煤壁開(kāi)始接觸時(shí)，煤體圍巖便進(jìn)入了破碎狀態(tài)，受鉆頭等外力的影響而加速生成了新的裂縫。新裂隙與原有煤體的舊裂隙連通后便會(huì)形成較為完整的漏氣通道，煤體與巷道接觸段的滲透率也大為增加。鉆孔內(nèi)負(fù)壓與巷道內(nèi)空氣在壓力差的作用下通過(guò)完整漏氣通道進(jìn)入孔內(nèi)稀釋了孔內(nèi)游離瓦斯的濃度，降低了孔內(nèi)負(fù)壓的效果進(jìn)而降低了抽采效率。因此進(jìn)行鉆孔密封時(shí)應(yīng)該使封孔的長(zhǎng)度盡量超過(guò)鉆孔巷道裂隙帶，達(dá)到有效密封。

2) 鉆孔破碎區(qū)漏氣。巷道不僅具有因施工作業(yè)而造成的破碎區(qū)域漏氣通道，還有因鉆頭打孔作業(yè)在巷道幫上而形成的裂隙通道。當(dāng)鉆孔內(nèi)通過(guò)負(fù)壓進(jìn)行抽采時(shí)，氣體可以通過(guò)破碎區(qū)(漏氣通道)進(jìn)行其他交換，對(duì)瓦斯抽采造成一定的不利影響。近巷道的漏氣圈與巷道裂隙帶在雙重作用下易形成耦合裂隙帶，然而耦合裂隙帶有更多的裂隙，促進(jìn)了裂隙發(fā)育，使之更加成熟。因此對(duì)孔壁圍巖漏氣圈的有效封堵也顯得尤為重要。

3) 密封材料(封孔段)漏氣。優(yōu)良的封孔工藝及材料是保證密封性能較為關(guān)鍵的一環(huán)。當(dāng)水泥基密封材料在注漿泵等外力的作用下流入鉆孔密封段后，如果密封材料具有較多的大孔隙或裂隙群，則會(huì)在封孔后的抽采作業(yè)時(shí)，為瓦斯流動(dòng)提供漏氣途徑。因此需要保障致封孔材料的密實(shí)度，可以對(duì)封孔作業(yè)起到積極的作用。

另一方面，水泥基注漿材料由于一些原因?qū)е屡c孔壁、鉆孔裂隙群黏結(jié)不緊密，也會(huì)為空氣與孔內(nèi)游離瓦斯交換提供通道，這也是密封過(guò)程中無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一個(gè)問(wèn)題。造成這一現(xiàn)象的原因主要可能有以下幾點(diǎn)：普通水泥基密封材料因失水收縮導(dǎo)致封孔材料體積減小或形成月牙結(jié)構(gòu)降低了密封性能；水泥密封材料在重力影響下下滲，進(jìn)入孔隙下部裂隙，而上端裂隙并未完全密封。這就要求使用壓力泵迫使水泥漿體克服孔內(nèi)的各種阻力進(jìn)入密封段的裂隙群進(jìn)行有效的強(qiáng)壓密封，使瓦斯抽采作業(yè)時(shí)抽采濃度及持續(xù)高效率的時(shí)間維持一個(gè)較好的水準(zhǔn)。

2.2 鉆孔抽采串孔

由于鉆孔軌跡的不可控性，采前預(yù)抽鉆孔施工軌跡與巷道內(nèi)邁步鉆場(chǎng)內(nèi)的邊掘邊抽鉆孔在設(shè)計(jì)上客觀存在立體交叉現(xiàn)象，部分采前預(yù)抽鉆孔與邊掘邊抽孔直接溝通，或在交匯距離較近時(shí)通過(guò)煤體中的貫穿裂隙導(dǎo)通。鉆孔交叉串孔機(jī)理如圖1所示，相互連通的多個(gè)鉆孔中任一鉆孔存在封孔質(zhì)量問(wèn)題(如鉆孔C)，就會(huì)導(dǎo)致彼此連通的所有鉆孔抽采短路，巷道外空氣被抽入孔內(nèi)，致使孔內(nèi)負(fù)壓急劇衰減，孔底解吸的高濃度瓦斯因孔內(nèi)壓差較小不能高效抽出，表現(xiàn)在鉆孔單孔濃度上則為鉆孔有一定的濃度，但基本在10%以下，且相互連通串孔的幾個(gè)鉆孔濃度相差不大。

圖1 鉆孔交叉串孔抽采機(jī)理圖

相鄰的兩個(gè)采前預(yù)抽孔受鉆孔軌跡偏差及煤層軟硬不均影響，鉆孔軌跡在相距較近處通過(guò)煤層裂隙溝通甚至直接交叉。相鄰采前預(yù)抽孔相互串孔時(shí)，受兩鉆孔的封孔質(zhì)量差異及孔內(nèi)塌孔、堵塞等因素影響，孔內(nèi)漏入空氣及瓦斯流向變化較為復(fù)雜，如圖1(b)所示。鉆孔A、B、C通過(guò)貫通裂隙相互串孔彼此影響，鉆孔B封孔質(zhì)量較差，有輕微漏氣現(xiàn)象，鉆孔C部分孔段有煤堵現(xiàn)象，鉆孔B內(nèi)部分瓦斯被鉆孔A抽走，鉆孔C內(nèi)部分瓦斯流向鉆孔B.

2.3 鉆孔密封關(guān)鍵問(wèn)題

1) 巷道煤壁破碎區(qū)。在巷道煤壁破碎區(qū)內(nèi)彈性潛能達(dá)到極限而發(fā)生塑性變形，增添了大量裂隙，就會(huì)使其滲透率進(jìn)一步增大。解決近巷道煤壁破碎區(qū)域漏氣問(wèn)題時(shí)應(yīng)該視工作面的具體情況選擇最優(yōu)的封孔位置以及長(zhǎng)度。即在進(jìn)行鉆孔密封時(shí)密封段的長(zhǎng)度應(yīng)該長(zhǎng)于塑性極限應(yīng)力帶，當(dāng)封孔段能對(duì)塑性極限應(yīng)力帶進(jìn)行有效填充時(shí)，漏氣則轉(zhuǎn)換為游離瓦斯的擴(kuò)散漏氣，影響漏氣的質(zhì)量及速率。

2) 鉆孔破碎區(qū)漏氣通道。鉆孔作業(yè)后直接形成了破碎區(qū)圍巖，此區(qū)域的巖石由于外力(應(yīng)力)作用導(dǎo)致破裂比較嚴(yán)重，同時(shí)內(nèi)聚力及圍巖強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。塑性區(qū)是在破裂區(qū)向外擴(kuò)展的區(qū)域，塑性段在外力作用時(shí)巖石開(kāi)始出現(xiàn)劇烈破裂的現(xiàn)象，孔裂隙開(kāi)始逐步增加。在各種應(yīng)力的作用變化下與巷道煤壁的破碎區(qū)形成貫通，為氣體流出提供了多種通道。針對(duì)此處的漏氣有兩種相對(duì)有效的方法：一是利用現(xiàn)階段相關(guān)的特定封孔工藝并配合密封材料對(duì)裂隙進(jìn)行封堵；二是對(duì)巷道幫面使用噴涂劑進(jìn)行噴涂，降低巷道卸壓區(qū)漏氣通道的數(shù)量?？蓪娡颗c封孔工藝、材料同時(shí)運(yùn)用，有效減少了漏氣的途徑。

3) 密封材料(封孔段)裂隙帶漏氣道。封孔材料自身致密性差，不能滿足密封的要求或者是工藝較差無(wú)法合理利用封孔材料對(duì)漏氣通道進(jìn)行堵漏，都會(huì)影響抽采的濃度、速率及有效抽采時(shí)長(zhǎng)。因此在進(jìn)行鉆孔密封作業(yè)施工時(shí)應(yīng)當(dāng)甄選出合適的密封材料并配用適當(dāng)?shù)姆饪坠に囂岣呙芊庑阅堋?/p>

密封材料如若發(fā)生自身失水收縮現(xiàn)象或與孔壁結(jié)合能力較差，都會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)負(fù)壓的消失或減弱，而無(wú)法完全發(fā)揮密封的性能。同時(shí)，所選材料應(yīng)具有良好的流動(dòng)性，減少封孔材料與孔內(nèi)壁之間的漏氣通道。密封材料應(yīng)盡量減少較大的孔裂隙存在，防止氣體通過(guò)大孔隙和裂隙進(jìn)行交換流通。水泥漿液成型后也應(yīng)該擁有良好的抗壓強(qiáng)度，避免在瓦斯抽采作業(yè)施工中因?yàn)榫植繎?yīng)力集中等變化的影響發(fā)生密封材料損壞喪失了密封性能。

因此，研究和開(kāi)發(fā)鉆孔密封材料在瓦斯抽采工作中也顯得尤為重要。在鉆孔密封材料的研究和開(kāi)發(fā)中，微觀特性、致密性、抗壓強(qiáng)度、防止變形能力以及良好的流動(dòng)性使其與孔壁裂隙進(jìn)行緊密結(jié)合是重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 注漿阻隔堵漏技術(shù)

防串孔是解決鉆孔串孔漏氣最有效的方法。合理正確的鉆孔施工能夠有效避免鉆孔串孔。具體方法有：根據(jù)煤層地質(zhì)條件和瓦斯賦存情況等因素，鉆孔間預(yù)留出足夠的空間距離；繪制并參考煤礦井下鉆孔施工圖，避免施工鉆孔在空間上發(fā)生交叉貫通；運(yùn)用長(zhǎng)距離定向鉆孔施工技術(shù)，提高鉆孔施工精度。此外，及時(shí)的補(bǔ)救措施也能有效避免串孔對(duì)瓦斯抽采的影響。前人已提出多種針對(duì)漏氣鉆孔進(jìn)行二次處理措施，雖取得了很好的效果，但部分措施工序復(fù)雜，成本較高[5-6，9]，且對(duì)一些交叉影響的鉆孔未提出合理的解決辦法，本文在之前研究的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)了注漿阻隔堵漏技術(shù)。

3.1 鉆場(chǎng)鉆孔注漿堵漏

邁步鉆場(chǎng)內(nèi)邊掘邊抽鉆孔注漿實(shí)質(zhì)上是通過(guò)注漿方式將彼此聯(lián)通的多個(gè)鉆孔分離成相互獨(dú)立的鉆孔，降低彼此之間的相互影響。對(duì)鉆場(chǎng)內(nèi)串孔的鉆孔進(jìn)行注漿，注漿后鉆孔口孔附近的漏氣通道被漿液充填，同時(shí)漿液充填了鉆孔中可能存在的溝通裂隙，減少了巷道內(nèi)采前預(yù)抽鉆孔受其它低濃度鉆孔漏氣影響。若巷道內(nèi)煤體疏軟，普遍存在貫通裂隙導(dǎo)致串孔現(xiàn)象時(shí)，預(yù)先對(duì)鉆場(chǎng)內(nèi)已失效的邁步鉆孔及其孔壁周?chē)牧严哆M(jìn)行注漿充填，以防止后期注漿過(guò)程中部分漿液串到孔內(nèi)造成鉆孔堵孔。

3.2 小直徑孔注漿阻隔

鉆孔串孔注漿阻隔并不能從根本上改變鉆孔抽采漏氣量，僅能減少鉆孔間抽采時(shí)的相互影響，對(duì)于因鉆孔封孔質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的鉆孔漏氣，可采取在鉆孔附近施工小直徑注漿孔對(duì)鉆孔附近的漏氣通道進(jìn)行注漿封堵。如圖2所示，小直徑鉆孔注漿后，漿液通過(guò)煤層裂隙進(jìn)入鉆孔封孔段上方的空隙進(jìn)行充填，同時(shí)對(duì)孔壁周?chē)l(fā)育的原生、次生裂隙進(jìn)行二次充填封堵加固。由于鉆孔原漏氣通道被漿液充填，鉆孔在抽采過(guò)程中漏氣“短路”現(xiàn)象消失，孔口底抽采負(fù)壓壓差增大，煤層解吸瓦斯進(jìn)入孔內(nèi)被抽出，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛却蠓嵘齕10]。

圖2 小直徑鉆孔注漿堵漏示意

由于鉆孔串孔位置不確定，注漿阻隔的小直徑鉆孔施工深度需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。如圖3所示，鉆孔A、B、C通過(guò)貫通裂隙相互串孔，且鉆孔B封孔質(zhì)量較差，存在輕微漏氣現(xiàn)象，鉆孔C部分孔段有煤堵現(xiàn)象，注漿前鉆孔B內(nèi)部分瓦斯被鉆孔A抽走，鉆孔C內(nèi)部分瓦斯流向鉆孔B，在鉆孔B附近施工小直徑注漿孔1、2后，導(dǎo)致鉆孔串孔的溝通裂隙被封堵，3個(gè)鉆孔抽采相互獨(dú)立互不影響。

圖3 小直徑鉆孔注漿阻隔示意

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

4.1 單孔濃度提升效果

將本次提濃涉及的167個(gè)鉆孔(包括137個(gè)舊鉆孔及30個(gè)新成低濃鉆孔)按鉆孔濃度高低劃分為4個(gè)鉆孔濃度區(qū)間，處理前后各濃度區(qū)間鉆孔數(shù)量變化情況如圖4所示。

圖4 鉆孔處理前后不同濃度區(qū)間鉆孔分布圖

由圖4可知，進(jìn)行低濃鉆孔處理前，單孔濃度低于10%的鉆孔有101個(gè)，占比60%，處理后，還剩37個(gè)鉆孔濃度低于10%，所占比例下降至22%，同時(shí)濃度高于60%的高濃度鉆孔數(shù)量由之前的9個(gè)上升至35個(gè)，所占比例由5%提升至21%，整體上巷道中大于30%的鉆孔由原來(lái)的15%提升到50%，低濃度鉆孔處理后整體效果較好。

4.2 巷道抽采提升效果

該工作面膠順采前預(yù)抽孔處理前137個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺17 486 m，巷道支管抽采濃度為17.2%，抽采純量為2.28 m3/min，萬(wàn)米抽采量為1.30 m3/min.9月下旬開(kāi)始處理低濃度鉆孔，截止12月初，巷道采前預(yù)抽鉆孔總數(shù)為241個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺35 547 m，抽采濃度提升至23.6%，抽采純量上升至9.1 m3/min，萬(wàn)米抽采量提升至2.56 m3/min.巷道抽采支管抽采數(shù)據(jù)變化如圖5所示。

圖5 工作面膠順處理前后抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

4.3 注漿量對(duì)瓦斯抽采濃度影響

注漿量是影響鉆孔密封效果的主要因素，對(duì)瓦斯的抽采效果影響極大。注漿量小于鉆孔及其孔壁周?chē)牧严端枇繒r(shí)，孔裂隙密封效果差，瓦斯抽采濃度低。當(dāng)注漿量達(dá)到鉆孔及其孔壁周?chē)牧严端枇繒r(shí)，孔裂隙實(shí)現(xiàn)良好的密封性，瓦斯抽采濃度大。注漿量繼續(xù)增大則對(duì)瓦斯抽采濃度提升效果不明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 鉆孔漏氣源注漿封堵是處理鉆孔低濃的關(guān)鍵。對(duì)鉆孔抽采漏氣源的排查是鉆孔提濃處理的基礎(chǔ)，無(wú)論是鉆孔本身封孔段漏氣，還是串孔連通的整個(gè)孔段區(qū)域存在漏氣，均存在漏氣源多而分散的特點(diǎn)，漏氣源排查客觀上存在技術(shù)難點(diǎn)，部分鉆孔未找到主要漏氣位置，而盲目打小孔注漿處理，造成了部分鉆孔注漿處理效果不明顯的現(xiàn)象。

2) 對(duì)某工作面膠順低濃度鉆孔進(jìn)行注漿阻隔后，單孔濃度低于10%的鉆孔由101個(gè)下降至37個(gè)，濃度高于60%的高濃度鉆孔數(shù)量由之前的9個(gè)增加至35個(gè)，同時(shí)巷道抽采濃度由17.2%上升23.6%，巷道萬(wàn)米抽采量由1.87 m3/min上升至2.56 m3/min.

3) 串孔鉆孔抽采是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，需根據(jù)情況區(qū)別對(duì)待。串孔導(dǎo)致低濃問(wèn)題較為復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)排查難度大，處理措施較難取得理想效果，建議從鉆進(jìn)施工方面采取有效措施減少或避免串孔現(xiàn)象發(fā)生。