一種新型封孔技術(shù)在順層鉆孔瓦斯抽采作業(yè)中的應(yīng)用分析

陳五一

（潞安化工集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046103）

1 概述

在我國(guó)的燃?xì)饽茉粗?，其最核心的資源就是瓦斯，在進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程中，其最關(guān)鍵的一道程序就是封孔技術(shù)，如果該技術(shù)不合理，將會(huì)導(dǎo)致瓦斯泄露、氣體濃度降低等結(jié)果。因此，在進(jìn)行抽采的過(guò)程中，需要積極引入全新的封孔技術(shù)，以提高抽采的效果。

何奇等[1]利用大慶油田喇嘛甸區(qū)塊所開(kāi)展的項(xiàng)目進(jìn)行研究，提出了運(yùn)用鎖孔成膜封堵劑來(lái)進(jìn)行封孔，促使工程可以取得較好的防漏效果，通過(guò)運(yùn)用該技術(shù)，也可以對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行保護(hù)，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行了較好的保護(hù)。郭烴[2]選擇四川龍灘礦井開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的瓦斯事故來(lái)進(jìn)行分析，明確了裂隙的發(fā)育，并利用兩堵一注的形式來(lái)實(shí)施封孔處理，以有效治理煤礦瓦斯。馮亮亮[3]指出通過(guò)運(yùn)用定向水力壓裂技術(shù)，可有效改善傳統(tǒng)鉆孔存在的缺陷，并借助古書院礦井項(xiàng)目來(lái)檢驗(yàn)這一方法的可行性，以有效解決漏氣問(wèn)題。

由上述可知，目前的研究主要是基于封孔與鉆孔兩種技術(shù)來(lái)對(duì)瓦斯抽采過(guò)程中存在的漏氣問(wèn)題進(jìn)行研究，并且極少涉及到順層鉆孔的瓦斯抽采[4]。但是，在該工程中，由于受到了礦山壓力的影響，鉆孔十分容易發(fā)生變形問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致漏氣問(wèn)題的發(fā)生。因此，本文研發(fā)了一種全新的封孔技術(shù)，并將其積極運(yùn)用到本礦井中，極大提升了瓦斯的抽采率。

2 工程背景與抽采現(xiàn)狀

2.1 工程背景

本次研究以潞安化工集團(tuán)常村煤礦為依托來(lái)進(jìn)行研究，對(duì)其瓦斯抽采工作進(jìn)行研究，本礦井的預(yù)期生產(chǎn)力為800×104t/a，在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，其方法為傾斜式長(zhǎng)壁采煤法，主煤層較為穩(wěn)定，對(duì)瓦斯的含量進(jìn)行檢測(cè)為6.85m3/t，瓦斯壓力處于0.2～0.49MPa之間[5]。

2.2 原封孔技術(shù)

煤礦原鉆孔操作是利用PVC 管來(lái)進(jìn)行，并運(yùn)用聚氨醋來(lái)進(jìn)行封孔，之后迅速實(shí)施鉆孔，以完成順層鉆孔的封孔操作，對(duì)礦井內(nèi)四個(gè)孔深為60m 的瓦斯抽采純量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制相關(guān)的曲線圖，見(jiàn)圖1。

圖1 原封孔工藝下抽采瓦斯純量隨抽采時(shí)間變化關(guān)系

根據(jù)圖1 可以發(fā)現(xiàn)，隨著抽采時(shí)間的推移，四個(gè)鉆孔的抽采純量持續(xù)降低，并且速度逐漸減緩[5]。在初期開(kāi)采的時(shí)候，四個(gè)鉆孔每分鐘抽采瓦斯純量分別為0.047m3、0.065m3、0.040m3和0.024m3，而在持續(xù)進(jìn)行了10d之后，每一個(gè)鉆孔每分鐘抽采瓦斯的純量均降低至0.02m3，其中，744 號(hào)鉆孔基本趨于0。因此，如果封孔過(guò)程采取原聚氨醋則無(wú)法取得較好的效果，并且會(huì)加重漏氣問(wèn)題，無(wú)法取得較好的抽采效果，因此，需對(duì)封孔技術(shù)進(jìn)行積極創(chuàng)新。

3 新型封孔技術(shù)

3.1 抽采漏氣規(guī)律

在進(jìn)行瓦斯抽采的時(shí)候，由于受到諸多因素的影響，如封孔技術(shù)、圍巖性質(zhì)等，瓦斯會(huì)出現(xiàn)不同的泄露狀況。通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，與工程、巖石力學(xué)等理論相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)抽采階段主要發(fā)生了以下三種漏氣問(wèn)題：

（1）破碎圍巖漏氣。如圖2 所示，為抽采過(guò)程中氣體的流動(dòng)圖。通過(guò)該圖可知，在形成了鉆孔之后，由于開(kāi)挖問(wèn)題，鉆孔周圍出現(xiàn)出現(xiàn)了圍巖松動(dòng)、破碎等問(wèn)題，根據(jù)巖石力學(xué)的理論，將圍巖劃分為三個(gè)區(qū)域，分別為彈性區(qū)、塑性區(qū)和破碎區(qū)。在氣體泄露的問(wèn)題上，破碎區(qū)是關(guān)鍵原因，需要采取有效措施來(lái)進(jìn)行及時(shí)封堵[6]。

圖2 順層鉆孔瓦斯抽采氣體流動(dòng)

（2）鉆孔壁與封孔材料存在貼合差。由于受到礦山壓力的影響，鉆孔圍巖將會(huì)發(fā)生一定的變形問(wèn)題，例如，封孔材料無(wú)法較好地粘結(jié)鉆孔壁，導(dǎo)致兩者之間會(huì)出現(xiàn)空隙，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔之中存在一定的空氣，從而出現(xiàn)漏氣的問(wèn)題[7]。

(3)封孔材料漏氣。與圖2 相結(jié)合，在發(fā)生這一問(wèn)題的情況下，空氣將會(huì)進(jìn)入到抽采管之內(nèi)，導(dǎo)致瓦斯的濃度持續(xù)降低，無(wú)法取得較好的抽采結(jié)果[8]。導(dǎo)致這一問(wèn)題發(fā)生的原因較多，例如操作不當(dāng)、材料質(zhì)量較差等，因此，需要對(duì)材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，促使瓦斯的抽采效率得到顯著提升。

3.2 封孔原則

以上述漏氣的規(guī)律及原因分析為基礎(chǔ)，與封孔技術(shù)及其要求相結(jié)合，提出以下幾點(diǎn)原則：

（1）遵循優(yōu)先封堵破碎圍巖的原則。在進(jìn)行抽采的過(guò)程中，由于受到開(kāi)采的破壞，并且由于受到礦山壓力的影響，會(huì)發(fā)生蠕變變形，這就導(dǎo)致圍巖的受破壞情況更為嚴(yán)重。在進(jìn)行抽采的時(shí)候，造成瓦斯出現(xiàn)泄露的核心因素在于圍巖破碎，因此，應(yīng)遵循優(yōu)先封堵破碎圍巖的原則來(lái)進(jìn)行封堵[9]。在這一過(guò)程中，首先需要運(yùn)用巖石力學(xué)理論，對(duì)其他的參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，選擇適合的方法來(lái)對(duì)鉆孔的卸壓直徑進(jìn)行計(jì)算。

（2）遵循封堵深度優(yōu)化原則。抽采過(guò)程中之所以出現(xiàn)漏氣問(wèn)題，其關(guān)鍵在于鉆孔的卸壓區(qū)與峰后的應(yīng)力區(qū)，由于這一區(qū)域之內(nèi)的煤巖受到了破壞，巖石內(nèi)部的裂隙會(huì)存在良好的發(fā)育，因此，鉆孔之時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)圍巖的卸壓區(qū)和峰后的應(yīng)力區(qū)進(jìn)行綜合考慮來(lái)選擇封孔的深度[10]。

3.3 封孔工藝優(yōu)化

圖1 表示的是處于原聚氨醋封孔技術(shù)的背景下瓦斯的抽采純量與時(shí)間之間的曲線圖，這一封孔技術(shù)不具有較高的效率，因此需要對(duì)封孔技術(shù)進(jìn)行完善。由于聚氨醋無(wú)法較好地滲入煤體之中，封堵的效果較差，因此，封孔材料可以選擇SRS-Ⅱ型高強(qiáng)微膨脹型的速凝材料。這一材料具有較多的優(yōu)勢(shì)，如較好地滲透性、較快地凝結(jié)速度等，并且具有較長(zhǎng)的使用壽命，可以將圍巖裂隙進(jìn)行有效地封堵[11]。為了確保封孔深度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，在作業(yè)面周圍需要進(jìn)行打鉆，以取得深度不同的鉆孔，圖3表示的各個(gè)深度下煤屑瓦斯解吸參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)圖3可知，從整體上講，這一參數(shù)會(huì)隨著深度的改變而不斷變化，其主要呈現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但是在鉆孔抽采到11m 的深度時(shí)，該曲線的斜率將會(huì)急劇增加，因此，明確11m為圍巖卸壓區(qū)，因此，鉆孔的深度為11m的時(shí)候，瓦斯抽采才可以取得較好的效果[12]。

圖3 鉆孔煤屑瓦斯解吸參數(shù)隨鉆孔深度變化趨勢(shì)

3.4 優(yōu)化效果

本文所研究的鉆孔深度與以往封孔技術(shù)所運(yùn)用的鉆孔深度相一致，最終得到了四個(gè)鉆孔抽采的瓦斯純量，且其數(shù)值會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生變化，詳見(jiàn)圖4，兩者之間呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即抽采的瓦斯純量會(huì)伴隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而持續(xù)降低，但是兩者的變化速度會(huì)持續(xù)變緩，這與傳統(tǒng)的封孔工藝的變化基本一致[13]。在初次開(kāi)采的時(shí)候，這四個(gè)鉆孔的瓦斯純量分別為0.043m3、0.019m3、0.025m3和0.046m3，而持續(xù)進(jìn)行了10d 之后[14]，在每一分鐘內(nèi)，四個(gè)鉆孔所開(kāi)采的瓦斯純量持續(xù)降低，其中，744號(hào)鉆孔基本趨于0。

圖4 新型封孔工藝下抽采瓦斯純量隨抽采時(shí)間變化關(guān)系

對(duì)利用新型封孔技術(shù)之后瓦斯的抽采效率與利用之前進(jìn)行對(duì)比，對(duì)各個(gè)鉆孔瓦斯的初始含量進(jìn)行綜合考慮，因此，選擇兩個(gè)瓦斯抽采的初始純量相接近的鉆孔進(jìn)行對(duì)比[15]。選擇880 和992 號(hào)鉆孔來(lái)進(jìn)行比較研究，其瓦斯抽采的初始純量分別為每分鐘0.047m3和0.046m3，當(dāng)抽采時(shí)間持續(xù)進(jìn)行20d之后[16]，在不同的封孔技術(shù)之下，抽采瓦斯的純量分別為每分鐘0.003m3和0.008m3。利用新型的封孔技術(shù)來(lái)完成封孔，之后的瓦斯抽采純量得到了顯著提升，因此，在順層鉆孔的瓦斯抽采之中，新型的封孔技術(shù)可以取得較好的效果[17]。

4 結(jié)論

為了改善我國(guó)煤礦順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的效果，本文以潞安化工集團(tuán)常村煤礦瓦斯抽采項(xiàng)目為對(duì)象來(lái)開(kāi)展研究，針對(duì)其中順城鉆孔發(fā)生的漏氣問(wèn)題進(jìn)行分析，并開(kāi)發(fā)出新的封孔技術(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）在以順層鉆孔為技術(shù)來(lái)開(kāi)展開(kāi)采作業(yè)時(shí)，瓦斯泄露問(wèn)題主要在于以下三個(gè)因素：鉆孔壁與封孔材料之間的貼合差、破碎圍巖出現(xiàn)漏氣、封孔材料出現(xiàn)漏氣，因此需要嚴(yán)格遵照相應(yīng)的原則來(lái)優(yōu)化這一問(wèn)題。

（2）隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯純量持續(xù)降低，但是速率卻逐漸緩慢，兩者之間呈現(xiàn)出了一種指數(shù)函數(shù)的變化趨勢(shì)；與以往所運(yùn)用的技術(shù)相對(duì)比，通過(guò)運(yùn)用合適的封孔技術(shù)來(lái)實(shí)施封孔，其瓦斯的抽采量得到明顯提升。