新型瓦斯抽采鉆孔注漿封孔方法及封堵機理研究

李慧東

（山西陽城陽泰集團屯城煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

0 引言

現(xiàn)階段，我國依然采用煤炭為主要能源，伴隨國民經(jīng)濟不斷發(fā)展，對煤炭資源的實際需求量日益增加，煤炭資源開采力度持續(xù)增大，使礦井開始向深部發(fā)展和延伸，越來越多的煤層表現(xiàn)出高瓦斯和低透性等特征。為解決瓦斯問題，需做好瓦斯抽采，而決定其治理效果的關(guān)鍵在于封孔，鉆孔是否密封決定了整個采掘周期的安全性。

1 注漿封孔方法

根據(jù)理論分析成果，要想從根本上提高實際的體積分數(shù)，應以減少漏氣量為基礎，增強封孔支護力。通過對當前主流封孔方式的深入調(diào)研，聚氨酯封孔不僅封孔段長度相對較短、深度不足且支護強度不足，在后期鉆孔容易發(fā)生變形產(chǎn)生漏氣通道，導致鉆孔發(fā)生十分嚴重的漏氣?；诖?，亟需研發(fā)一種全新的封孔方法。

1.1 注漿裝置基本結(jié)構(gòu)

新方法關(guān)鍵技術(shù)為注漿裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型注漿裝置

裝置原始直徑以鉆孔直徑大小為依據(jù)確定，需要為囊袋膨脹預留適當空間，當鉆孔直徑為120 mm時，裝置原始直徑以80 mm 為宜，而膨脹直徑需要達到160 mm。囊袋中間長度以煤層實際條件為依據(jù)確定和適當調(diào)節(jié)，通常按照0.5 m 預留。對于中間抽采管，其直徑需根據(jù)相關(guān)技術(shù)標準確定，通常為50 mm。堵頭件與出漿閥直徑，以及內(nèi)控直徑，都根據(jù)抽采管確定[1]。

采用新裝置進行注漿時，注入的漿液通過堵頭件上預留的注漿孔持續(xù)進入到囊袋當中，待所有囊袋均被漿液完全充滿，且達到開啟壓力后，單向閥開啟，注漿泵為鉆孔實施注漿。待這一空間被漿液充滿后，受注漿壓力持續(xù)作用，漿液向鉆孔壁不斷滲透，完成對鉆孔壁的注漿。待壓力達到要求后，注漿完成，結(jié)束整個封孔過程。

1.2 新型方法基本原理

可以對鉆孔壁進行有效的注漿加固處理，主動提供足夠的支護力，對初期漏氣裂隙予以有效封堵。注漿用漿液先進入到復合囊袋當中，使囊袋發(fā)生膨脹，對鉆孔兩端進行封堵，在注漿壓力達到要求后，囊袋中間壓力促使單向閥開啟，依靠注漿泵為囊袋中間鉆孔實施注漿。待壓力達到要求后將注漿管取出?？梢?，采用新型裝置能對封孔段鉆孔進行注漿。通過在鉆孔壁進行注漿加固處理，同時提供一定主動支護力，能有效減小漏氣圈，削弱封孔段外圍煤體的透氣性，使后期注入的漿液受注漿壓力持續(xù)作用將鉆孔周圍存在的裂縫完全填充和封堵[2]。

通過附加一定支護力實現(xiàn)二次封孔，縮減漏氣圈的實際截面積。該支護力主要包括注漿施加的壓力與材料發(fā)生微膨脹后施加的膨脹力。在進行注漿封孔的過程中，施加的注漿壓力能為鉆孔提供一定支護作用。待注入的漿液達到初凝后，將產(chǎn)生體積膨脹，為鉆孔提供支護力，避免鉆孔周圍煤體產(chǎn)生縮徑變形出現(xiàn)漏氣通道。

使封孔段鉆孔周圍存在的煤體的強度發(fā)生變化，受注漿壓力持續(xù)作用和影響，注漿材料開始大量進入到裂隙當中，促使封孔段鉆孔附近煤體實際強度得以顯著提升。

復合囊袋實際長度需要以煤層地質(zhì)條件為依據(jù)，結(jié)合封孔長度進行適當調(diào)整，而封孔深度需通過對封孔管及注漿管實際長度的適當調(diào)整來調(diào)節(jié)，保證實際的封孔深度達到要求。

2 工程實踐

2.1 工作面概況

某工作面的二煤層屬于現(xiàn)開采煤層，其瓦斯壓力含量可以達到0.65MPa，透氣性系數(shù)為2.0109m2/（MPa2·d）。該巷道設計將瓦斯抽采鉆孔之間的距離確定為2.5 m，孔深為120 m，采用聚氨酯進行封孔，封孔深度為8 m，封孔段的實際長度為1.5 m。

2.2 新型封孔方法應用

因受到采動的影響，該煤層相對破碎，有很大的松動范圍，聚氨酯自身抗壓強度不高，封孔后的瓦斯體積分數(shù)往往很低。為了確定新型注漿裝置是否可靠，需開展對比實驗。新型封孔與聚氨酯封孔實際深度相同，均為15 m，封孔段長2 m，囊袋長度分別為0.75 m，中間煤層注漿段實際長度為0.5 m，采用直徑為50 mm 的抽采管，將初始注漿壓力控制在1.6 MPa的水平。共進行了20 次試驗，兩種方法各10 次，具體的布置方式為：采用新型注漿裝置形成的串孔和傳統(tǒng)方式形成的串孔進行間隔封孔，每10 個鉆孔形成一個完整的串孔，同一個串孔使用安全一致的防控方式，所有單孔都設置測氣嘴對瓦斯體積分數(shù)及負壓進行測量[3]。封孔布置情況如圖2 所示。

圖2 封孔布置情況

2.3 數(shù)據(jù)測試與對比

封孔完成后開始采集鉆孔的瓦斯流量與體積分數(shù)，按照時間段對兩種封孔方式的測試結(jié)果進行分別統(tǒng)計，具體如圖3、圖4 所示。

圖3 瓦斯抽采平均體積分數(shù)對比曲線

圖4 鉆孔瓦斯流量對比曲線

從圖3 可知，封孔完成1 個月以后，采用新型注漿封孔方式對應的平均瓦斯體積分數(shù)結(jié)果為43.7%，而采用傳統(tǒng)封孔方式對應的平均瓦斯體積分數(shù)結(jié)果為26.2%，可見采用新型封孔方式能使平均體積分數(shù)提升約66.7%。封孔完成2 個月以后，采用新型注漿封孔方式對應的平均瓦斯體積分數(shù)結(jié)果為35.6%，而采用傳統(tǒng)封孔方式對應的平均瓦斯體積分數(shù)只有11.6%，通過采用新型封孔方式，可使平均體積分數(shù)提升201.7%。封孔完成3 個月后，采用新型注漿封孔方式對應的平均瓦斯體積分數(shù)結(jié)果為29.69%，采用傳統(tǒng)封孔方式對應的平均瓦斯體積分數(shù)結(jié)果之后9.28%，通過采用新型封孔方式，可使平均體積分數(shù)提升219.7%[4]。

新型與傳統(tǒng)兩種封孔方式都伴隨時間的不斷推移使體積分數(shù)表現(xiàn)出降低的趨勢，然而，新型封孔方式對應平均體積分數(shù)衰減速度相對較慢，同時在測試過程中平均體積分數(shù)結(jié)果都可以達到30%以上，處于可利用范圍之內(nèi)，但采用傳統(tǒng)方式時只有一組數(shù)據(jù)結(jié)果處在這個水平，甚至還有幾組數(shù)據(jù)處于爆炸限以內(nèi)。由此可以看出，兩種封孔方法相比，在保證瓦斯體積分數(shù)與避免管路產(chǎn)生安全隱患方面，新型注漿方式有顯著的優(yōu)勢[5]。

從圖3 可知，采用新型封孔方式對應的瓦斯抽采純量遠高于傳統(tǒng)封孔方式，最好可以提高約55.76%，平均可以提高約33.83%?？梢娦滦妥{裝置有良好的密封性能，能有效減少漏氣，并降低負壓損失，這對實際的瓦斯抽采是十分有利的[6]。

經(jīng)系統(tǒng)的工業(yè)性試驗，驗證了新型封孔方式在很多方面的優(yōu)越性，包括鉆孔瓦斯抽采體積分數(shù)與抽采純量。

3 結(jié)論

1）新型注漿方式通過采用新型注漿裝置及單向閥，使封孔段鉆孔得以良好的主動支護，實現(xiàn)對鉆孔壁的有效加固。因復合囊袋、注漿管及封孔段實際長度都可以將封孔深度與長度為依據(jù)進行調(diào)節(jié)，所以能結(jié)合煤層地質(zhì)條件對封孔段長度及深度予以適當?shù)脑黾踊驕p小。

2）經(jīng)工程對比試驗可知，封孔完成1 個月以后，相較于傳統(tǒng)封孔方式，采用新型注漿方式能使平均體積分數(shù)提升約66.7%；封孔完成2 個月以后，相較于傳統(tǒng)封孔方式，采用新型注漿方式能使平均體積分數(shù)提升約201.7%；封孔完成3 個月以后，相較于傳統(tǒng)封孔方式，采用新型注漿方式能使平均體積分數(shù)提升約219.7%。由此可以看出在提高體積分數(shù)上采用新型封孔方式是有很大優(yōu)勢的。

3）采用新型封孔裝置能起到良好的密封作用，提高主動支護力，減少漏氣，防止從孔口到孔底的負壓損失，這對煤層瓦斯順利涌出十分有利，能提高瓦斯抽采體積分數(shù)與抽采效率，從根本上縮短整個抽采周期，避免由于體積分數(shù)較低產(chǎn)生安全隱患，從根本上保證生產(chǎn)安全。