大直徑鉆孔高壓保壓封孔技術(shù)研究

霍晶晶

(潞安化工集團 寺家莊公司,山西 晉中 045300)

瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯問題的根本途徑,選取合理的封孔工藝、封孔材料對降低鉆孔漏氣量至關(guān)重要。為提高鉆孔的密封質(zhì)量,國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多種封孔工藝和封孔材料。應(yīng)用比較多的封孔工藝包括“兩堵一注”封孔、動態(tài)注漿封孔、“二次封孔”和封堵一體化等[1]。針對注漿封孔的局限性,周福寶等[2]提出利用鉆孔負壓將超細膨脹粉末顆粒吸入鉆孔周圍微小裂隙的二次封孔方法;王兆豐等[3]提出“破孔重封”的二次封孔方法;時嵐[4]提出固液兩相膏體分時段封孔技術(shù);楊赫[5]提出瓦斯抽采鉆孔分級管控,通過識別有問題鉆孔進行針對性封孔,從而提高總體瓦斯體積分數(shù),但瓦斯體積分數(shù)衰減過快問題依然沒有完全解決。

我公司本煤層順層抽采鉆孔采用囊袋式“兩堵一注”水泥砂漿封孔方式,封孔管為直徑63 mm、壁厚6 mm的PE管,連接部位及管件必須能承受不小于2 MPa的壓力;注漿封孔長度不少于12 m,封孔深度位于距孔口8～16 m處。抽采鉆孔必須有單孔觀測裝置,鉆孔孔口負壓不得低于13 kPa,以8～10個孔為一組,進行標準化連孔,實現(xiàn)分組計量,但由于采用的是“固封氣”技術(shù)原理,依然普遍存在濃度衰減快、抽采率低、瓦斯抽采達標周期長的問題,瓦斯抽采鉆孔封孔效果不盡人意,主要原因在于:①注漿壓力偏低;②注漿過程不能保壓;③封孔材料凝固析水形成“水線”;④封孔材料凝固后收縮等。

1 高壓保壓封孔裝備研發(fā)

1.1 高壓保壓封孔囊袋材料及工藝研發(fā)

抽采鉆孔直徑由113 mm增加至400 mm,原來的封孔囊袋由于無法承受大直徑抽采鉆孔的封孔材料重量和注漿壓力,大部分破裂,無法保障封孔效果。因此,需要對大直徑抽采鉆孔的封孔囊袋材料進行研發(fā)。本研究擬采用市售的不同直徑和不同密度的棉線編織的織物材料制作封孔器材的注漿囊袋,如圖1所示。

圖1 4種不同的試樣材料

采用 JF-100P 微電腦拉力試驗機對有效測試尺寸為 100 mm×25 mm 的布條試樣進行拉伸實驗,記錄實驗過程中布條的拉伸長度、拉力及變形破壞情況;此外,采用砂輪對織物的彎曲耐磨度進行測試,記錄磨損1 min后織物的殘余質(zhì)量,并進一步計算織物的磨損率;最后通過濾漿實驗檢測不同織物的漿液過濾性能,并觀測所過濾的漿液。從圖2可以看出,試樣1、試樣2、試樣3、試樣4的極限拉力分別為1 122 N、723 N、860 N、515 N,這表明試樣1具備更高的抗拉強度,試樣1制作的囊袋會更具有穩(wěn)定性。

圖2 各試樣的破壞拉力

從圖3中可以看出,試樣在不同狀態(tài)下的拉伸率,試樣1、試樣2、試樣3、試樣4的極限拉伸率分別為35.5%、25%、41%、39%.這表明在試樣發(fā)生破壞之前,試樣3所發(fā)生的拉伸最大。由于囊袋中存在一定的漿液,所以較大的拉伸率可能導(dǎo)致滲出較多漿液,這不利于充分利用漿液。從圖4中可以看出,不同試樣對于漿液的濾水效果不同,其中試樣3、試樣4的拉伸率最大,導(dǎo)致滲出較多漿液,不利于瓦斯封孔,試樣1、試樣2可以保留較多漿液,有利于瓦斯封孔。另外,其中試樣4的濾水效果較差,試樣1、試樣2可以過濾出渾濁的液體。

圖3 各試樣的極限拉伸率

根據(jù)上述結(jié)果,可以選擇試樣1作為囊袋的原材料,同時,囊袋與封孔管的連接對封孔效果至關(guān)重要,將鋼環(huán)下設(shè)置柔性襯墊時,固定結(jié)構(gòu)的極限承受力達到1 800 N以上。因此,在進行囊袋與封孔管固定的時候,應(yīng)該采用壓制磨倒角鋼環(huán)的形式,并且倒角鋼環(huán)與囊袋之間應(yīng)設(shè)置柔性襯墊。

圖4 各試樣濾水性能測試

1.2 高壓保壓封孔管優(yōu)化

抽采鉆孔直徑由113 mm增加至400 mm,原來的封孔管由于無法承受大直徑抽采鉆孔的注漿壓力,大部分破裂,無法保障封孔效果。因此,需要對大直徑抽采鉆孔的封孔管進行研發(fā)。通過與廠家實驗,將封孔管壁厚由原來的6 mm增加至8 mm,封孔管材料從PE管改進為PVC管(見圖6)。優(yōu)化后,封孔管承壓能夠達到4 MPa以上。

2 高壓保壓封孔參數(shù)研究

2.1 合理注漿壓力確定

為了確定合理的注漿壓力,利用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件進行注漿壓力與擴散半徑的分析。抽采鉆孔圍巖內(nèi)分布著大量的裂隙,可以用多孔介質(zhì)來表示,漿液在巖體中的擴散可以看作是液體在多孔介質(zhì)中的擴散過程。以鉆孔為中心,抽采鉆孔的直徑400 mm,模型尺寸為20 m×20 m建立二維平面注漿模型并進行網(wǎng)格劃分。為提高計算的效率,劃分網(wǎng)格時將模型劃分為多個區(qū)域。此次模擬在固定巖層裂隙分布下,對不同注漿壓力下漿液的徑向封堵效果進行分析。注漿壓力為相對壓力,以P0表示,參考計算結(jié)果,注漿壓力的范圍選為1～3 MPa,梯度為0.5 MPa遞增。模型的邊緣區(qū)域定義為無限遠且此處壓力為0.主要參數(shù)如表1所示。

圖6 大直徑鉆孔封孔管

表1 數(shù)值模擬的主要參數(shù)

模擬過程使用達西定律與稀物質(zhì)進行耦合計算,以漿液的濃度分布情況表示其擴散情況,體積分數(shù)為0的區(qū)域可表示為未擴散區(qū)域,以此來確定漿液的擴散距離。模擬結(jié)果可以用多種形式表現(xiàn),由此可得到漿液分布的等值圖與分布云圖,為突出擴散距離,以等值線圖為主進行表示,各個注漿壓力下的結(jié)果如圖7所示。對數(shù)值模擬的結(jié)果進行分析,對比各個壓力下漿液的擴散范圍云圖,可知擴散的深度與注漿壓力的關(guān)系呈正相關(guān),特別是根據(jù)壓力在1 MPa與2 MPa下,擴散距離的等值線圖對比可進一步得知,壓力越大,漿液的徑向擴散深度越大。提取注漿壓力與擴散距離數(shù)據(jù),如圖8所示。

圖7 各注漿壓力漿液的擴散云圖

圖8 注漿壓力漿液擴散距離分布圖

從圖8中可以看出,隨著注漿壓力的增大,漿液擴散距離逐漸增加,當注漿壓力由1 MPa增加到3 MPa,擴散距離由380 mm增加到1 225 mm,但增加幅度逐漸減小,注漿壓力為2.5 MPa時,擴散距離達到1 195 mm,能夠滿足現(xiàn)場注漿需求,因此確定合理的注漿壓力為2.5 MPa.

2.2 合理封孔深度確定

封孔深度是瓦斯抽采的重要參數(shù)之一,直接影響抽采效果和抽采成本。封孔深度太短會導(dǎo)致抽采鉆孔“短路”,巷道內(nèi)的空氣經(jīng)卸壓帶的貫穿裂隙被抽入鉆孔,降低瓦斯?jié)舛?封孔深度過長不但會造成封孔材料的浪費,也會造成封孔段部分成為瓦斯抽采的“盲區(qū)”,如圖9所示。因此,確定預(yù)抽鉆孔的合理封孔深度,具有安全效益和經(jīng)濟效益。

圖9 封孔深度對瓦斯抽采效果影響示意

煤礦井下開采作業(yè)破壞了原始地層的應(yīng)力平衡狀態(tài),使采掘工作面煤壁前方煤體承受的應(yīng)力重新分布。一般情況下,煤壁前方在較短時間內(nèi)就會形成應(yīng)力重新分布,首先在煤壁附近形成較高的集中應(yīng)力,當集中應(yīng)力值達到煤體的輕度極限后,這部分煤體首先發(fā)生屈服變形,使集中應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移。經(jīng)過一定時間后,形成卸壓帶,應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶,簡稱為巷道應(yīng)力“三帶”,如圖10所示。

圖10 煤壁前方煤體應(yīng)力帶分布示意

由于瓦斯含量大小能綜合反映煤體的瓦斯壓力、透氣性、瓦斯排放等情況,因此,巷幫“三帶”分布可以通過測定不同深度煤體的原始瓦斯含量來確定,煤體應(yīng)力“三帶”分布規(guī)律如圖11所示。

圖11 瓦斯含量隨鉆孔變化情況

從圖11中可以看出,0～10 m為卸壓區(qū),10～23 m為應(yīng)力集中區(qū),大于23 m為原始應(yīng)力區(qū),因此,合理的始封深度為10 m,合理的封孔段長度為10～23 m.

3 高壓保壓封孔工藝效果

為提高本煤層順層鉆孔封孔質(zhì)量,在15115工作面進風(fēng)巷第8抽采單元試驗順層鉆孔高壓保壓封孔技術(shù)。鉆孔封孔采用“兩堵一注”定點定長帶壓封孔工藝,同時壓力表、封孔泵、注漿管、快速接頭、囊袋爆破閥等配件同步配套,囊袋承壓從2 MPa提升至3 MPa,封孔管承壓從2 MPa提升至4 MPa,高壓穩(wěn)壓時長不小于30 min.鉆孔封孔管長度為30 m,封孔器1號囊袋距孔口27 m,2號囊袋距孔口為15 m,封孔深度13.5 m,封孔段長度為12 m.如圖12所示。

圖12 大直徑順層鉆孔封孔器安裝示意(單位:mm)

裝備改造主要是在進氣側(cè)安裝氣源控制器。氣源控制器的安裝實現(xiàn)了注漿壓力的精準控制,注漿壓力表的更換解決了水泥砂漿直接作用于壓力表造成的頻繁損壞問題,實現(xiàn)了注漿壓力可視化、精準化。

現(xiàn)場統(tǒng)計了采用高壓保壓封孔方式和普通封孔方式的抽采體積分數(shù)及流量,如圖13、表2所示。可以看出,采用普通封孔方式的抽采體積分數(shù)為8.7%～51%,平均26.3%,采用高保壓封孔方式的抽采體積分數(shù)為35%～68%,平均為46.6%,提高了0.77倍;采用普通封孔方式的抽采純量為0.019 4～0.135 m3/min,平均為0.053 m3/min,采用高保壓封孔方式的抽采純量為0.119～0.243 m3/min,平均為0.165 m3/min,提高了2.1倍;為工作面的高產(chǎn)高效創(chuàng)造先決條件。

圖13 不同封孔方式抽采效果考察

表2 一組抽采鉆孔抽采效果對比

4 結(jié) 語

1) 優(yōu)選了囊袋的原材料及加工工藝,囊袋與封孔管固定的時候采用壓制磨倒角鋼環(huán),并且倒角鋼環(huán)與囊袋之間應(yīng)設(shè)置柔性襯墊,將囊袋密封邊線由兩道增加為三道,囊袋承壓能力能夠達到3 MPa以上;將封孔管壁厚由原來的6 mm增加到8 mm,封孔管材料從PE管改進為PVC管,優(yōu)化后,封孔管承壓能夠達到4 MPa以上。

2) 確定了合理的大直徑抽采鉆孔封孔參數(shù)。合理的注漿壓力為2.5 MPa,擴散距離達到1 195 mm.巷道周圍0～10 m為卸壓區(qū),10～23 m為應(yīng)力集中區(qū),大于23 m為原始應(yīng)力區(qū)。抽采鉆孔合理的始封深度為9 m,合理的封孔段長度為10～23 m.

3) 對比普通封孔方式和高保壓封孔方式的抽采效果,抽采體積分數(shù)提高了0.77倍,抽采純量提高了2.1倍。