深部煤層漏氣鉆孔精準(zhǔn)堵漏技術(shù)研究

宋路路

(潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司 王莊煤礦, 山西 長(zhǎng)治 046000)

近年來,隨著煤層開采深度的不斷加深以及復(fù)雜特殊的煤層地質(zhì)條件,使得所開采煤層具有瓦斯含量大、壓力高、強(qiáng)吸附、低滲透等特征,瓦斯災(zāi)害帶來的安全生產(chǎn)威脅愈加嚴(yán)重。瓦斯采前預(yù)抽是當(dāng)前瓦斯治理的主要技術(shù)手段[1],鉆孔初次封孔完成后,由于受地應(yīng)力活動(dòng)、采掘及抽采負(fù)壓等多因素的影響,會(huì)出現(xiàn)瓦斯抽采濃度下降、純量低和鉆孔漏氣嚴(yán)重等問題,瓦斯抽采鉆孔的封孔質(zhì)量決定了瓦斯抽采效果。相關(guān)學(xué)者就如何提高鉆孔密封性進(jìn)行了探索。周福寶等[2]提出了在鉆孔周圍施工小鉆孔并放入微細(xì)膨脹粉料,利用高壓氣體將粉料在壓差作用下送入鉆孔內(nèi)部,滲入鉆孔周邊裂隙,封堵鉆孔漏氣通道;王兆豐等[3]為解決因封孔失效而造成鉆孔抽采效果不佳的問題,提出了“破孔、透孔、分段封孔”三步走的破孔二次封孔方法;岳漢[4]提出了在抽采鉆孔周邊施工小直徑鉆孔,并向小直徑鉆孔內(nèi)注漿以達(dá)到增強(qiáng)鉆孔密封性的目的;熊偉[5]通過在鉆孔應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)交界位置施工環(huán)形縫槽,增強(qiáng)原封孔工藝的密封效果,對(duì)失效鉆孔進(jìn)行修復(fù)處理。鑒于上述研究成果,以治理王莊煤礦91-208運(yùn)巷低濃漏氣鉆孔為工程背景,在分析鉆孔漏氣規(guī)律的基礎(chǔ)上,提出了漏氣鉆孔精準(zhǔn)堵漏提高瓦斯抽采濃度技術(shù)并于井下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以期增強(qiáng)鉆孔密封性,延長(zhǎng)鉆孔服務(wù)期限。

1 鉆孔孔內(nèi)注漿堵漏提濃原理

鉆孔孔內(nèi)注漿堵漏提濃技術(shù)原理如圖1所示。該技術(shù)基于“兩堵一注”的主體思路,對(duì)于已初次封孔定型的低濃鉆孔,通過對(duì)鉆孔孔內(nèi)不同位置的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè),分析瓦斯?jié)舛茸兓?明確鉆孔主要漏氣區(qū)域后,將兩個(gè)可膨脹回收膠囊穿過抽采管送入鉆孔內(nèi),注壓膨脹后在兩個(gè)膠囊中間形成密閉封孔段,隨后在密封區(qū)域帶壓注入微膨脹性封孔材料,待漿液凝固后,達(dá)到強(qiáng)化鉆孔周圍煤巖體固結(jié)、減小抽采鉆孔圍巖后期蠕變程度的作用。這種方式不僅可以擴(kuò)展鉆孔周邊裂隙,增大漿液擴(kuò)散范圍,實(shí)現(xiàn)對(duì)抽采鉆孔周圍煤巖體發(fā)育裂縫的有效滲透封堵,并且可以在帶壓注漿的作用下,將漿液滲入到煤體微小裂隙內(nèi)部,從而對(duì)鉆孔施工、負(fù)壓抽采過程中鉆孔壁及周圍煤巖中產(chǎn)生的裂隙實(shí)現(xiàn)有效封堵,提高瓦斯抽采效果,延長(zhǎng)鉆孔抽采服務(wù)周期。

1—煤層;2—注漿管;3—抽采管;4—初次封孔段;5—外封孔膠囊;6—卸壓閥;7—煤層裂縫;8—里封孔膠囊;9—錐形堵頭圖1 鉆孔堵漏提濃技術(shù)原理示意圖

該技術(shù)可通過調(diào)整注漿管的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)堵漏,注漿封孔段深度、長(zhǎng)度的便攜調(diào)節(jié),有針對(duì)性地對(duì)鉆孔內(nèi)主要漏氣區(qū)間進(jìn)行注漿堵漏,且采用單通道注漿方式進(jìn)行孔內(nèi)注漿堵漏,通過逐步提升注漿壓力完成封孔膠囊膨脹、卸壓閥出漿等操作,整體工藝便捷,有利于提高注漿提濃效率,減少施工工作量。

2 試驗(yàn)過程

2.1 工程概況

王莊煤礦91-208運(yùn)巷為高瓦斯巷道,巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2471 m,巷道位置見圖2. 該巷道目前采用順層鉆孔進(jìn)行瓦斯治理,鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度120 m,下12 m深外徑75 mm、內(nèi)徑62 mm的PVC抽采管,采用“兩堵一注”囊袋式封孔工藝進(jìn)行鉆孔封孔,封孔長(zhǎng)度10 m,鉆孔設(shè)計(jì)抽采負(fù)壓14.5 kPa.

圖2 91-208運(yùn)巷分布位置圖

由于該巷道初次封孔質(zhì)量較差,隨著抽采時(shí)間變長(zhǎng),鉆孔抽采濃度衰減變化較快,部分鉆孔存在鉆孔漏氣和煤壁漏氣情況,鉆孔深部瓦斯難以抽出,容易產(chǎn)生抽采空白帶。因此,有必要對(duì)漏氣鉆孔實(shí)施精準(zhǔn)堵漏工藝,增強(qiáng)鉆孔密封性。

2.2 鉆孔漏氣位置檢測(cè)

在堵漏注漿提濃試驗(yàn)開始前,為確定合理的注漿位置,首先對(duì)漏氣鉆孔不同深度的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè),以找到鉆孔的漏氣位置,進(jìn)而確定最佳注漿封孔深度。選取91-208運(yùn)巷中3個(gè)低濃鉆孔作為試驗(yàn)對(duì)象,鉆孔編號(hào)分別為S1#、S2#、S3#. 分別對(duì)該3個(gè)鉆孔內(nèi)12 m、13 m、14 m、15 m、16 m、17 m、18 m、19 m、20 m位置的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)數(shù)據(jù)見圖3.

圖3 鉆孔不同深度漏氣情況圖

由圖3可以看出,鉆孔從12～20 m位置處的漏氣情況,在孔內(nèi)12～16 m瓦斯?jié)舛惹€較為平緩,漏氣程度雖然較輕,但也存在一定的瓦斯?jié)舛人p情況,在孔內(nèi)16～20 m瓦斯?jié)舛惹€明顯較陡,瓦斯?jié)舛扔摄@孔以里向外出現(xiàn)快速衰減,漏氣較為嚴(yán)重。即使在鉆孔內(nèi)20 m相對(duì)較深的位置,試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度最高也只有56.2%,說明煤體裂隙及孔壁裂隙普遍發(fā)育,雖可以通過增加注漿封孔深度對(duì)深部裂隙進(jìn)行封堵,但這也減少了鉆孔有效抽采長(zhǎng)度,同時(shí)也使推送裝置的難度增加。綜合考慮鉆孔漏氣位置及注漿施工困難程度,將堵漏封孔段確定為12～20 m.

2.3 鉆孔注漿情況

在對(duì)S1#、S2#、S3#三個(gè)漏氣鉆孔堵漏注漿過程中,注漿壓力1～1.5 MPa,注漿量均達(dá)到75 kg,裝置封孔深度20 m,漿液在注漿壓力作用下向煤層中持續(xù)流動(dòng)擴(kuò)散?？梢钥闯龃祟愩@孔周圍裂隙較為發(fā)育,且裂隙之間相互貫通,在抽采過程中極易出現(xiàn)漏氣情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)鉆孔提濃效果考察

在注漿前后分別對(duì)試驗(yàn)鉆孔的抽采濃度進(jìn)行了觀測(cè),觀測(cè)數(shù)據(jù)見圖4,并對(duì)鉆孔濃度的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行了處理分析,數(shù)據(jù)結(jié)果見圖5. 分析圖4,5數(shù)據(jù)可知,采用堵漏提濃技術(shù)后,注漿試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度均有明顯提升,S2#鉆孔絕對(duì)瓦斯?jié)舛忍嵘窟_(dá)到了56%,其余鉆孔絕對(duì)瓦斯?jié)舛忍嵘烤?5.4%以上;S3#鉆孔相對(duì)瓦斯?jié)舛忍嵘窟_(dá)到了709%,其余鉆孔相對(duì)瓦斯提升量濃度均在373%以上。由此可見,注漿后鉆孔提濃效果明顯,該技術(shù)不僅能對(duì)鉆孔周圍煤巖體中的裂隙實(shí)現(xiàn)有效封堵,隔絕巷道空氣進(jìn)入鉆孔內(nèi)部通道,而且能對(duì)鉆孔初次封孔段受長(zhǎng)期抽采活動(dòng)而存在的蠕變漏氣處進(jìn)行二次注漿修復(fù),鉆孔密封性得到明顯增強(qiáng)。

圖4 試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度注漿前后圖

圖5 試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛忍嵘繄D

3.2 周邊鉆孔提濃效果考察

對(duì)試驗(yàn)鉆孔周邊孔Z1#、Z2#、Z3#和Z4#注漿前后的瓦斯抽采濃度進(jìn)行觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理,見圖6,7. 分析圖6,7數(shù)據(jù)可知,采用鉆孔堵漏提濃技術(shù)后,試驗(yàn)孔周邊鉆孔抽采濃度也有小幅度的提升,單孔絕對(duì)瓦斯抽采濃度、相對(duì)瓦斯抽采濃度分別最大提升了22.6%、218.9%,說明鉆孔堵漏提濃技術(shù)不僅能夠在一定程度上提升漏氣鉆孔的抽采濃度,對(duì)漏氣鉆孔附近一定范圍內(nèi)的鉆孔瓦斯抽采濃度也具有提升作用,該現(xiàn)象也說明該工藝能對(duì)試驗(yàn)鉆孔周圍的孔裂隙實(shí)現(xiàn)有效封堵。

圖6 周邊孔瓦斯抽采濃度注漿前后圖

3.3 試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度變化規(guī)律

為進(jìn)一步研究試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間的變化規(guī)律,在鉆孔注漿完成后,對(duì)試驗(yàn)鉆孔前35 d的瓦斯抽采濃度進(jìn)行跟蹤觀測(cè),觀測(cè)數(shù)據(jù)見圖8.

圖8 鉆孔抽采濃度隨時(shí)間變化曲線圖

由圖8可以看出,提濃鉆孔在抽采35 d后,試驗(yàn)鉆孔最大瓦斯抽采濃度仍能達(dá)到57.8%,雖在抽采過程中受抽采負(fù)壓、采掘活動(dòng)、瓦斯運(yùn)移等因素的影響,各鉆孔均出現(xiàn)了濃度小幅衰減,衰減濃度在10%左右,但提濃鉆孔整體上仍能保持較高較穩(wěn)定的瓦斯抽采濃度。由此可見,漏氣鉆孔在進(jìn)行孔內(nèi)注漿堵漏提濃后,不但鉆孔封孔段的密封性得到修復(fù)增強(qiáng),且抗蠕變變形能力也得到了一定的提升,在一定時(shí)間抽采后,鉆孔仍能保持較好的密封效果。

4 結(jié) 論

1) 通過分析抽采鉆孔漏氣規(guī)律,并對(duì)孔內(nèi)不同深度瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè),得到鉆孔孔內(nèi)12～16 m為漏氣平緩區(qū)域,16～20 m為漏氣嚴(yán)重區(qū)域。

2) 提出了漏氣鉆孔精準(zhǔn)堵漏提濃技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該技術(shù)不僅能夠?qū)︺@孔周圍煤巖體中的裂隙實(shí)現(xiàn)有效封堵,提升注漿試驗(yàn)孔的瓦斯抽采濃度,還對(duì)試驗(yàn)鉆孔附近一定范圍內(nèi)的抽采鉆孔濃度具有提升作用。

3) 提濃鉆孔瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間的延長(zhǎng)整體上仍能保持較高較穩(wěn)定的抽采濃度,表明注漿后鉆孔封孔段密封性得到修復(fù)增強(qiáng),并且抗蠕變變形能力也得到了一定的提升。