瓦斯治理抽采鉆孔修復(fù)提濃及配套技術(shù)研究

高占峰,邢 祥,劉瑞杰,王振剛

(1.安陽(yáng)大眾煤業(yè)有限責(zé)任公司,河南 安陽(yáng) 455000;2.安陽(yáng)鑫龍煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,河南 安陽(yáng) 455000)

大眾煤礦位于安陽(yáng)市殷都區(qū)銅冶鎮(zhèn)南魯仙村,東南距安陽(yáng)市約30 km,南距水冶鎮(zhèn)約7 km。礦井始建于1974年,1978年投產(chǎn);井田南北走向長(zhǎng)8.4 km,東西傾向?qū)?.3 km,井田面積約16 km2,屬煤與瓦斯突出礦井。礦井采用穿層鉆孔作為區(qū)域防突措施,穿層鉆孔施工成本高,且鉆孔抽采一段時(shí)間后,受抽采負(fù)壓、煤層壓力、巷道壓力變化等因素影響,可能造成鉆孔堵塞、漏氣,抽采濃度降低,抽采效率變差,甚至失效。若該區(qū)段鉆孔修復(fù)不及時(shí),不僅容易造成鉆孔無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)抽采率而存在一定的空白帶,同時(shí)會(huì)造成瓦斯治理周期較長(zhǎng),區(qū)域防突措施效果不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題,最終導(dǎo)致礦井“抽、掘、采”失衡[1],采掘接續(xù)緊張。

針對(duì)該情況,礦井圍繞“高濃度,持久抽”的瓦斯治理理念,在21上01工作面底抽巷對(duì)鉆孔修復(fù)提濃技術(shù)開(kāi)展研究,通過(guò)采用鉆孔疏通修復(fù)技術(shù)、高壓(風(fēng))水反吹裝置、封孔材料試驗(yàn)、巷道圍巖裂隙封閉等一系列技術(shù)措施,提高鉆孔抽采效果,確保礦井在保證抽采達(dá)標(biāo)的情況下,縮短瓦斯治理時(shí)間[2]。

1 鉆孔修復(fù)提濃技術(shù)

1.1 鉆孔疏通技術(shù)

礦井目前主要采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯作為瓦斯治理措施,穿層鉆孔設(shè)計(jì)多為上向鉆孔,同時(shí)采用水力沖孔作為增透卸壓措施。鉆孔施工完畢后,雖然在封孔前對(duì)鉆孔進(jìn)行了洗孔,但沖孔造成的空洞會(huì)進(jìn)一步引發(fā)煤層應(yīng)力重新分配,甚至受壓力影響造成垮塌。抽采鉆孔煤層段多使用空心篩管,篩管直徑多為32 mm或40 mm,篩管孔眼多為6 mm。鉆孔長(zhǎng)時(shí)間抽放過(guò)程中,會(huì)吸入大量煤粉,沖孔空洞垮塌時(shí)受抽采負(fù)壓影響可能會(huì)造成大量煤粉吸入到抽采封孔管中,若清理不及時(shí)易造成抽采濃度降低,封孔管堵塞。為解決該問(wèn)題,對(duì)封孔3個(gè)月以上的鉆孔進(jìn)行透孔。礦井分別采用了鉆機(jī)重新套孔、鋼絞線+疏通管、高壓水噴頭等方法對(duì)鉆孔進(jìn)行修復(fù)[3-5]。

1)鉆機(jī)重新套孔修復(fù)。使用鉆機(jī)將有問(wèn)題的鉆孔透孔,并重新封孔連抽。存在的問(wèn)題:修復(fù)后的鉆孔在封孔時(shí)無(wú)法全長(zhǎng)封孔,這是因?yàn)殂@孔內(nèi)封孔管和囊袋碎物無(wú)法排出,導(dǎo)致封孔管和囊袋無(wú)法下設(shè)到孔底。

2)鋼絞線+疏通管修復(fù)。將疏通管固定到鋼絞線穿入封孔管內(nèi),再用靜壓水注水,進(jìn)而將孔內(nèi)煤粉沖出。存在的問(wèn)題:受圍巖破碎擠壓鉆孔變形、鋼絞線+疏通管硬度不夠影響,不能下至孔底,同時(shí)個(gè)別鉆孔注水期間不返水,鉆孔存在吸氣情況,這是因?yàn)榍捌诮?jīng)水力沖孔后鉆孔可能存在串氣的情況。

3)高壓水噴頭方法:采用高壓水作為動(dòng)力,銅制或不銹鋼制管道配備高壓水噴頭(俗稱水老鼠)如圖1所示,對(duì)封孔管內(nèi)煤粉進(jìn)行清理,效果較好。

圖1 高壓水噴頭鉆孔透孔修復(fù)裝備Fig.1 Restoration equipment of drilling holes and drilling-through holes with high-pressure water jet

為了對(duì)高壓水疏通鉆孔技術(shù)進(jìn)行考察研究,在21上01工作面底抽巷選取1組考察鉆孔進(jìn)行試驗(yàn),從而為高壓水疏通鉆孔技術(shù)提供依據(jù)。礦井共疏通透孔12個(gè),具體鉆孔疏通前后瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化參數(shù)如表1所示。在選取的鉆孔中,試驗(yàn)時(shí)該組鉆孔已施工45 d以上。試驗(yàn)時(shí),高壓水噴頭進(jìn)入洗孔期間,部分鉆孔阻力較大,排出煤水較多,洗孔時(shí)間較長(zhǎng),最長(zhǎng)達(dá)到30 min,如12-3、12-8鉆孔傾角較小,鉆孔較深,導(dǎo)致封孔管內(nèi)煤粉積存較多;鉆孔在疏通后均出現(xiàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)上升、負(fù)壓下降的情況,特別是12-11號(hào)鉆孔,瓦斯體積分?jǐn)?shù)提升明顯,達(dá)到原來(lái)的兩倍,其余鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)也有約一倍增加。通過(guò)該試驗(yàn),高壓水噴頭在封孔管完好的情況下可以有效對(duì)管內(nèi)煤粉進(jìn)行清理,顯著提高了鉆孔抽采效果。

表1 鉆孔疏通前后瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)比Table 1 Comparison of gas volume fraction before and after borehole unclogging

1.2 鉆孔高壓反吹(沖)裝置

考慮到鉆孔疏通可以有效提升鉆孔抽采效果,通過(guò)學(xué)習(xí)考察以及進(jìn)一步設(shè)計(jì),當(dāng)新施工鉆孔封孔時(shí),在封孔管內(nèi)預(yù)下設(shè)一根直徑12 mm的PE管,要求下到孔底,后期可連接壓風(fēng)或高壓水對(duì)鉆孔進(jìn)行疏通。通過(guò)在使用過(guò)程中逐步改進(jìn),由自制的高壓反吹裝置改設(shè)為成套裝置,如圖2所示,同時(shí)增加了孔底負(fù)壓測(cè)定裝置,可通過(guò)預(yù)埋設(shè)的直徑12 mm的PE管直接測(cè)定孔底抽采負(fù)壓,通過(guò)孔底與孔口負(fù)壓對(duì)比,判斷封孔管內(nèi)是否有堵塞等。該裝置直接安裝在鉆孔與集流器之間,使用時(shí)可通過(guò)連接高壓水(風(fēng))進(jìn)行操作[6]。

圖2 高壓反吹(沖)裝置Fig.2 High-pressure back blowing (flushing) equipment

1)結(jié)合礦井實(shí)際,要推進(jìn)鉆孔探查及修復(fù)工作進(jìn)度,建立排查分析臺(tái)賬,每周經(jīng)分管領(lǐng)導(dǎo)簽字進(jìn)行周工作總結(jié),每月底之前對(duì)鉆孔探查、修復(fù)工作撰寫(xiě)月度分析報(bào)告,報(bào)告內(nèi)容要從鉆孔封孔方式、煤體硬度、瓦斯壓力、施工地點(diǎn)附近的地質(zhì)構(gòu)造、單孔(總管路、地面泵站)抽放參數(shù)情況等進(jìn)行全面分析總結(jié),同時(shí)要考慮堵孔長(zhǎng)度(位置)、堵孔主要集中時(shí)間段等影響因素。

2)新施工的鉆孔要堅(jiān)持全部使用下吹水裝置,制定“壓風(fēng)吹水裝置”相應(yīng)的管理制度、操作規(guī)程及考核要求并嚴(yán)格落實(shí)。

3)施工3個(gè)月以上的鉆孔每月至少進(jìn)行一次高壓反吹,若處理堵塞率達(dá)到60%以上的鉆孔時(shí),要縮短鉆孔處理周期。

4)對(duì)鉆孔施工過(guò)程中沖孔、封孔時(shí)出現(xiàn)堵孔、噴孔等異常的鉆孔,施工完成后一周要對(duì)鉆孔進(jìn)行一次高壓反吹處理,防止鉆孔出現(xiàn)堵塞。

5)對(duì)小傾角鉆孔每15 d進(jìn)行一次高壓反吹處理,提高鉆孔的透氣率。

2 提濃配套技術(shù)

2.1 嚴(yán)把封孔材料質(zhì)量

為了進(jìn)一步提高抽采效果,必須保證封孔管等材料的質(zhì)量。礦井應(yīng)建立封孔管材及注漿材料質(zhì)量驗(yàn)收制度,明確責(zé)任部門(mén)、操作流程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),每批次材料到礦后,按制度要求進(jìn)行抽查,并建立驗(yàn)收臺(tái)賬,對(duì)于驗(yàn)收不符合要求的材料嚴(yán)禁入井使用。封孔管應(yīng)選用設(shè)計(jì)壓力不小于1.8 MPa的聚氯乙烯阻燃、抗靜電管材。注漿管應(yīng)采用設(shè)計(jì)壓力不低于18 MPa的鋁塑軟管或其他管材。囊袋長(zhǎng)度不小于0.8 m,囊袋直徑規(guī)格的選取應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),滿足封堵嚴(yán)密性要求。篩管材質(zhì)應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家抗靜電、抗阻燃標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)壓力不小于1.6 MPa。每批次材料到礦后,對(duì)該批次封孔管、注漿管、囊袋等材料進(jìn)行地面注漿測(cè)試,以確保封孔材料質(zhì)量[6],如圖3所示。

圖3 封孔管注漿試驗(yàn)切面Fig.3 Grouting test section of hole-sealing pipes

2.2 提高巷道封閉性

21上01工作面底抽巷布置在軟巖中,通過(guò)鉆孔探查及測(cè)定發(fā)現(xiàn),底板巷巖石松動(dòng)圈影響范圍最大達(dá)到10 m。除將抽采鉆孔封孔段向里段移動(dòng)外,采用巷道帷幕注漿+巷道封閉的措施,進(jìn)一步提高巷道封閉性。即使鉆孔受巷道圍巖裂隙發(fā)育影響造成鉆孔串氣、漏氣,通過(guò)采取封閉措施可有效解決該問(wèn)題[7]。

底抽巷巷道一般采用噴漿工藝,后期巷道受壓力、養(yǎng)護(hù)不到位影響,普通的噴漿材料極易變形開(kāi)裂、脫皮,造成巷道封閉不嚴(yán)。后期經(jīng)考察,決定采用新型煤礦噴涂堵漏風(fēng)用聚氨酯材料(泡沫)。該材料(泡沫)具有以下優(yōu)點(diǎn):①運(yùn)輸方便、節(jié)省人力,對(duì)于受限員管理的掘進(jìn)工作面,可大大減少人工消耗,提高人員利用率;②噴涂密封效果好,具有較強(qiáng)的黏結(jié)性和柔韌性,受壓不易開(kāi)裂變形,無(wú)需二次噴涂,能夠防止巷道風(fēng)化,有效防止巷道支護(hù)材料腐蝕破壞;③有利于搞好安全生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化,噴涂后的巷道積塵等遺留物便于沖刷清理,噴涂后的巷道呈亮白色,巷道較為美觀;④各類管線的保護(hù)較簡(jiǎn)單且易于處理,使用安全系數(shù)高。

根據(jù)大眾礦巖巷壁后注漿經(jīng)驗(yàn),壁后注漿設(shè)計(jì)一般為長(zhǎng)短孔結(jié)合注漿。長(zhǎng)孔孔深為8 000 mm,預(yù)埋Φ22 mm×2 000 mm中空注漿管。短孔孔深為4 000 mm,預(yù)埋Φ22 mm×1 200 mm中空注漿管。注漿孔間排距1 500 mm,注漿終壓不小于3 MPa。注漿順序原則上為先下后上,圍巖破碎條件下,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)注漿順序進(jìn)行調(diào)整,可采用隔排打孔注漿,先奇數(shù)排后偶數(shù)排注漿。注漿材料主要為PC42.5標(biāo)號(hào)水泥單液漿,遇特殊情況可加入水玻璃,雙液漿水玻璃摻量為水泥用量的8%～10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),水灰質(zhì)量比1∶0.8～1∶1。通過(guò)巷道帷幕注漿+巷道封閉對(duì)底抽巷圍巖裂隙進(jìn)行封堵,可大大減少圍巖裂隙對(duì)鉆孔漏氣的影響。在21上01工作面底抽巷第一區(qū)段鉆孔區(qū)域共施工壁后注漿鉆孔110個(gè),漿液水灰質(zhì)量比為1∶1.08～1∶1,平均單孔注漿量200 kg/孔,單孔最大注漿量350 kg/孔,注漿壓力一般為5～7 MPa、最大9 MPa。21上01工作面底抽巷壁后注漿區(qū)域共設(shè)計(jì)45個(gè)抽采鉆孔,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)由2%提升至9%,最大抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高42%[8-10]。

2.3 鉆孔二次注漿修復(fù)

部分鉆孔因封孔不嚴(yán)等因素導(dǎo)致的鉆孔漏氣,在孔口以內(nèi)3～5 m處增加封堵囊袋進(jìn)行再次注漿封堵,以提高鉆孔封閉性。在21上01工作面底抽巷對(duì)瓦斯含量低的鉆孔進(jìn)行二次注漿封孔。21上01工作面底抽巷施工二次注漿鉆孔26個(gè),較二次注漿前平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高5%～9%、最大抽采體積分?jǐn)?shù)提高18%,平均單孔流量由0.16 m3/min降低到0.09 m3/min。

2.4 鉆孔應(yīng)沖盡沖

穿層鉆孔必須做到應(yīng)沖盡沖,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)增透。21上01工作面煤層較軟,透氣性差,采用水力沖孔作為增透卸壓措施,鉆孔穿煤見(jiàn)巖不少于0.8 m,穿透煤層后采用高壓水進(jìn)行反向沖孔,沖孔水壓不小于15 MPa,沖孔煤量每米控制到0.6～1.0 m3。經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行跟蹤分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)域的最大瓦斯原始含量10.22 m3/t,最大瓦斯壓力0.91 MPa,沖孔后瓦斯含量3個(gè)月后降到4.52～5.68 m3/t,瓦斯壓力降到0.11～0.13 MPa。沖孔后鉆孔始抽平均體積分?jǐn)?shù)為80%,其中90%以上鉆孔始抽平均體積分?jǐn)?shù)在70%以上。

3 結(jié)論

1)通過(guò)采取鉆孔疏通修復(fù)、高壓(風(fēng))水反吹裝置等技術(shù),有效提高鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)。21上01工作面底抽巷單元抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)由原來(lái)的42%提升到53%,單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提升最大達(dá)到42%。同時(shí),通過(guò)對(duì)老舊鉆孔進(jìn)行修復(fù),鉆孔有效率從72%提升到了95%以上,不但節(jié)約了瓦斯治理成本,更是減少了瓦斯治理周期。

2)通過(guò)嚴(yán)把封孔材料、壁后注漿+巷道封閉等配套措施,不但解決了巷道圍巖裂隙發(fā)育造成的鉆孔漏氣影響,更是提高了巷道服務(wù)年限,減少了巷道維修量。