高瓦斯礦井合理封孔長(zhǎng)度分析及囊袋帶壓封孔技術(shù)

王江龍,雷騰飛

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害及保證礦井安全生產(chǎn)最有效的措施之一,順層鉆孔瓦斯抽采是礦井瓦斯預(yù)抽的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)約有65%的回采工作面順層鉆孔的預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%,抽采濃度低、抽采周期短,抽采效果不理想[2]。

順層瓦斯鉆孔抽采效果的好壞通常由抽采鉆孔的密封性決定。在影響鉆孔密封效果的眾多參數(shù)中,封孔長(zhǎng)度尤其重要。巷道施工完畢后,在巷道周邊會(huì)形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原巖應(yīng)力帶,其中破壞區(qū)孔隙裂隙發(fā)育,如果封孔深度小于該區(qū)深度,則有可能在抽采負(fù)壓的作用下,鉆孔通過(guò)裂隙和巷道中的空氣形成回路循環(huán),降低瓦斯抽采濃度和抽采負(fù)壓[3]。煤礦安全相關(guān)文件中對(duì)封孔長(zhǎng)度也有相關(guān)規(guī)定,例如,《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求順層鉆孔的封孔段深度不得小于8 m[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)研究多種手段開展大量研究[6-8]。以上研究通常認(rèn)為封孔長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)卸壓帶而不超過(guò)應(yīng)力峰值點(diǎn),但由于礦井地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致封孔長(zhǎng)度問(wèn)題很難定量分析,所以仍需進(jìn)一步深入研究。

1 順層鉆孔應(yīng)力狀態(tài)特征及封孔長(zhǎng)度分析

1.1 順層鉆孔應(yīng)力狀態(tài)分布特征

由于煤巖巷道的采動(dòng)影響,打破原始煤體的應(yīng)力平衡狀態(tài),使圍巖產(chǎn)生損傷,巷道周邊煤(巖)體受應(yīng)力改變影響產(chǎn)生孔隙、裂隙[9]。煤巖巷道掘進(jìn)完成后,由于地應(yīng)力重新分布,巷道周邊裂隙逐漸發(fā)育、貫通,最終巷道周邊煤體根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同呈現(xiàn)“三帶四區(qū)”的特征;而煤巷兩幫施工的順層瓦斯預(yù)抽鉆孔呈現(xiàn)同樣的應(yīng)力狀態(tài)特征,如圖1所示。應(yīng)力“三帶”指Ⅰ(卸壓帶)、Ⅱ(應(yīng)力集中帶)及Ⅲ(原巖應(yīng)力帶)。而應(yīng)力“四區(qū)”指代Z1(應(yīng)力降低區(qū)),Z2(峰后應(yīng)力升高區(qū)),Z3(峰前應(yīng)力升高區(qū)),Z4(原巖應(yīng)力區(qū))[10]。

圖1 順層瓦斯抽采鉆孔應(yīng)力狀態(tài)分布特征Fig.1 Stress state distribution characteristics of gas extraction boreholes along the seam

1.2 順層鉆孔封孔長(zhǎng)度分析

巷道采掘活動(dòng)打破原有的平衡狀態(tài),引發(fā)圍巖應(yīng)力重新分布,鄰近巷道的煤巖體應(yīng)力降低,如圖1中的Ⅰ(卸壓帶),使得應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,出現(xiàn)應(yīng)力集中即圖1中的Ⅱ(應(yīng)力集中帶),“三帶”中由于應(yīng)力的變化所引起的鉆孔裂隙狀態(tài)表現(xiàn)如下。

(1)在卸壓帶內(nèi),煤巖經(jīng)歷峰值應(yīng)力,應(yīng)力呈現(xiàn)降低狀態(tài),發(fā)生塑性變形,如圖1中Z1。鉆孔周圍產(chǎn)生大量宏觀裂隙且相互貫通,裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育充分。若鉆孔封孔段處于此帶內(nèi),在封孔長(zhǎng)度無(wú)法完全覆蓋此區(qū)域的情況下,極易造成鉆孔漏風(fēng),從而導(dǎo)致瓦斯抽采效果不佳。

(2)在應(yīng)力集中帶中,煤巖應(yīng)力狀態(tài)包含Z2(峰后應(yīng)力升高區(qū))和Z3(峰前應(yīng)力升高區(qū))2種狀態(tài)。峰后應(yīng)力升高區(qū)內(nèi),煤巖所受應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度,但還具有一定的殘余強(qiáng)度,處于塑性變形階段。鉆孔周圍產(chǎn)生大量微裂隙并逐漸擴(kuò)展貫通。而峰前應(yīng)力升高區(qū)內(nèi),煤巖所受應(yīng)力未達(dá)到極限強(qiáng)度,并逐漸增大,處于彈性變形階段。鉆孔周圍的原生裂隙受到擠壓而閉合并伴隨少量的微裂隙產(chǎn)生。若鉆孔封孔長(zhǎng)度達(dá)到此帶內(nèi),能夠覆蓋Z2,Z3,則可以很好地保證瓦斯抽采效果,但封孔的成本也會(huì)相應(yīng)大幅度提高。

綜合考慮封孔成本和瓦斯抽采效果雙重因素,順層鉆孔的最佳封孔長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到峰后應(yīng)力升高區(qū)而不超過(guò)峰值應(yīng)力,才能實(shí)現(xiàn)抽采效果與投入成本的平衡,達(dá)到利益最大化。

1.3 順層鉆孔最佳封孔長(zhǎng)度的確定

在Kastner公式的基礎(chǔ)上,考慮巖體應(yīng)變軟化的變形特性,推導(dǎo)Z1(應(yīng)力降低區(qū))半徑Rb和Z2(峰后應(yīng)力升高區(qū))半徑Rp的求解公式[11]

(1)

Rb=tRp

(2)

式(1)、(2)中,B0,t,Kp為3個(gè)中間參數(shù),表達(dá)式見式(3)、(4)、(5)。

(3)

(4)

(5)

由上式可知,封孔長(zhǎng)度受巷道半徑、初始地應(yīng)力、支護(hù)應(yīng)力及煤體本身力學(xué)特性等因素的影響。對(duì)礦井的煤體參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)礦井基礎(chǔ)參數(shù)

將礦井的基本參數(shù)代入式中,得到鉆孔峰后應(yīng)力升高區(qū)半徑Rp為11.22 m?？紤]到一定的安全余量,則確定順層鉆孔的最佳封孔長(zhǎng)度為12 m。

2 雙囊袋一體化帶壓封孔技術(shù)

2.1 雙囊袋封孔器組成及工作原理

組成:雙囊袋封孔器由注漿管、回漿管、瓦斯抽采管、囊袋、爆破閥、單向閥等幾部分組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,注漿管中部的爆破閥控制著封孔器的注漿順序,保證漿液先注入囊袋后流向2個(gè)囊袋之間的中部空間,從而實(shí)現(xiàn)一次注漿,自動(dòng)封孔的一體化工藝。而囊袋中的單向閥起止流作用,保證注入囊袋的漿液無(wú)法反方向回流。

圖2 雙囊袋封孔器結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structural composition of double-bag hole sealer

工作原理:雙囊袋封孔器的注漿管與注漿泵相聯(lián)通,囊袋中注漿管段上開有小孔。漿液因?yàn)樽{壓力迅速進(jìn)入2個(gè)囊袋,使其迅速膨脹,使得囊袋外層緊固在順層鉆孔內(nèi)壁,內(nèi)層緊固在瓦斯抽采管外壁,從而將封孔器兩端封閉,形成中部注漿空間。當(dāng)囊袋被注滿,注漿管中漿液壓力值逐漸升高,達(dá)到爆破閥爆破閾值,爆破閥開始爆破,漿液將2個(gè)囊袋的中間空間填滿,并向煤巖破裂縫隙中流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)一體化多層帶壓式密封。注入漿液完全凝固后,通過(guò)瓦斯抽采管進(jìn)行順層瓦斯抽采。

2.2 封孔步驟

在實(shí)施封孔之前,根據(jù)設(shè)計(jì)封孔長(zhǎng)度計(jì)算得出封孔所需的漿液體積V,計(jì)算公式如下

(6)

式中,l為封孔長(zhǎng)度,m;r1為瓦斯抽采鉆孔直徑,m;r2為瓦斯抽采管直徑,m;V0為單個(gè)囊袋體積,m3;a為損耗補(bǔ)償系數(shù)。

檢查鉆孔,清除抽采鉆孔封孔段內(nèi)的大塊煤渣,確認(rèn)鉆孔符合施工要求。

將封孔器前端囊袋套在第一根封孔管上,并用喉箍固定囊袋兩端(防囊袋脫落),依次連接封孔管至最后一根,將后端囊袋套在最后一根封孔管距孔口50 cm處。同樣固定囊袋兩端,整體送入鉆孔內(nèi)至最后一根封孔管距孔口15～50 cm,管路鋪設(shè)部分完成。

連接注漿泵,啟動(dòng)注漿泵向孔內(nèi)注漿,注漿初始階段先用小功率注入,之后可逐漸開大。觀察孔口,囊袋先過(guò)濾大量渾水,之后逐漸變清變小,注漿泵壓力表讀數(shù)逐漸增大至0.7 MPa,直至爆破閥自然爆破,壓力表讀數(shù)歸零。繼續(xù)注漿,此時(shí)開始注兩囊袋之間的區(qū)域,直至返漿管有大量漿液返出,關(guān)閉回漿管繼續(xù)帶壓注漿。當(dāng)壓力表示數(shù)達(dá)到1.2 MPa,說(shuō)明2個(gè)囊袋之間所封區(qū)間已注滿,立刻關(guān)閉注漿泵。

折彎注漿管扎緊,取下注漿頭,清洗注漿泵。

3 應(yīng)用效果

3.1 礦井概況

以陜西黃陵二號(hào)煤礦210采煤工作面為實(shí)驗(yàn)工作面,開采深度465～707 m。該工作面主采侏羅系中統(tǒng)延安組的2號(hào)煤層,平均厚度3.0 m,煤層傾角0°～4°,屬于近水平煤層;瓦斯壓力0.65 MPa,瓦斯含量3.02～4.54 m3/t。在煤層煤巷掘進(jìn)期間采用順層鉆孔預(yù)抽的方式防治煤與瓦斯突出,其中順層預(yù)抽鉆孔采用聚氨酯封孔,未進(jìn)行合理封孔的深度研究,鉆孔封孔長(zhǎng)度6～8 m,單孔抽采瓦斯?jié)舛?%～15%,抽采負(fù)壓23 kPa左右。鉆孔抽采濃度低、抽采量少,導(dǎo)致預(yù)抽鉆孔封孔效果不理想。

3.2 抽采效果

該礦采煤工作面施工順層瓦斯抽采鉆孔6個(gè),鉆孔長(zhǎng)度100 m,傾角1°～5°,1、2、3號(hào)鉆孔采用傳統(tǒng)聚氨酯封孔,4、5、6號(hào)鉆孔采用雙囊袋一體化帶壓注漿封孔,封孔長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)置為12 m。封孔完成后對(duì)抽采效果進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè),瓦斯抽采濃度變化如圖3所示。

圖3 順層鉆孔瓦斯平均抽采濃度Fig.3 Average extraction concentration of borehole gas along the seam

雙囊袋帶壓一體化注漿技術(shù)抽采濃度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)聚氨酯封孔。60 d監(jiān)測(cè)期內(nèi),3個(gè)雙囊袋封孔的平均抽采濃度為30.2%,而聚氨酯封孔的平均抽采濃度為14.2%,雙囊袋封孔后鉆孔瓦斯抽采濃度高出2倍之多。

雙囊袋帶壓一體化注漿技術(shù)穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)聚氨酯封孔。1、2、3號(hào)鉆孔初始抽采濃度分別為46.3%、34.9%、27.5%,3個(gè)鉆孔抽采濃度極差占平均濃度的51.9%。而4、5、6號(hào)鉆孔初始抽采濃度分別為55.7%,63.2%,49.6%,3個(gè)鉆孔抽采濃度極差只占平均濃度的10.9%。雙囊袋帶壓注漿技術(shù)的穩(wěn)定性比聚氨酯高出5倍左右。

雙囊袋帶壓一體化注漿技術(shù)抽采濃度衰減速度低于傳統(tǒng)聚氨酯封孔。截止抽采周期30 d的數(shù)據(jù)顯示,4、5、6號(hào)鉆孔抽采濃度降為21.9%～36%,平均抽采濃度28.9%;1、2、3號(hào)鉆孔的抽采濃度降為10.2%～17.1%,平均抽采濃度13%,分別衰減為初始平均濃度的35.8%和51.5%。最后在抽采時(shí)間50d左右抽采濃度趨于穩(wěn)定,雙囊袋帶壓一體化注漿抽采濃度維持在13.6%～19%,而聚氨酯封孔抽采濃度則降為3.4%～13.3%。

綜上,基于理論計(jì)算值所得封孔長(zhǎng)度,實(shí)施雙囊袋帶壓一體化注漿技術(shù)取代傳統(tǒng)聚氨酯封孔,瓦斯抽采濃度提高2倍,穩(wěn)定性提高5倍,最終穩(wěn)定抽采濃度在15%左右,瓦斯抽采效果顯著提升。

4 結(jié)論

(1)煤巖巷道掘進(jìn)完成后,地應(yīng)力重新分布,順層瓦斯預(yù)抽鉆孔應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)“三帶四區(qū)”特征,即:卸壓帶、應(yīng)力集中帶、原巖應(yīng)力帶;應(yīng)力降低區(qū)、峰后應(yīng)力升高區(qū)、峰前應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。

(2)根據(jù)陜西黃陵二號(hào)煤礦具體地質(zhì)條件,應(yīng)用巷道彈塑性軟化模型公式,計(jì)算出瓦斯抽采鉆孔應(yīng)力降低區(qū)半徑和峰后應(yīng)力升高區(qū)半徑,最終確定順層鉆孔的最佳封孔長(zhǎng)度為12 m。

(3)依據(jù)理論計(jì)算出的順層鉆孔最佳封孔長(zhǎng)度,在該礦實(shí)施雙囊袋一體化帶壓注漿封孔技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚氨酯封孔,瓦斯抽采濃度提高2倍,最終穩(wěn)定抽采濃度維持在15%左右,抽采效果提升顯著。