沙曲一礦新型瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TD712.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0162-05

Abstract：Inorder toimprovethesealingqualityofundergroundgasdrainage boreholesin ShaquNo.1Coal Mine，based onthetestbasis，thesealingqualityofcurrentgasdrainageboreholeswasobjectivelyanalyzedthroughboreholesealingquality evaluationandboreholeleakagedetectionmethods.Anew\"hard-soft-hard”sandwichboreholesealing technologysuitableforthe specialdrllingconstructiontechnologyof\"sealingtheholefirst，thencompletingthehole\"inShaquNo.1CoalMinewas proposed，andthesealingefectwascarredoutinthebeltlaneofthe42workingface.ComparativetestResearchhasshown thatduetotheinfluenceofdrilingconstructiontechnology，itisdifcultforexpandedcementtoadapttothecontinuous disturbanceofthedrillpipeandthedynamicdeformationoftheborehole，resultinginseriousairleakageintheboreholesealing section，the deviation of the borehole gas drainage concentration reaches 69.2% ，and the borehole sealing quality is poor. The newprocessutilizesthehighadhesion，highpermeabilty，andadaptivedeformationcharacteriticsofflexiblegelsalingmaterials toachievea1.8-foldincreaseintheaveragegasdrainageconcentrationinasinglehole，andthegasdrainageffectis significantly improved.

Keywords：gasdrainage;boreholesealingtechnology;boreholesealingqualityevaluation；drllingleakagedetection;phase change gel; self-adaptive sealing

沙曲一號(hào)煤礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層條件復(fù)雜，是我國(guó)典型的近距離煤與瓦斯突出煤層群賦存條件，瓦斯問(wèn)題嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)I。為防范治理瓦斯事故、合理高效利用瓦斯資源，沙曲礦施工了大量的瓦斯抽采鉆孔，基本形成了以本煤層及鄰近層鉆孔瓦斯抽采為主的礦井瓦斯協(xié)調(diào)治理模式和“以抽促采、以采促抽，以抽促用、以用促采”的瓦斯資源化循環(huán)發(fā)展模式。

鉆孔密封質(zhì)量是影響鉆孔瓦斯高質(zhì)量抽采的主要控制因素，決定著鉆孔瓦斯抽采效率、抽采成本[2-3]。沙曲一號(hào)煤礦隨著煤層開采深度的增加，地應(yīng)力逐漸增大，部分軟弱煤層鉆孔變形失穩(wěn)現(xiàn)象日趨凸顯；同時(shí)，煤層透氣性逐漸減小，加之受地面井瓦斯抽采的影響，使得井下煤層由飽和高壓煤層變?yōu)椴伙柡颓穳好簩?，從而?dǎo)致抽采鉆孔瓦斯涌出量逐漸減小，增加了對(duì)鉆孔密封質(zhì)量的要求。然而，沙曲一號(hào)煤礦廣泛使用的水泥基密封材料受材料自身反應(yīng)過(guò)程、固結(jié)特性及施工工藝的影響，無(wú)法適應(yīng)鉆孔圍巖的動(dòng)態(tài)變形，不能對(duì)鉆孔圍巖漏氣裂隙進(jìn)行有效充填密封，導(dǎo)致煤層鉆孔圍巖漏氣嚴(yán)重，鉆孔瓦斯抽采濃度快速衰減。當(dāng)前的膨脹水泥“兩堵一注\"鉆孔密封工藝已經(jīng)愈發(fā)難以滿足瓦斯高質(zhì)量抽采要求。因此，為改善沙曲一號(hào)煤礦瓦斯抽采鉆孔密封質(zhì)量，提高瓦斯抽采效果，在分析膨脹水泥密封鉆孔密封質(zhì)量的基礎(chǔ)上，基于柔性凝膠密封材料自適應(yīng)鉆孔變形的特點(diǎn)，提出了一種適用于沙曲一號(hào)煤礦“先封孔，后完孔\"施工工藝的新型瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)，并在4402工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1鉆孔密封概況

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇沙曲一號(hào)煤礦4402工作面膠帶巷。4402工作面埋深 500～595m ，開采 3+4^# 煤層，平均厚度 4.2m ，煤層最大瓦斯壓力為 1.48MPa ，最大原始瓦斯含量為 14.50m³/t ，煤的堅(jiān)固性系數(shù)平均值 f 為0.64，透氣性系數(shù)平均值為 3.65m²/MPa²?d ，屬可抽采煤層。設(shè)計(jì)采用本煤層瓦斯抽采鉆孔治理煤層瓦斯，鉆孔布置如圖1所示。

1.2鉆孔施工及密封工藝

長(zhǎng)期以來(lái)，沙曲一號(hào)煤礦針對(duì)煤層高瓦斯壓力、高瓦斯含量、鉆孔變形嚴(yán)重易噴孔等問(wèn)題，采用了“先封孔，后完孔\"的施工工藝，即先小直徑鉆頭開孔 12m ，接著大直徑鉆頭擴(kuò)孔 12m 形成封孔段，封孔后再更換小直徑鉆頭從抽采管內(nèi)部完成鉆孔成孔，最后接入巷道抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，鉆孔施工工藝如圖2所示。封孔均采用膨脹水泥“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝，將膨脹水泥注漿材料按水灰比0.9～0.75：1配置漿液，注漿壓力控制在 1.2Mpa 以上，封孔長(zhǎng)度 12m 。

此工藝目的在于封孔后，封孔裝置與鉆孔密封結(jié)合，鉆孔防噴裝置可以與封孔結(jié)構(gòu)通過(guò)法蘭盤固定連接，增加了鉆孔防噴裝置的穩(wěn)定性，顯著降低了長(zhǎng)距離煤層鉆孔施工過(guò)程中的噴孔風(fēng)險(xiǎn)。

2 鉆孔密封質(zhì)量分析

2.1鉆孔密封質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1.1 鉆孔密封質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

廣義的瓦斯是一種多組分混合氣體，不同煤層賦存條件下，瓦斯各組分在數(shù)量上有很大差異。目前煤礦企業(yè)對(duì)瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要為單孔孔口抽采氣體中甲烷的體積分?jǐn)?shù)大小。鉆孔孔口抽采氣體中甲烷的體積分?jǐn)?shù)一方面與鉆孔瓦斯涌出量有關(guān)，另一方面受到鉆孔漏風(fēng)量的控制5。理論情況下，密封嚴(yán)密的鉆孔瓦斯抽采濃度應(yīng)為原始煤層瓦斯?jié)舛龋?dāng)鉆孔密封質(zhì)量較差時(shí)，鉆孔密封段或孔口等存在漏氣通道，導(dǎo)致空氣由負(fù)壓吸入瓦斯抽采管路，造成瓦斯抽采濃度降低。

因此，通過(guò)分析抽采負(fù)壓條件下鉆孔抽采瓦斯中甲烷體積分?jǐn)?shù)與煤層原始瓦斯中甲烷體積分?jǐn)?shù)的偏離情況，可以對(duì)鉆孔密封質(zhì)量進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。根據(jù)上述分析，建立鉆孔密封質(zhì)量評(píng)價(jià)模型如下

式中： ψ 為鉆孔瓦斯抽采濃度的偏差度， %;φ 為鉆孔瓦斯抽采濃度， %;φ₀ 為原始煤層瓦斯?jié)舛龋?% 。

2.1.2 煤層瓦斯組分測(cè)試

在4402工作面膠帶巷通過(guò)“正壓取氣”的方法采集了工作面原始煤層瓦斯，并在實(shí)驗(yàn)室利用氣相色譜儀對(duì)氣樣進(jìn)行了組分分析。“正壓取氣”方法是通過(guò)關(guān)閉鉆孔抽采負(fù)壓以提高鉆孔內(nèi)瓦斯壓力，利用正壓瓦斯驅(qū)替鉆孔圍巖漏氣，因此，采取正壓條件下的鉆孔氣樣基本可以代表煤層原始瓦斯氣體。煤層瓦斯組分測(cè)試結(jié)果見表1。

表1煤層瓦斯組分測(cè)試 %

根據(jù)氣體組分測(cè)試結(jié)果，沙曲一號(hào)煤礦4402工作面 3+4^# 煤層原始瓦斯?jié)舛葹?86.25%～94.32% ，平均原始瓦斯?jié)舛葹?89.43% 。

2.1.3鉆孔抽采瓦斯?jié)舛瓤疾旒懊芊赓|(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)沙曲一號(hào)煤礦4402工作面膠帶巷的順層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行了瓦斯抽采濃度考察?？疾煦@孔抽采濃度信息見表2。

計(jì)算可知，考察鉆孔平均瓦斯抽采濃度為27.52% 。理想情況下，密封嚴(yán)密的瓦斯抽采鉆孔濃度應(yīng)為原始瓦斯抽采濃度 89.43% 。

根據(jù)式（1）—式（2）計(jì)算可知考察鉆孔瓦斯抽采濃 度的偏差度為 69.2% ，鉆孔密封質(zhì)量差，鉆孔漏氣嚴(yán)重。

2.2鉆孔漏氣位置檢測(cè)及漏氣原因分析

2.2.1 鉆孔漏氣位置檢測(cè)原理

鉆孔“絕對(duì)\"密封時(shí)，即鉆孔圍巖裂隙被嚴(yán)密充填，不存在漏氣通道的情況下，在鉆孔延伸方向上，隨著鉆孔深度增加，孔內(nèi)瓦斯?jié)舛然颈３植蛔儯變?nèi)抽采負(fù)壓逐漸衰減甚至演變?yōu)榭變?nèi)正壓。當(dāng)鉆孔內(nèi)某一點(diǎn)位與巷道空氣連接形成漏氣通道時(shí)，該點(diǎn)位的瓦斯?jié)舛葧?huì)顯著降低。對(duì)比鉆孔不同深度點(diǎn)位瓦斯?jié)舛鹊南鄬?duì)大小，結(jié)合鉆孔密封深度，即可判斷鉆孔漏氣點(diǎn)位。

2.2.2 鉆孔漏氣位置檢測(cè)裝置及判別方法

鉆孔漏氣位置檢測(cè)裝置由瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀、氣體采集泵、束管、配套直角彎頭等組成，如圖3所示。

本裝置可在正常負(fù)壓抽采條件下，利用束管、氣體采集泵采取鉆孔不同深度位置處的瓦斯氣樣，并利用瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀測(cè)定得出不同點(diǎn)位的甲烷濃度，進(jìn)而判定抽采鉆孔的漏氣位置。具體的判定方法見表3。

注： φ_i 為 i 點(diǎn)位的甲烷濃度， I₀：φ₀ 為煤層原始瓦斯?jié)舛龋?% 。

2.2.3 鉆孔漏氣位置檢測(cè)及結(jié)果分析

對(duì)上述沙曲一號(hào)煤礦4402工作面膠帶巷的密封質(zhì)量考察鉆孔開展了漏氣位置檢測(cè)，鉆孔不同深度點(diǎn)位的甲烷濃度數(shù)據(jù)如圖4所示。

根據(jù)鉆孔漏氣位置檢測(cè)裝置測(cè)試結(jié)果可知，考察的5個(gè)鉆孔均存在不同程度的鉆孔漏氣，但漏氣形式存在差異。 1^# 鉆孔在孔深為 14～22m 內(nèi)的甲烷濃度變化幅度較小，在孔深為 12～14m 內(nèi)出現(xiàn)甲烷濃度的大幅衰減，說(shuō)明鉆孔密封段內(nèi)存在漏氣通道；同時(shí)，在孔深為 0～2m 內(nèi)甲烷濃度明顯降低，說(shuō)明鉆孔連抽管路密封不嚴(yán)密，導(dǎo)致孔口漏氣。 2^# 鉆孔在孔深為 18～22m 內(nèi)的甲烷濃度變化幅度較小，孔深為 12～18m 內(nèi)甲烷濃度逐漸降低，說(shuō)明鉆孔密封深度不足，鉆孔密封段以里的煤壁仍存在漏氣通道。 3^#～4^# 鉆孔內(nèi)不同點(diǎn)位處的甲烷濃度變化規(guī)律較為一致，在孔深 14～22m 內(nèi)甲烷濃度緩慢降低，在孔深為 12～14m 處出現(xiàn)甲烷濃度的急劇衰減，說(shuō)明鉆孔漏氣位置主要為鉆孔密封段。 5^# 鉆孔在孔深為 14～22m 內(nèi)的甲烷濃度波動(dòng)較小，在孔深為 12～14m 內(nèi)出現(xiàn)甲烷濃度的大幅衰減，說(shuō)明鉆孔密封段內(nèi)存在漏氣通道；同時(shí)，在孔深為 2～12m 內(nèi)甲烷濃度明顯降低，說(shuō)明鉆孔抽采管及密封段漏氣，分析是抽采管插接處斷開導(dǎo)致的。

綜上所述，除了 2^# 鉆孔是由于鉆孔密封深度不足導(dǎo)致煤壁漏氣以外，其余4個(gè)鉆孔均在鉆孔密封段產(chǎn)生漏氣。表明在沙曲一號(hào)煤礦當(dāng)前鉆孔施工及密封工藝條件下，鉆孔密封段漏氣是導(dǎo)致鉆孔瓦斯抽采濃度降低的主要原因。

2.2.4 鉆孔漏氣原因分析

鉆孔密封段漏氣主要有以下4種形式。

第一種，抽采管與鉆孔密封材料交界面處漏氣。漏氣原因是密封材料與抽采管的黏結(jié)性較差，在密封材料膨脹或者收縮過(guò)程中與抽采管產(chǎn)生相對(duì)位移形成裂隙。另外，由于密封材料與抽采管力學(xué)性質(zhì)不同，在應(yīng)力擾動(dòng)作用下導(dǎo)致密封材料與抽采管之間產(chǎn)生貫通裂隙。

第二種，鉆孔密封材料內(nèi)部漏氣4。漏氣原因是密封材料受到鉆孔圍巖變形的擠壓應(yīng)力超過(guò)密封材料強(qiáng)度導(dǎo)致密封材料內(nèi)部產(chǎn)生裂隙。

第三種，鉆孔密封材料與煤巖體組合結(jié)構(gòu)漏氣。漏氣原因是密封材料與煤巖體力學(xué)性質(zhì)不同導(dǎo)致在應(yīng)力作用下密封結(jié)構(gòu)-煤巖體組合結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致在密封材料與煤巖體交界面處產(chǎn)生裂隙[3]

第四種，鉆孔密封段圍巖裂隙漏氣。漏氣原因是密封材料滲透性差，導(dǎo)致密封材料不能有效充填鉆孔圍巖裂隙，導(dǎo)致鉆孔密封段圍巖裂隙存在漏氣通道。

沙曲一號(hào)煤礦采用“先封孔，后完孔\"的鉆孔施工工藝和膨脹水泥\"兩堵一注\"鉆孔密封工藝，雖然在一定程度上保證了鉆孔施工過(guò)程中的安全，但同時(shí)也對(duì)鉆孔密封質(zhì)量提出了更高的要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，工人完成開孔及封孔工作后，繼續(xù)按設(shè)計(jì)要求施工鉆孔，預(yù)留給膨脹水泥密封材料反應(yīng)凝結(jié)的時(shí)間較短。在小直徑鉆孔完孔過(guò)程中，孔口及鉆孔中間密封段未反應(yīng)完全的膨脹水泥漿液將承受長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力擾動(dòng)。應(yīng)力擾動(dòng)作用一方面會(huì)導(dǎo)致膨脹水泥不能充分充填鉆孔環(huán)空及圍巖裂隙形成上述第一種、第四種類型的漏氣；另一方面在完孔過(guò)程中也會(huì)在膨脹水泥內(nèi)部以及膨脹水泥與煤體交界面處產(chǎn)生新的裂隙，形成上述第二種、第三種類漏氣，進(jìn)一步造成鉆孔密封質(zhì)量降低。

總而言之，受固結(jié)類鉆孔密封材料特性控制，膨脹水泥材料由于其反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、黏結(jié)性低、鉆孔自適應(yīng)性差、滲透性差，導(dǎo)致鉆孔密封段的密封質(zhì)量低，鉆孔瓦斯抽采濃度衰減較快。當(dāng)前的鉆孔密封工藝已經(jīng)不能滿足沙曲一號(hào)煤礦的鉆孔安全、快速施工及瓦斯高質(zhì)量抽采要求，亟須開發(fā)一種能夠適應(yīng)鉆孔圍巖動(dòng)態(tài)變形的新型密封工藝。

3新型瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)

3.1 技術(shù)提出

針對(duì)上述沙曲一號(hào)煤礦鉆孔密封段漏氣的問(wèn)題，提出了一種以固結(jié)類材料為堵頭，以柔性凝膠類材料為鉆孔密封段充填介質(zhì)的“硬-軟-硬\"夾心狀鉆孔密封技術(shù)。該技術(shù)在不改變沙曲一號(hào)煤礦當(dāng)前鉆孔施工工藝的條件下，利用固結(jié)類材料的高強(qiáng)度特性實(shí)現(xiàn)孔口防噴與密封結(jié)構(gòu)的緊固結(jié)合，保證鉆孔快速施工過(guò)程中的安全；利用柔性凝膠類材料的高黏結(jié)、高滲透、自適應(yīng)變形的特性實(shí)現(xiàn)鉆孔在應(yīng)力擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)密封。新型瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)原理示意如圖5所示。

鉆孔擴(kuò)孔完成后，先通過(guò)一次注漿管將固結(jié)類材料注入封孔器堵頭，保證“兩堵\"結(jié)構(gòu)充分形成，之后通過(guò)二次注漿管將柔性凝膠類注入鉆孔中間密封段的鉆孔環(huán)空和圍巖裂隙，保證中間段“夾心\"凝膠材料的鉆孔自適應(yīng)性。最后，通過(guò)法蘭盤連接孔口防噴裝置，并完成鉆孔成孔。

3.2 技術(shù)實(shí)施

選擇沙曲一號(hào)煤礦4402工作面膠帶巷開展不同鉆孔密封工藝的對(duì)比試驗(yàn)。共完成試驗(yàn)鉆孔20個(gè)，其中膨脹水泥“兩堵一注\"（以下簡(jiǎn)稱“原工藝”）密封鉆孔10個(gè)，“硬-軟-硬”夾心狀“兩堵兩注\"（以下簡(jiǎn)稱“新工藝”）密封鉆孔10個(gè)。膨脹水泥采用沙曲一號(hào)煤礦當(dāng)前使用的膨脹率為 10% 的鉆孔密封材料。柔性凝膠材料采用的環(huán)保型相變凝膠鉆孔密封材料。該凝膠材料具有低阻注漿、低黏滲透、高黏膠結(jié)、動(dòng)態(tài)密封的性能特點(diǎn)，在漿液反應(yīng)完全后能夠一直保持非牛頓流體的凝膠狀態(tài)，可以及時(shí)充填鉆孔密封段受應(yīng)力擾動(dòng)產(chǎn)生的新裂隙，實(shí)現(xiàn)鉆孔自適應(yīng)密封。

3.3 效果分析

原工藝和新工藝密封鉆孔的平均單孔瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間的變化如圖6所示。由圖可知，新工藝的單日平均單孔瓦斯抽采濃度普遍大于原工藝，并且在50天抽采期內(nèi)，原工藝的平均單孔瓦斯抽采濃度僅為 27.6% ，新工藝的平均單孔瓦斯抽采濃度為50.9% ，提升了1.8倍，說(shuō)明新工藝鉆孔密封效果良好，能夠適應(yīng)當(dāng)前沙曲一號(hào)煤礦特殊的鉆孔施工工藝，可以顯著提高鉆孔瓦斯抽采效果。

4結(jié)論

1）對(duì)沙曲一號(hào)煤礦4402工作面膠帶巷順層瓦斯抽采鉆孔開展了密封質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，鉆孔瓦斯抽采濃度的偏差度為 69.2% ，鉆孔密封質(zhì)量差，鉆孔漏氣嚴(yán)重。

2）鉆孔漏氣位置檢測(cè)結(jié)果表明，鉆孔密封段漏氣是導(dǎo)致沙曲一號(hào)煤礦鉆孔瓦斯抽采濃度降低的主要原因。當(dāng)前采用的膨脹水泥“兩堵一注\"鉆孔密封技術(shù)不能適應(yīng)“先封孔，后完孔\"的鉆孔施工工藝，小直徑鉆孔完孔過(guò)程中，鉆孔密封段受到鉆桿持續(xù)性擾動(dòng)作用及鉆孔動(dòng)態(tài)變形的影響，膨脹水泥與抽采管之間、膨脹水泥內(nèi)部、膨脹水泥與鉆孔圍巖之間形成漏氣通道，造成鉆孔密封質(zhì)量降低。

3）針對(duì)沙曲一號(hào)煤礦當(dāng)前的鉆孔施工方式，以柔性凝膠密封材料的高黏結(jié)、高滲透、自適應(yīng)變形的特性為基礎(chǔ)，提出了“硬-軟-硬\"夾心狀新型鉆孔密封工藝，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與原工藝相比，新工藝單孔平均瓦斯抽采濃度提升了1.8倍，瓦斯抽采效果顯著提高。

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