李杰

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司, 撫順 113122; 2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室, 撫順 113122;3.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院, 重慶 400044)

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故最根本的技術(shù)措施,而封孔質(zhì)量是保障瓦斯抽采效果的關(guān)鍵。瓦斯抽采鉆孔的封孔質(zhì)量受很多因素的影響,其中封孔參數(shù)就是其重要影響因素之一。因此,為保證瓦斯抽采鉆孔的封孔質(zhì)量,對其合理的封孔參數(shù)研究就具有很重要的意義。

抽采鉆孔的封孔參數(shù)主要包括始封深度、封孔長度及注漿壓力等。近年來眾多學(xué)者對于以上封孔參數(shù)進(jìn)行了大量的研究,李喜員等[1]提出固液兩相封孔技術(shù)有效降低了圍巖松動圈對抽采鉆孔封孔段的影響,實現(xiàn)了提高抽采瓦斯?jié)舛鹊哪繕?biāo);張學(xué)博等[2]基于實驗室試驗及變質(zhì)量流壓降等理論分析,分析了抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌對瓦斯抽采的影響機制,提出了基于抽采負(fù)壓分布測試的抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌特性探測技術(shù),有效解決深部松軟煤層抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌問題、提高瓦斯抽采效果;陳凱[3]認(rèn)為封孔段最好布置在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)且小于應(yīng)力峰值中心處;劉樹新等[4]認(rèn)為煤礦井下壓裂鉆孔的封孔段長度應(yīng)超過巷道圍巖破裂區(qū)且到達(dá)應(yīng)力峰值的位置;楊宏民等[5]、武煒等[6]利用數(shù)值模擬的方法得到一定條件下鉆孔封孔時合理的注漿壓力;程歡等[7]通過研究流過煤體的氣體流量與煤層滲透率變化規(guī)律提出了“穩(wěn)壓測流量”法測定煤層巷道松動帶的范圍。然而,上述成果主要側(cè)重從封孔方式、理論分析、試驗測定的角度進(jìn)行某一方面研究,對抽采鉆孔整體封孔參數(shù)綜合研究較少,同時針對封孔后抽采鉆孔的封孔質(zhì)量缺少有效地檢測手段。

為此,現(xiàn)以山西王家?guī)X礦為試驗現(xiàn)場,采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的研究方法,對瓦斯抽采鉆孔的始封深度、封孔長度及注漿壓力進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究,最后通過現(xiàn)場應(yīng)用及封孔質(zhì)量的檢測證明封孔參數(shù)選取的合理性。

1 封孔關(guān)鍵參數(shù)理論分析

抽采鉆孔的封孔關(guān)鍵參數(shù)主要包含3個:始封深度、封孔長度和注漿壓力。其中,始封深度是指抽采鉆孔封孔時孔口端開始封孔的位置,對于“兩堵一注”封孔方法來說就是鉆孔外側(cè)囊袋的位置;封孔長度就是指封孔段的總長度;注漿壓力是指鉆孔內(nèi)驅(qū)使?jié){液向圍巖裂隙擴(kuò)散的壓力。常用封孔方法中,常壓封孔的注漿壓力為漿液的自重壓力;帶壓封孔是指漿液除自身重力外還存在附加壓力,其作用是為漿液注入圍巖裂隙中進(jìn)行擴(kuò)散與充填提供動力。

1.1 始封深度

巷道未開挖之前,煤(巖)體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)。巷道開挖后,其圍巖應(yīng)力將發(fā)生明顯變化:一是巷道上部垂直方向的影響范圍內(nèi)應(yīng)力減小,巷道壁處為零;二是巷道法向水平方向上應(yīng)力增加,出現(xiàn)了應(yīng)力“三帶”,即卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶。當(dāng)集中應(yīng)力值大于巖石抗壓強度時,圍巖將會發(fā)生破裂,從而形成圍繞開挖空間的環(huán)形破裂區(qū),習(xí)慣上將這個由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂區(qū)稱為巷道圍巖松動圈,位于卸壓帶內(nèi)[7-10]。

理論上來說,對抽采鉆孔進(jìn)行封孔時,其始封深度的位置應(yīng)該避開松動圈,即位于巷道松動圈以里。卸壓帶內(nèi),特別是松動圈內(nèi)圍巖遭到破壞而產(chǎn)生豐富的裂隙,當(dāng)始封深度處于松動圈內(nèi)時,由于松動圈內(nèi)的漿液大量泄漏而導(dǎo)致整個鉆孔注漿壓力加載不上,嚴(yán)重影響封孔效果。當(dāng)巷道松動圈裂隙不發(fā)育、透氣性較差、不會造成明顯漏漿或漿液卸壓時,也可以布置在巷道松動圈內(nèi)靠里的位置。

1.2 封孔長度

對于井下抽采鉆孔的封孔長度而言,如果封孔長度過短,整個封孔段均處于卸壓帶內(nèi)時,則巷道內(nèi)空氣容易隨圍巖裂隙進(jìn)入到抽采管內(nèi),導(dǎo)致抽采濃度偏低,進(jìn)而影響抽采效果;當(dāng)封孔長度過長,超過了巷幫應(yīng)力峰值所在位置時,如果此處的應(yīng)力過大,會造成封孔段的破壞,在人工和材料方面都是無謂的浪費。因此,理論上封孔段應(yīng)始于巷道松動圈邊界,止于應(yīng)力峰值中心。若出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致塌孔嚴(yán)重的情況,則封孔段應(yīng)覆蓋整個應(yīng)力集中易塌孔區(qū)。

1.3 注漿壓力

注漿壓力的選擇受很多因素的影響,比如圍巖中不同巖層的滲透率、裂隙發(fā)育程度及連通性等。當(dāng)注漿壓力較小時,漿液無法克服在圍巖裂隙流動時的毛細(xì)管力和流動阻力,從而無法有效充填和封堵圍巖裂隙,造成抽采時鉆孔漏風(fēng);當(dāng)注漿壓力過大時,一是大大提高了注漿施工的難度和成本,二是漿液壓力超過鉆孔圍巖所能承受的極限壓力時,巖體將會造成二次破壞,發(fā)生劈裂,從而形成大量新的流動通道,有可能突破始封位置以外的圍巖阻力形成潰漿,從而使得封孔效果難以保障。因此,合理的注漿壓力應(yīng)該使?jié){液能夠滲透到鉆孔周邊有效影響范圍,但又不至于造成潰漿。

2 封孔關(guān)鍵參數(shù)的確定

以山西王家?guī)X礦12318工作面為試驗地點,首先采用鉆屑量測定法來確定巷道松動圈范圍及圍巖內(nèi)應(yīng)力分布情況,據(jù)此來確定鉆孔始封深度和封孔長度的范圍;再通過利用COMSOL多物理場耦合軟件模擬的方法來確定出合理的封孔注漿壓力。

山西王家?guī)X礦位于山西省鄉(xiāng)寧縣和河津市境內(nèi),設(shè)計生產(chǎn)能力6.0 Mt/a,采用雙平硐-回風(fēng)斜井開拓,屬于高瓦斯礦井。井田內(nèi)含有2號、3號和10號共3層可采煤層,目前主采2號煤層。12318工作面采用U形通風(fēng)方式,采煤方法為長壁后退式采煤法,綜合機械化放頂煤采煤工藝,全部垮落法管理頂板。煤層厚度為6.3 m,頂板為泥質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖,底板為泥巖。

2.1 始封深度的確定

根據(jù)始封深度理論分析可知,始封深度的確定主要與巷道松動圈范圍有關(guān)。根據(jù)礦井12318工作面現(xiàn)場測試條件,采用鉆孔鉆屑量測定法對巷道松動圈進(jìn)行測定。其原理在于當(dāng)鉆頭向煤(巖)體鉆進(jìn)時,其鉆屑量除了打鉆過程中破碎的煤巖體(其體積與鉆孔體積相同)外,還有鉆孔應(yīng)力收縮或松散體脫落所產(chǎn)生的鉆屑,此時總鉆屑量大于鉆孔體積。因此,依據(jù)鉆屑量的變化可以初步確定巷道松動圈范圍[11-12]。鉆屑量與巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力分布關(guān)系如圖1所示。在12318工作面共進(jìn)行5個鉆屑量測定,各鉆孔施工參數(shù)見表1,各鉆孔施工過程中鉆屑量的測定結(jié)果如圖2所示。

圖1 鉆屑量與圍巖應(yīng)力關(guān)系示意Fig.1 Relation between cuttings and surrounding rock stress

圖2 鉆孔施工過程中鉆屑量的變化規(guī)律Fig.2 The change law of cuttings amount during drilling construction

從圖2中可以看出,除2、3號鉆孔外,其余鉆孔孔口往里4 m范圍內(nèi)鉆屑量總體上高于之后一定范圍內(nèi)的鉆屑量,而且鉆屑粒度也明顯較大,說明鉆孔周圍煤體松動脫落嚴(yán)重,因此認(rèn)為孔口0～4 m范圍內(nèi)為巷道松動圈范圍,即封孔時始封深度不應(yīng)小于4 m。結(jié)合鉆孔施工結(jié)束后掃孔作業(yè)塞入壓風(fēng)管難易程度,分析認(rèn)為2號鉆孔、3號孔,出現(xiàn)上述原因可能是該鉆孔在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)小范圍塌孔。

2.2 封孔長度的確定

根據(jù)封孔長度理論分析可知,封孔段應(yīng)始于巷道松動圈邊界,止于應(yīng)力峰值中心。因此,當(dāng)始封深度確定時,封孔長度主要由巷道周邊煤(巖)體內(nèi)的應(yīng)力集中帶分布情況決定。

根據(jù)圖2鉆屑量測定結(jié)果可以看出,5個鉆孔的平均鉆屑量從孔口往里逐步降低,到14～18 m時又突然上升,之后逐步降低。結(jié)合鉆屑量與巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力分布關(guān)系可知,后期鉆屑量的突然上升主要是通過應(yīng)力集中帶的原因。綜合分析認(rèn)為巷道周邊應(yīng)力集中帶范圍為14～18 m,其中應(yīng)力峰值位于16 m左右。另外根據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50471—2008)規(guī)定:“在煤壁開孔的鉆孔,封孔長度不得低于7 m”,最終分析認(rèn)為封孔長度應(yīng)在8～12 m范圍內(nèi)。

2.3 封孔注漿壓力的確定

注漿壓力主要是根據(jù)不同注漿壓力下漿液的擴(kuò)散半徑來確定。采用COMSOL 多物理場耦合軟件,根據(jù)現(xiàn)場煤層和頂板條件建立30 m×10 m的二維幾何模型,模擬直徑為75 mm鉆孔在煤層、砂質(zhì)泥巖中注漿后,不同注漿壓力下任意時刻漿液的擴(kuò)散距離,據(jù)此確定出合理的注漿壓力。

2.3.1 基本假設(shè)

漿液在巖層內(nèi)的滲流運動服從達(dá)西定律,漿液只在注漿段的圍巖裂隙內(nèi)滲透擴(kuò)散,鉆孔邊界漿液注入壓力約等于孔口注漿泵中的控制壓力,注漿段巖層為均質(zhì)且各向同性,注漿漿液為不可壓縮流體。

2.3.2 數(shù)學(xué)模型

滲流基本規(guī)律的表達(dá)式為

(1)

巖體內(nèi)漿液滲流的連續(xù)性方程為

(2)

由式(1)、式(2)聯(lián)合消除速度ν,表示為壓力P與密度ρ的關(guān)系模型為

(3)

注漿滲流控制方程的表達(dá)式為

(4)

式中:ν為滲流速度,m/s;k為滲透率,k=1.56×10-12m2;μ為動力黏度,μ=2.80×10-4kg/(m·s);P為流體壓力,kg/(m·s2);ρ為漿液密度,ρ=1 280 kg/m3;D為垂向坐標(biāo)(如x,y,z);φ為孔隙率,φ=4.7%;q為流體體積,m3;g為重力加速度,g=9.80 m/s2;t為時間變量;S為儲存系數(shù),S=0.03 MPa-1。

2.3.3 初始條件和邊界條件

以鉆孔邊界作為注漿段的漿液流入邊界,其他邊界均沒有建立流動邊界,初始條件為

P|t=0=P0

(5)

式(5)中:P0為注漿時鉆孔邊界的初始壓力。

無窮遠(yuǎn)處漿液壓力梯度為0,模型邊界條件為

(6)

式(6)中:r為煤(巖)體內(nèi)某點與鉆孔邊界之間的距離,m。

2.3.4 模擬結(jié)果

根據(jù)上述計算模型,對1～5 MPa注漿壓力分別進(jìn)行模擬。經(jīng)過Comsol 瞬態(tài)求解器求解,得到不同注漿壓力下的漿液滲流時的壓力分布云圖,如圖3所示。為便于分析,分別提取模擬結(jié)果中漿液在煤層、砂質(zhì)泥巖中的漿液擴(kuò)散距離,繪制相應(yīng)的注漿壓力與漿液擴(kuò)散距離的關(guān)系圖,如圖4所示。

圖3 不同注漿壓力下漿液滲流時的壓力分布云圖Fig.3 Pressure distribution nephogram of slurry seepage under different grouting pressures

圖4 不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散距離Fig.4 Grout diffusion distance under different grouting pressures

從圖3和圖4中可以看出,漿液在煤層和巖層中的擴(kuò)散距離與注漿壓力的大小成正相關(guān)關(guān)系。隨著注漿壓力的增大,漿液擴(kuò)散半徑逐漸增加,但當(dāng)注漿壓力升高到3 MPa后,擴(kuò)散半徑隨注漿壓力的變化將不再明顯,即繼續(xù)增大注漿壓力提高封孔質(zhì)量的意義不大,因此封孔注漿壓力應(yīng)達(dá)到3 MPa為宜。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果考察

在12318工作面回風(fēng)巷內(nèi)沿工作面推進(jìn)方向每隔100 m設(shè)置一個鉆場,共設(shè)置5個鉆場。其中,第一個鉆場距離工作面110 m左右。在每個鉆場內(nèi)布置5個斜向高位鉆孔,鉆孔均在煤層中開孔,采用常壓注漿和高壓注漿兩種封孔方法,如圖5所示。其中,采用“兩堵一注”高壓注漿封孔的鉆孔共15個,封孔壓力為3 MPa;采用水泥砂漿常壓封孔的鉆孔10個,注漿壓力為漿液自重壓力。鉆孔始封深度均為4.2 m(考慮鉆孔傾角);封孔長度均為11 m(深入砂質(zhì)泥巖2 m左右)。封孔段孔徑為75 mm,鉆孔布置參數(shù)見表2。

表2 鉆孔布置參數(shù)Table 2 Drilling layout parameters

圖5 抽采鉆孔封孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of drilling hole sealing

3.1 封孔質(zhì)量檢測原理

采用封孔質(zhì)量檢測儀對鉆孔內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿程分布規(guī)律進(jìn)行檢測。

例1.在以習(xí)近平同志為代表的黨中央堅強領(lǐng)導(dǎo)下，全國各族人民萬眾一心，克難攻堅，完成了全年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展主要目標(biāo)任務(wù)，全面深化改革實現(xiàn)良好開局，全面推進(jìn)依法治國開啟新征程，全面建成小康社會又邁出堅實步伐。

鉆孔封孔質(zhì)量長期以來主要依靠鉆孔的抽采效果來判斷,這種方法雖然可以篩選出封孔質(zhì)量不好的鉆孔,但難以對鉆孔內(nèi)的漏風(fēng)位置和漏風(fēng)率進(jìn)行定量研究。采用抽采鉆孔封孔質(zhì)量檢測儀可以實現(xiàn)對鉆孔漏風(fēng)的定量評價。其檢測原理是采用負(fù)壓引射方法將鉆孔內(nèi)不同位置的氣樣采集出來進(jìn)行分析,得出鉆孔內(nèi)沿程瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。

對于同一個抽采鉆孔而言,當(dāng)瓦斯來源穩(wěn)定、鉆孔封孔嚴(yán)密時,在測試時間段內(nèi),鉆孔內(nèi)部瓦斯體積分?jǐn)?shù)、流量和負(fù)壓在較短時間內(nèi)基本保持穩(wěn)定;若鉆孔內(nèi)部某一位置出現(xiàn)漏風(fēng),在漏風(fēng)點前后抽采鉆孔內(nèi)抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)、流量和負(fù)壓的分布將會出現(xiàn)突變[13-14]。

3.2 封孔質(zhì)量檢測結(jié)果

根據(jù)實際封孔及套管連接情況,在每個鉆孔內(nèi)布置了6個測點,分別為C1～C6,如圖6所示。在鉆孔服務(wù)周期內(nèi),每個抽采鉆孔共進(jìn)行了5次檢測。

圖6 測點布置圖Fig.6 Arrangement of measuring points

測試結(jié)果表明,采用3 MPa注漿壓力封孔的15個鉆孔,封孔段內(nèi)各測點瓦斯?jié)舛染窗l(fā)生明顯變化,表明封孔段沒有明顯漏風(fēng),封孔質(zhì)量良好。而采用常壓注漿的10個鉆孔中,部分鉆孔內(nèi)各測點瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯降低,說明檢測段有空氣漏入。由于篇幅所限,僅將各鉆場具有代表性鉆孔的測定結(jié)果列出,如圖7所示。

圖7 鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律Fig.7 Variation law of gas concentration in borehole

從圖7中可以看出,鉆孔4內(nèi)各測點瓦斯體積分?jǐn)?shù)值在C2、C5和C6測點處均出現(xiàn)明顯變化,其變化幅度分別為39.14%、21.21%和21.78%,說明該鉆孔在C1～C2、C4～C5及C5～C6檢測段均存在漏風(fēng)現(xiàn)象;鉆孔5內(nèi) C2～C6的瓦斯?jié)舛冉档头确謩e為66.15%、19.56%、22.9%、6.29%和21.78%,表現(xiàn)出嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。分析認(rèn)為兩鉆孔出現(xiàn)漏風(fēng)的原因主要是常壓注漿條件下,漿液僅在自重應(yīng)力下無法有效封堵鉆孔及其周邊裂隙;其次是套管與套管之間連接不嚴(yán)密。

對于同一抽采鉆孔而言,無論是否出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象,在較短的測試周期內(nèi),其封孔段各處的抽采瓦斯純量相同。根據(jù)以上原理結(jié)合鉆孔抽采混量就能計算出各鉆孔的漏風(fēng)率和漏風(fēng)量[15-16]。其中,抽采混量為孔口處抽采管內(nèi)的抽采氣體混量,可利用皮托管測定。

通過計算得出鉆孔4和鉆孔5的漏風(fēng)率分別為51.26%和83.84%,說明其抽采混量中有一半以上為漏風(fēng)?？梢?常壓注漿封孔鉆孔內(nèi)的漿液在僅有自重應(yīng)力而無附加壓力的條件下,其漿液得不到足夠的動力向鉆孔周邊裂隙進(jìn)行擴(kuò)散,從而無法有效封堵鉆孔周邊裂隙,最終導(dǎo)致鉆孔漏風(fēng)和封孔質(zhì)量較差的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)煤層開孔的瓦斯抽采鉆孔始封深度應(yīng)不小于4 m,封孔長度范圍為8～12 m,注漿壓力應(yīng)達(dá)到3 MPa。

(2)現(xiàn)場試驗表明,采用3 MPa注漿壓力封孔,封孔質(zhì)量良好,可以滿足煤礦瓦斯抽采的要求;而常壓注漿封孔的鉆孔漏風(fēng)率較大,難以滿足煤層瓦斯抽采的需求。