趙永剛

(潞安化工集團(tuán) 環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦,山西 長治 046100)

隨著開采深度的逐漸加深以及特殊的地質(zhì)條件,深部開采煤層瓦斯含量大、壓力高、強(qiáng)吸附、高衰減等特征更加明顯[1]. 煤礦瓦斯抽采是降低礦井瓦斯涌出量,防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施。王莊煤礦瓦斯治理目前主要是本煤層鉆孔預(yù)抽,受地質(zhì)和瓦斯賦存條件的影響,鉆孔施工過程中存在鉆孔工程量大、塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重,且成孔后抽采濃度低、純量小等問題,封孔質(zhì)量的好壞直接影響了瓦斯抽采效果[2]. 現(xiàn)行的封孔技術(shù)沒有達(dá)到完全密封隔絕效果,對于多次擾動的本煤層瓦斯抽采鉆孔,瓦斯抽采鉆孔漏氣問題更加突出,因此研究煤層瓦斯抽采鉆孔失效機(jī)理、優(yōu)化封孔工藝,對實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采是非常有意義的。

1 三堵兩注新型封孔設(shè)計(jì)

1.1 三堵兩注封孔原理及布置

由于煤層受巷道掘進(jìn)影響導(dǎo)致煤體上的應(yīng)力發(fā)生重新分布現(xiàn)象,由巷幫向內(nèi)依次可分為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。卸壓區(qū)煤巖體與應(yīng)力集中區(qū)煤體存在較為嚴(yán)重的漏氣現(xiàn)象。而處在原始應(yīng)力區(qū)的煤體仍保持著原始狀態(tài),這種情況封孔效果較好。因此,鉆孔封孔段的位置最好布置在原始應(yīng)力區(qū)內(nèi)[3-4].

“三堵兩注”封孔工藝的核心技術(shù)原理是將原傳統(tǒng)封孔工藝中的一段注漿段分割成里、外兩段,外段注漿主要實(shí)現(xiàn)充填鉆孔的作用,一定程度上實(shí)現(xiàn)小范圍封堵。而里段封孔空間受地應(yīng)力活動影響較小,裂隙發(fā)育較少,便于實(shí)現(xiàn)高壓帶壓注漿封孔,能更好的對鉆孔周圍裂隙實(shí)現(xiàn)有效封堵。

綜合考慮王莊煤礦封孔現(xiàn)狀,提出“三堵兩注”新型帶壓封孔工藝的布置情況,見圖1.

1—瓦斯抽采管;2—外段注漿封孔段;3—里段注漿封孔段;4—封孔膨脹囊袋;5—瓦斯氣流;6—空氣流;7—煤體裂隙;8—注漿后被封堵裂隙圖1 “三堵兩注”封孔示意圖

1.2 三堵兩注封孔器設(shè)計(jì)

“三堵兩注”囊袋新型封孔器設(shè)計(jì)參數(shù)見圖2. 該裝置由3個(gè)囊袋、一長一短兩根注漿管及爆破閥構(gòu)成,裝置總長18.5 m,其中3個(gè)囊袋設(shè)計(jì)長度均為0.8 m,外布囊與中布囊間隔7 m,中布囊與里布囊間隔8 m,爆破閥位于中布囊與里布囊中間位置,設(shè)計(jì)爆破壓力0.5 MPa,長注漿管穿過3個(gè)布囊,在該注漿管上開有出漿孔可向囊袋內(nèi)部注漿使之膨脹,短注漿管長2 m,從外布囊內(nèi)部穿過,可通過該注漿管向外段注漿空間注漿封孔。

圖2 三堵兩注封孔器設(shè)計(jì)圖

1.3 三堵兩注新型封孔器特點(diǎn)

與傳統(tǒng)“兩堵一注”相比,該工藝的技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:

1) 有兩段注漿空間。里、外兩段封孔注漿空間相結(jié)合,增強(qiáng)鉆孔密封性。

2) 封孔深度更深。該工藝設(shè)計(jì)封孔深度20 m,能保證在卸壓區(qū)以里進(jìn)行鉆孔封孔,里段封孔段受煤體應(yīng)力變化影響也相對較小。

3) 注漿壓力更高。采用帶壓封孔工藝,封孔漿液在注漿壓力的作用下流動至鉆孔周圍煤巖體裂隙中,隨著漿液的凝固,漏氣通道被封堵,有效提升鉆孔瓦斯抽采效果。

2 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及鉆孔的確定

選擇王莊煤礦3#煤層的9106外風(fēng)巷及91-208運(yùn)巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。9106外風(fēng)巷是二級瓦斯區(qū)域,瓦斯含量小于8 m3/t,巷道設(shè)計(jì)長度1173 m,從該巷道540 m處開始施工鉆孔,共施工鉆孔310個(gè)。目前已施工250個(gè)鉆孔,鉆孔設(shè)計(jì)長度165 m;91-208運(yùn)巷為高瓦斯巷道,巷道設(shè)計(jì)長度2471 m,目前已施工700個(gè)鉆孔,鉆孔設(shè)計(jì)長度120 m.

2.2 鉆孔漏氣位置檢測

1) 在試驗(yàn)地點(diǎn)預(yù)先準(zhǔn)備好設(shè)備和材料。封孔注漿設(shè)備:高壓氣動注漿泵1臺、φ19 mm高壓注漿管1根、φ19 mm高壓風(fēng)管1根、φ19 mm水管1根,皆為10 m/根;試驗(yàn)材料:封孔水泥5袋/孔(25 kg/袋)、光學(xué)檢測儀、抽氣筒。

2) 選擇巷道內(nèi)濃度低于15%的采前預(yù)抽鉆孔為檢測對象,利用光學(xué)瓦檢儀進(jìn)行鉆孔濃度復(fù)測,對于實(shí)測濃度低于15%的鉆孔,確定為試驗(yàn)鉆孔。

3) 鉆孔漏氣位置檢測。選擇91-208運(yùn)巷453、463、473、475、477、487號鉆孔為漏氣檢測試驗(yàn)孔,對鉆孔漏氣位置進(jìn)行檢測,巷道內(nèi)空氣受負(fù)壓作用流入孔內(nèi)的具體區(qū)域可通過鉆孔內(nèi)區(qū)域前后瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r進(jìn)行分析判斷,通過對鉆孔內(nèi)不同位置的濃度變化趨勢分析,即可得出鉆孔具體嚴(yán)重漏氣位置。漏氣位置檢測原理見圖3.

圖3 漏氣位置檢測原理圖

鉆孔漏氣位置瓦斯實(shí)測濃度檢測數(shù)據(jù)見圖4,分析可知,試驗(yàn)的6個(gè)鉆孔中,487號鉆孔抽采濃度曲線無明顯變化且在20 m處最大瓦斯抽采濃度僅為9.4%左右,可以說明該鉆孔漏氣位置主要不在16～20 m. 其余5個(gè)鉆孔在20 m處濃度相對較高,瓦斯?jié)舛染_(dá)到了40%以上,鉆孔漏氣量相對較少,而起始段濃度較低,且曲線中有明顯的折點(diǎn),表示鉆孔在12～20 m內(nèi)漏氣嚴(yán)重,折點(diǎn)位置附近為漏氣最嚴(yán)重點(diǎn)。

圖4 鉆孔漏氣位置實(shí)測濃度變化曲線圖

3 三堵兩注現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)流程

1) 確定鉆孔封孔最佳深度為18～20 m.

2) 成孔后,根據(jù)鉆孔封孔深度,下入合適數(shù)量的封孔管,并將“三堵兩注”封孔器捆綁在抽采管上送入孔內(nèi)。

3) 注漿前按照1∶1水灰質(zhì)量比配置注漿液,注漿時(shí)先對3個(gè)封孔囊袋進(jìn)行注漿,形成2個(gè)注漿空間段,同時(shí)注漿壓力達(dá)到0.5～0.8 MPa時(shí),將里段封孔段爆破閥打開,開始向里段注漿空間注漿,觀測壓力表變化,在壓力達(dá)到1～1.5 MPa時(shí)停止注漿,注漿結(jié)束后將初次注漿管折彎保壓,一次注漿結(jié)束。

4) 將注漿泵與二次注漿管連接進(jìn)行二次注漿,即向外段封孔空間注漿,觀測壓力表變化,注漿壓力達(dá)到0.5～1 MPa時(shí)停止注漿,注漿完成后將二次注漿管折彎保壓,二次注漿結(jié)束。

5) 待封孔結(jié)束后,安裝孔口三通與負(fù)壓抽采系統(tǒng)連接,開始并網(wǎng)抽采,并定期考察“三堵兩注”工藝帶壓封孔鉆孔抽采濃度。

3.2 試驗(yàn)鉆孔施工數(shù)據(jù)

“三堵兩注”囊袋帶壓封孔工藝共試驗(yàn)6個(gè)鉆孔。9106外風(fēng)巷施工順層鉆孔設(shè)計(jì)深度165 m,開孔傾角2°～6°,屬于仰孔。91-208運(yùn)巷施工順層鉆孔設(shè)計(jì)深度120 m,開孔傾角3°,屬于仰孔。

3.3 試驗(yàn)鉆孔封孔下管情況

“三堵兩注”囊袋封孔下管時(shí)皆選用5根4 m長、外徑75 mm、內(nèi)徑62 mm的PVC抽采管,用管箍或者鐵絲將囊袋固定在抽采管上,送入鉆孔內(nèi),下管深度20 m,里布囊位置距孔口17～18 m處,中布囊距孔口8～9 m處,外布囊距孔口0～1 m處,完成鉆孔下管工作。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)鉆孔封孔注漿情況

“三堵兩注”囊袋封孔工藝現(xiàn)場注漿情況見表1. “三堵兩注”囊袋封孔工藝共有里、外兩封孔注漿區(qū)域,為保證封孔質(zhì)量,注漿時(shí)對兩段注漿區(qū)域均完成注漿。

表1 鉆孔封孔注漿參數(shù)表

分析表1數(shù)據(jù)可知,在注漿初始階段首先對3個(gè)囊袋注漿,注漿量保持在25～37.5 kg;在進(jìn)行里段空間注漿時(shí),340號孔注漿137.5 kg,未出現(xiàn)注漿壓力;386號孔注漿過程中出現(xiàn)抽采管內(nèi)輕微漏漿返漿情況,遂停止注漿,注漿壓力保持在1～1.5 MPa;548、599、600號孔均實(shí)現(xiàn)帶壓注漿,注漿量在50 kg左右,注漿壓力保持在1～1.5 MPa.

在進(jìn)行外段空間注漿時(shí),340、356號孔注漿量保持在50～62.5 kg,注漿壓力保持在0.2～1.0 MPa,無注漿異常情況;386號孔外段注漿時(shí)注漿量137.5 kg,無注漿壓力;600號孔外段注漿時(shí)出現(xiàn)孔口段位置與599號孔串孔情況,漿液從599號孔流出。

綜上所述,“三堵兩注”封孔裝置囊袋注漿量保持在25～37.5 kg;里段注漿空間注漿量保持在50 kg以上,注漿壓力在1～1.5 MPa,裂隙較為發(fā)育鉆孔即使無注漿壓力,注漿量最高也達(dá)到了137.5 kg;外段注漿空間注漿量保持在37.5 kg以上,注漿壓力在0.2～1.0 MPa,裂隙較為發(fā)育鉆孔即使無注漿壓力,注漿量最高也達(dá)到了137.5 kg.

4.2 注漿效果檢驗(yàn)

由于9106外風(fēng)巷與91-208運(yùn)巷的瓦斯賦存規(guī)律、地質(zhì)條件、應(yīng)力分布及鉆孔施工參數(shù)不同,“三堵兩注”封孔工藝及原封孔工藝在兩個(gè)巷道的封孔效果均存在差異,因此在對三堵兩注封孔工藝效果進(jìn)行考察時(shí),要分別對兩個(gè)巷道試驗(yàn)鉆孔的封孔效果進(jìn)行對比分析。

鉆孔封孔并網(wǎng)抽采后,為考察“三堵兩注”新型封孔工藝試驗(yàn)效果,對試驗(yàn)鉆孔及試驗(yàn)鉆孔周邊孔前40 d的瓦斯抽采濃度進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,見圖5.

圖5 新工藝與原工藝封孔濃度對比分析圖

1) 9106外風(fēng)巷鉆孔封孔效果對比分析。

9106外風(fēng)巷“三堵兩注”試驗(yàn)鉆孔與原封孔工藝鉆孔的瓦斯抽采濃度對比分析數(shù)據(jù)見圖5(a). 由圖5(a)可以看出,“三堵兩注”工藝封孔鉆孔除344號孔存在孔口塌孔導(dǎo)致封孔效果不佳之外,其余鉆孔封孔效果均明顯提升。試驗(yàn)鉆孔單孔初始最大抽采濃度可達(dá)42.4%,單個(gè)“三堵兩注”封孔鉆孔初始抽采濃度保持在25%以上,抽采前20 d抽采濃度仍能保持在20%以上,而原工藝封孔鉆孔初始最大抽采濃度僅為6.2%,其余鉆孔初始抽采濃度均在3%以下,有些鉆孔在抽采過程中甚至出現(xiàn)了濃度為0,封孔效果較差,鉆孔漏氣情況嚴(yán)重,難以實(shí)現(xiàn)瓦斯有效抽采。可以看出,“三堵兩注”封孔工藝密封效果明顯增強(qiáng),鉆孔瓦斯抽采濃度得到了大幅提升,更具優(yōu)越性。

隨著抽采時(shí)間的延長,“三堵兩注”試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采濃度均有一定的衰減,抽采40 d后,瓦斯最大衰減濃度達(dá)到了20.4%,單個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆孔濃度衰減均在10%以上,經(jīng)研究分析有以下3個(gè)主要原因:a) 該巷為小煤柱巷道,地壓活動頻繁,在應(yīng)力作用下,卸壓區(qū)范圍變大,在鉆孔20 m以里裂隙仍較為發(fā)育,導(dǎo)致抽采濃度衰減嚴(yán)重。b) 該巷受地應(yīng)力活動影響,煤層裂隙在抽采過程中仍存在動態(tài)發(fā)育,導(dǎo)致鉆孔周圍煤巖體產(chǎn)生了新的漏氣通道,造成鉆孔抽采濃度存在衰減現(xiàn)象。c) 鉆孔封孔注漿段在抽采過程中出現(xiàn)蠕變變形或斷裂破壞,與煤壁接觸面出現(xiàn)空隙,形成漏氣通道,導(dǎo)致瓦斯抽采濃度出現(xiàn)衰減情況。

2) 91-208運(yùn)巷鉆孔封孔效果對比分析。

91-208運(yùn)巷“三堵兩注”試驗(yàn)鉆孔及原封孔工藝鉆孔的瓦斯抽采濃度對比分析數(shù)據(jù)見圖5(b). 600號孔存在孔口與599號孔串孔情況,注漿時(shí)出現(xiàn)漿液從599號孔流出現(xiàn)象,封孔質(zhì)量較差,導(dǎo)致瓦斯抽采濃度較低,試驗(yàn)效果不佳。

由圖5(b)可以看出,由于91-208運(yùn)巷為高瓦斯巷道,“三堵兩注”工藝封孔鉆孔及原封孔工藝鉆孔初始瓦斯抽采濃度相差不大,“三堵兩注”工藝封孔鉆孔初始最大瓦斯抽采濃度為84.4%,原封孔工藝鉆孔初始最大瓦斯抽采濃度為86.2%. 但隨著抽采時(shí)間的延長,原封孔工藝鉆孔出現(xiàn)了濃度大幅衰減情況,鉆孔最大衰減濃度達(dá)到了19.4%,其余鉆孔也均出現(xiàn)了不同程度的衰減?！叭聝勺ⅰ惫に嚪饪足@孔瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間的延長雖出現(xiàn)了一定的波動,有少量衰減,但整體上仍能保持較高較穩(wěn)定的抽采濃度。

5 結(jié) 論

1) 提出了“三堵兩注”囊袋新型帶壓封孔工藝,并設(shè)計(jì)研發(fā)了“三堵兩注”新型封孔裝備。設(shè)計(jì)封孔深度20 m,有里、外兩段注漿空間,注漿過程中保持帶壓注漿,不僅能使鉆孔內(nèi)注漿空間更完全的充滿漿液,還能保證漿液流動至鉆孔周圍裂縫中,提高鉆孔密封性。

2) “三堵兩注”囊袋新型帶壓封孔工藝相對于常規(guī)“兩堵一注”封孔工藝具有兩段注漿空間、封孔深度更深、注漿壓力更高的技術(shù)優(yōu)勢。但在施工時(shí)應(yīng)特別注意需保持帶壓注漿,即使在裂隙較為發(fā)育的鉆孔無注漿壓力的情況下,也要保證足夠的注漿量。

3) 9106外風(fēng)巷“三堵兩注”封孔工藝試驗(yàn)鉆孔封孔效果良好,試驗(yàn)鉆孔單孔最大瓦斯抽采濃度42.4%,除注漿異常鉆孔之外,其余試驗(yàn)鉆孔抽采濃度均達(dá)到25%以上,較原封孔工藝抽采濃度提升了4.2～6.8倍,瓦斯抽采濃度提升明顯。

4) 91-208運(yùn)巷“三堵兩注”封孔工藝試驗(yàn)鉆孔單孔最大瓦斯抽采濃度為84.4%,除注漿異常鉆孔之外,其余試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度均達(dá)到60%以上,與原封孔工藝相比,“三堵兩注”封孔工藝試驗(yàn)鉆孔抽采濃度衰減慢,能保持鉆孔長時(shí)間高效抽采。