盧紅奇，鄧增社，徐文全，胡魏魏，鄧廣哲(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

本煤層帶壓封孔技術(shù)裝備研究及其應(yīng)用

盧紅奇1，2，3，鄧增社1，2，徐文全1，2，胡魏魏1，2，鄧廣哲3
(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065；3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

瓦斯抽采是解決煤礦瓦斯問題的根本手段。在分析煤層鉆孔應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，研究了帶壓封孔技術(shù)封堵鉆孔裂隙的基本原理，并結(jié)合“兩堵一注”工藝，研制了新型帶壓封孔裝置，并對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該設(shè)備能夠滿足注漿壓力0.5 MPa要求。通過理論分析確定了大佛寺煤礦40118工作面最佳注漿壓力為0.4 MPa和最佳封孔長度為12 m，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證帶壓封孔技術(shù)抽采瓦斯?jié)舛容^常規(guī)封孔工藝提高50%以上，有效地保障了工作面的安全開采。

帶壓封孔；抽采；本煤層；囊袋；裂隙

隨著我國煤炭資源的開發(fā)，淺部資源面臨枯竭，目前多數(shù)礦區(qū)已進(jìn)入深部開采。隨著煤炭開采的逐漸向深部延伸，煤層出現(xiàn)高應(yīng)力、高瓦斯、高松軟等特點(diǎn)[1]，同時(shí)煤層瓦斯含量也隨之增大，極大地影響煤礦安全高效開采。抽采作為治理瓦斯的根本手段[2-3]，而封孔質(zhì)量是影響抽采效果的關(guān)鍵因素之一、對(duì)工作面治理瓦斯具有重要的影響。

目前，對(duì)于煤層瓦斯抽采鉆孔而言，廣泛采用“兩堵一注”封孔工藝，且多采用聚氨酯作為封孔材料，但由于聚氨酯不能充分充填鉆孔周圍的裂隙、對(duì)鉆孔無支撐作用，使得瓦斯抽采濃度較低[4]。為此，許多專家對(duì)封孔方法進(jìn)行研究，提出不同的封孔工藝，如周福寶等[5]和李文樹等[6]提出的二次封孔法，鄭春山等[7]和Zhang et al[8]提出的雙階段注漿封孔方法，張明杰等[9]提出的徑向強(qiáng)力膨脹法封孔技術(shù)，取得了較好的效果。尤其是帶壓封孔技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[10-13]，能夠明顯提高煤層瓦斯抽采效果，但存在著操作復(fù)雜等因素。

本文通過對(duì)帶壓封孔和“兩堵一注”原理進(jìn)行分析，研制新型帶壓封孔設(shè)備，并對(duì)帶壓封孔關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，為改善目前封孔操作復(fù)雜、鉆孔抽采瓦斯?jié)舛鹊偷那闆r提供參考。

1 帶壓封孔機(jī)理

煤層抽采鉆孔由于受到采動(dòng)應(yīng)力的影響，由煤壁向煤體深部會(huì)形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。同時(shí)，鉆孔周圍煤體由于應(yīng)力變化，會(huì)形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖1所示[2-3]。在破裂區(qū)域，由于鉆孔對(duì)應(yīng)力的釋放會(huì)形成大量的裂隙，瓦斯會(huì)從裂隙中逸散從而影響抽放效果，這些裂隙是造成鉆孔漏氣最為重要的因素。因此，封堵鉆孔周圍破裂區(qū)裂隙是提高鉆孔瓦斯抽采效果的有效途徑。

帶壓封孔技術(shù)是利用帶壓注漿的方法將封堵漿液注入鉆孔以達(dá)到改善煤體力學(xué)性質(zhì)和封堵裂隙的目的。該技術(shù)通過使用采用聚氨酯等膨脹材料在抽采鉆孔中形成一段封閉區(qū)域，然后使用注漿泵帶壓將水泥漿等注漿材料注入抽采鉆孔封閉區(qū)域，注漿材料在注漿壓力的作用下進(jìn)入煤體裂隙，凝固后與煤體相結(jié)合，從而鉆孔周圍破裂區(qū)裂隙得到有效封堵，提高鉆孔瓦斯抽采效果。其封孔前后示意圖如圖2所示。

圖1 鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布

2 帶壓封孔設(shè)備研發(fā)

2.1 帶壓封孔設(shè)備研發(fā)

根據(jù)帶壓封孔技術(shù)原理和“兩堵一注”封孔工藝，設(shè)計(jì)出新型帶壓封孔裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其實(shí)施過程為：通過機(jī)械扣壓方式將過水不過漿的囊?guī)Э蹓涸诔椴晒苈飞?，然后注入速凝膨脹水泥漿液等使鉆孔密封段形成有效密閉空間，再向密閉空間注入帶壓水泥漿體等進(jìn)行密封。

圖2 鉆孔帶壓封孔前后示意圖

圖3 帶壓封孔裝置示意圖

該帶壓封孔裝置技術(shù)原理為：在封孔之前，通過機(jī)械扣環(huán)方式將囊?guī)Э蹓涸诔椴晒苈飞纤腿氤椴摄@孔中，然后調(diào)節(jié)控制閥、打開注漿泵，使帶壓的水泥漿體首先沿3#注漿管進(jìn)入2#囊袋中，待2#囊袋注滿后調(diào)節(jié)控制閥，使水泥漿體沿1#注漿管進(jìn)入1#囊袋，待1#囊袋充滿后，停止注漿，待1#囊袋內(nèi)漿體內(nèi)稍許凝固后，再次向1#囊袋注漿，從而避免漿體出現(xiàn)“月牙狀”。待1#囊袋、2#囊袋內(nèi)漿體充分凝固后再次調(diào)節(jié)控制閥向囊?guī)е虚g的密封空間帶壓注漿，直至充滿空間。本實(shí)驗(yàn)所采用的囊袋長度為1 m。

2.2 帶壓封孔設(shè)備實(shí)驗(yàn)

囊袋是帶壓封孔裝備的關(guān)鍵。本次所用囊袋材料為阻燃、抗靜電的加筋機(jī)織布，具有拉伸強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕、擋矸等特點(diǎn)。機(jī)械扣壓前后囊袋如圖4所示。

為了分析機(jī)械扣壓效果及囊袋膨脹性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)囊袋性能進(jìn)行研究，本次實(shí)驗(yàn)注漿泵壓力為0.5 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中a為注漿壓力0.5 MPa情況下囊袋膨脹性實(shí)驗(yàn)，b為注漿壓力0.5 MPa情況下機(jī)械扣壓環(huán)情況。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著注漿進(jìn)行，囊袋隨著漿體的注入開始膨脹，徑向變化增大。當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，囊袋成不規(guī)則柱性且未發(fā)生漏漿情況，扣壓處并未漏漿。從圖5可以看出，當(dāng)注漿壓力0.5 MPa時(shí)，囊袋未發(fā)生破損，機(jī)械扣壓環(huán)仍完好，且水泥漿液凝固后囊袋并無破損，說明該裝備能夠在0.5 MPa注漿壓力下起到封堵作用。

圖4 機(jī)械扣壓前后囊袋

圖5 帶壓封孔裝備實(shí)驗(yàn)

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 工作面情況

現(xiàn)場試驗(yàn)在大佛寺煤礦40118工作面，該工作面主采4#煤層，煤的堅(jiān)固性系數(shù)約為3，工作面瓦斯含量為2.9～3.2 m3/t，平均煤層厚度為11.65 m，煤層透氣性系數(shù)約為0.25 m2/(MPa2·d)，煤層傾角為3～5°。該工作面主要采用采前預(yù)抽(本煤層扇形鉆孔預(yù)抽與傾向鉆孔采前預(yù)抽)、高位鉆孔，同時(shí)在上隅角采用埋管抽采。

3.2 合理封孔長度及注漿壓力確定

3.2.1 合理封孔長度確定

根據(jù)鉆屑理論，巷道圍巖應(yīng)力的變化會(huì)引起鉆孔應(yīng)力的重新分布，從而影響鉆孔鉆屑量。由于巷道應(yīng)力的變化，使得鉆孔向煤體深部發(fā)展可分為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。在卸壓區(qū)，鉆屑量基本保持不變，在應(yīng)力集中區(qū)鉆屑量逐漸增大并在應(yīng)力峰值處達(dá)到最大，之后一直下降并達(dá)到固定值[14-15]。

根據(jù)鉆屑法的要求，在40118工作面煤壁實(shí)施三個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔間距5 m，鉆孔直徑為42 mm，鉆孔深度為15 m，每鉆進(jìn)1 m測試一次鉆屑量，3個(gè)鉆孔鉆屑量如圖6所示。從圖6可以看出，鉆孔1～5 m之間鉆屑量逐漸增加，但增加幅度較小。6～12 m之間鉆屑量增加明顯，尤其是10～12 m之間鉆屑量較大，12～15 m之間減小但仍比1～5 m之間的鉆屑量大。因此，可以判定，1～5 m為卸壓帶，6～14 m為應(yīng)力集中帶，其中10～12 m為最佳封孔位置。因此，本次封孔長度為12 m。

圖6 鉆孔鉆屑量變化

3.2.2 注漿壓力的確定

注漿壓力的確定對(duì)于帶壓封孔技術(shù)是至關(guān)重要的。根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院建立的非牛頓流體在光滑裂隙面內(nèi)的擴(kuò)展方程[16]，得出了漿體擴(kuò)散半徑R與注漿壓力PG、漿液黏度μ及注漿時(shí)間T的關(guān)系，見式(1)。

(1)

式中：P0為裂隙內(nèi)地下水壓力，Pa；δ為裂隙或孔隙的寬度，cm；r0為鉆孔半徑，cm，由于煤孔的不均勻性，r0=mr/2，m為鉆孔不均勻系數(shù)，r為鉆孔理論孔徑。

對(duì)式(1)進(jìn)行移項(xiàng)變化，得出注漿壓力PG的表達(dá)式，見式(2)。

(2)

由于現(xiàn)場條件的變化，現(xiàn)場應(yīng)用的注漿壓力需將計(jì)算出的注漿壓力乘以冗余系數(shù)，一般取1.2，見式(3)。

P注=λPG

(3)

式中λ為冗余系數(shù)。

根據(jù)大佛寺煤礦40118工作面抽采鉆孔具體情況可知，抽采鉆孔孔徑為113 mm，根據(jù)鉆孔半徑r0=mr/2可計(jì)算出，r0=68 mm，425水泥漿液(水灰比2∶1)可注入裂縫寬度為0.05 cm[17]，漿液黏度為13.5 mPa·s，漿體擴(kuò)散半徑最大為0.68 m(10倍孔徑[12])，注漿時(shí)間約為15 min。根據(jù)以上參數(shù)可得PG=0.3 MPa。根據(jù)式(3)可知，注漿壓力P注=0.36 MPa。同時(shí)考慮現(xiàn)場情況和注漿泵性能，本次注漿壓力為0.4 MPa。

3.3 抽采效果考察

根據(jù)前述帶壓封孔裝備原理，在40118工作面進(jìn)行試驗(yàn)，封孔長度均為12 m，1#孔采用傳統(tǒng)封孔工藝，2#孔采用注漿壓力0.2 MPa封孔工藝，3#～5#孔為采用注漿壓力0.4 MPa封孔工藝。鉆孔抽采負(fù)壓為2～5 kPa，鉆孔長度為120～160 m，傾角為10～15°，各個(gè)鉆孔瓦斯抽采濃度如圖7所示。

圖7 1#～5#鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比

從圖7中可以看出，1#鉆孔采用常規(guī)封孔工藝后，在初始16 d抽采時(shí)間內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采濃度較低，平均瓦斯?jié)舛燃s為30%左右，這是由于常規(guī)封孔工藝下鉆孔裂隙無法得到有效封堵，在負(fù)壓抽采條件下外界空氣進(jìn)入鉆孔中導(dǎo)致抽采濃度較低。2#鉆孔注漿壓力平均為0.2 MPa，鉆孔瓦斯抽采濃度明顯較1#孔高，平均瓦斯?jié)舛葹?0%，說明在注漿壓力0.2 MPa時(shí)鉆孔裂隙得到有效封堵。3#鉆孔、4#鉆孔和5#鉆孔注漿壓力為0.4 MPa，其抽采瓦斯?jié)舛容^0.2 MPa時(shí)高，平均抽采萬濃度為81%、82%和85%，比常規(guī)封孔工藝瓦斯抽采濃度高51%～55%左右，較注漿壓力0.2 MPa時(shí)高10%以上，明顯提高了鉆孔瓦斯抽采濃度。

4 結(jié) 論

1)鉆孔由于受應(yīng)力影響，會(huì)產(chǎn)生破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，帶壓封孔即是帶壓注漿來達(dá)到封堵鉆孔裂隙的目的。

2)根據(jù)帶壓封孔和“兩堵一注”原理，設(shè)計(jì)新型帶壓封孔裝置，即利用機(jī)械扣壓方式將囊袋固定在抽采管路上，然后利用注漿泵依次向囊袋和密封空間帶壓注漿。通過對(duì)該設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該設(shè)備能夠滿足注漿壓力0.5 MPa需求。

3)根據(jù)大佛寺煤礦40118工作面情況，得出其合理封孔長度為12 m和最佳注漿壓力為0.4 MPa，通過在現(xiàn)場試驗(yàn)表明帶壓封孔技術(shù)較常規(guī)封孔工藝提高鉆孔瓦斯抽采濃度50%以上，取得了明顯的效果。

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Research and application of pressurized sealing borehole equipment in mining seam

LU Hongqi1，2，3，DENG Zengshe1，2，XU Wenquan1，2，HU Weiwei1，2，DENG Guangzhe3

(1.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China；2.National & Local United Engineering Research Center of Green Safety Efficient Mining，Xi’an 710065，China；3.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Gas drainage is a fundamental method of solving gas disasters of coal mine.Based on stress distribution features of borehole，the sealing mechanism of pressurized sealing technology was analyzed.Combined with the “two sealing and one grouting” technology，the new pressurized sealing equipment was developed.The experimental result showed that the equipment couldmeet the demand of 0.5 MPa grouting pressure.With the theoretical analysis，the technical parameters of 40118 mining face in Dafosi coal mine were obtained，the best grouting pressure was 0.4 MPa，and the reasonable sealing length was 12 m.The field test showed that the pressurized sealing technology could improve the gas drainage content by 50%，and the technology could ensure safety mining.

pressurized sealing；gas drainage；mining seam；capsular bag；crack

2016-11-17 責(zé)任編輯：趙奎濤

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2016GY-176)

盧紅奇(1988-)，男，河南周口人，工程師，博士，現(xiàn)從事煤巖動(dòng)力災(zāi)害研究工作，E-mail:cumtblhq@163.com。

TD712

A

1004-4051(2017)06-0112-04