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超高水材料封孔技術(shù)在西馮街煤業(yè)的應(yīng)用

2021-07-08 08:29楊育龍
山東煤炭科技 2021年6期
關(guān)鍵詞:封孔漏氣漿液

楊育龍

(山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)西馮街煤業(yè)有限公司,山西 陽(yáng)城 048100)

瓦斯抽放作為治理瓦斯的主要措施,已經(jīng)在我國(guó)煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。部分礦井瓦斯抽采效果不理想,主要的原因是封孔質(zhì)量不達(dá)標(biāo)[1-4]。因此,科學(xué)確定封孔深度、選用新型的封孔材料成為提高瓦斯抽采濃度、消除瓦斯災(zāi)害的重要措施。

1 工程概況

山西陽(yáng)泰集團(tuán)西馮街煤業(yè)位于山西省晉城市陽(yáng)城縣,主采煤層為3 號(hào)煤,煤層平均厚度為5.85 m,采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采方式,全部垮落法管理頂板。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含0~2 層夾矸,全區(qū)穩(wěn)定可采。

2019 年度的礦井瓦斯涌出量測(cè)定報(bào)告顯示,礦井相對(duì)瓦斯涌出量為9.56 m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量為18.1 m3/t,二氧化碳相對(duì)涌出量為3.51 m3/t,屬高瓦斯礦井。

為保證安全生產(chǎn),在工作面掘進(jìn)過(guò)程中向工作面內(nèi)施工鉆孔,對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。在兩巷中施工,每隔100 m 施工一個(gè)抽放鉆場(chǎng),在鉆場(chǎng)內(nèi)施工扇形鉆孔,鉆孔開(kāi)孔直徑97 mm,終孔直徑大于75 mm,鉆孔深度80 m,向上傾斜2°~3°,兩巷鉆孔交替對(duì)拉布置,最外側(cè)鉆場(chǎng)的抽采時(shí)間不小于180 d。

2 漏氣機(jī)理研究

瓦斯抽采鉆孔一般都是在巷道內(nèi)施工,由于巷道的掘進(jìn),鉆孔未開(kāi)始之前煤壁及煤巖表面已經(jīng)處于破碎狀態(tài)。隨著鉆孔的鉆進(jìn),煤巖體的應(yīng)力集中區(qū)不斷向深部轉(zhuǎn)移。鉆孔鉆至設(shè)計(jì)位置后,應(yīng)力重新平衡,從孔口到孔底,按受力環(huán)境的不同可分為四個(gè)區(qū)域,如圖1。

圖1 鉆孔內(nèi)分區(qū)示意圖

(1)Ⅰ:卸壓區(qū)

該區(qū)位于巷道表面,煤巖體受巷道掘進(jìn)和鉆孔施工的影響最為嚴(yán)重,由于應(yīng)力集中的作用,發(fā)生塑性變形,內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂隙。該區(qū)內(nèi)的鉆孔淺部均為破碎區(qū),原生裂隙與施工形成的裂隙貫通,滲透率大,是封孔漏氣的主要通道。

(2)Ⅱ:塑性變形區(qū)

該區(qū)域內(nèi)的煤巖體受力超過(guò)了極限強(qiáng)度,最大應(yīng)力超出原巖應(yīng)力的兩倍,煤巖體內(nèi)部發(fā)生塑性變形,原生裂隙發(fā)育程度高,并且產(chǎn)生大量的新裂隙。在瓦斯壓力等的作用下,極有可能相互貫通,也是漏氣的重要通道。

(3)Ⅲ:彈性變形區(qū)

該區(qū)域煤巖體內(nèi)的應(yīng)力增加,但未達(dá)到巖石的極限強(qiáng)度。受鉆孔施工的影響,部分原生裂隙發(fā)生一定程度的擴(kuò)展,并且會(huì)產(chǎn)生一部分新裂隙,但裂隙擴(kuò)展和發(fā)育的程度較低,存在一定的漏氣可能性。

(4)Ⅳ:穩(wěn)定區(qū)

該區(qū)位于鉆孔的最底部,不受巷道掘進(jìn)的影響,并且受鉆孔鉆進(jìn)的影響最小,煤巖體應(yīng)力狀態(tài)未發(fā)生明顯變化,裂隙沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展。

卸壓區(qū)和塑性區(qū)的深部一般在10~25 m 左右,該區(qū)域內(nèi)各種裂隙發(fā)育充分,貫通率高,有利于瓦斯抽采,但同時(shí)也是漏氣的主要通道。因此在實(shí)際應(yīng)用中,封孔長(zhǎng)度應(yīng)該在卸壓區(qū)以里,塑性區(qū)的范圍內(nèi)。

3 封孔深度研究

封孔深度是瓦斯抽采鉆孔的一個(gè)重要參數(shù)。深度過(guò)大不僅封孔效果不理想,而且經(jīng)濟(jì)性差,封孔短則長(zhǎng)時(shí)間抽采容易出現(xiàn)漏氣。為此采用極限平衡法和鉆屑法科學(xué)確定封孔的深度[5-6]。

(1)極限平衡法

巷道開(kāi)掘后,巷道兩幫的淺部煤體處于極限應(yīng)力狀態(tài),如圖2。

圖2 煤體中應(yīng)力分布

利用公式計(jì)算,獲得應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x1和卸壓區(qū)寬度x0。

式中:m為巷道高度,m;A0為側(cè)壓系數(shù);K為應(yīng)力集中系數(shù);γ為巖石容重,kg/m3;H為埋藏深度,m;?為內(nèi)摩擦角,(°);C為內(nèi)聚力,MPa。

代入計(jì)算可得,極平衡區(qū)寬度為9.5 m,卸壓區(qū)寬度為8.7 m。因此,封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于卸壓區(qū)寬度8.7 m,考慮一定的安全系數(shù),實(shí)際的封孔深度應(yīng)大于10 m。

(2)鉆屑量法

在工作面運(yùn)料巷中布置5 個(gè)采樣鉆孔,垂直煤壁向工作面內(nèi)打孔,鉆孔深度18 m。打鉆過(guò)程中,準(zhǔn)確記錄每米鉆孔的鉆屑量,結(jié)果如圖3。由圖可以看出:

圖3 鉆屑法統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(1)在孔深為1~7 m 段鉆屑量緩慢增加,8~13 m 段鉆屑量迅速增加,14~15 m 左右鉆屑量出現(xiàn)峰值,15 m 以后鉆屑量逐漸減少。

(2)根據(jù)鉆屑量沿孔深的變化規(guī)律可以推斷出,7 m 以?xún)?nèi)為卸壓區(qū)范圍。此范圍內(nèi)煤體完全卸壓,鉆屑量基本保持穩(wěn)定,8~13 m 為應(yīng)力升高區(qū),在14 m 左右達(dá)到峰值,之后逐漸降低。

(3)鉆孔合理密封深度的范圍必須超過(guò)鉆孔卸壓區(qū)范圍,但同時(shí)又要小于煤壁應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度,因此,鉆孔的合理密封深度應(yīng)在15 m 左右。

4 封孔材料及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 封孔材料的確定

超高水材料最早由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部研究成功,已經(jīng)在煤礦充填開(kāi)采、沿空留巷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水泥和超高水材料性能的對(duì)比試驗(yàn)。水泥使用普通的325 水泥,漿液的配制過(guò)程中,添加部分添加劑,與超高水材料同時(shí)制作邊長(zhǎng)為70.7 mm 的試塊,在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、測(cè)試,其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同封孔材料參數(shù)對(duì)比

由表可以看出,隨著水固比的增大,水泥和超高水材料的強(qiáng)度變小,凝結(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,水泥材料會(huì)產(chǎn)生固化收縮,體積有不同程度的縮小,而超高水材料則表現(xiàn)出微膨脹性,在后期體積有所增長(zhǎng),可以避免漏氣通道的產(chǎn)生。

4.2 注漿壓力

根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑來(lái)確定注漿壓力,如式所示:

式中:P為注漿壓力,MPa;γ為備用系數(shù),一般取1.1;μ為漿液粘度,MPa·s;R為漿液擴(kuò)散半徑,m;r0為抽采鉆孔半徑,m;T為注漿時(shí)間,s;δ為裂隙開(kāi)度,m。

西馮街礦采用Φ113 mm 的鉆頭施工,成孔直徑約為120 mm,擴(kuò)散范圍按最大擾動(dòng)破壞范圍選取,一般為鉆孔孔徑的10倍,為600 mm。代入計(jì)算可得,注漿壓力為2.31 MPa,實(shí)際操作中要求注漿壓力不得小于2.5 MPa。

4.3 封孔注漿系統(tǒng)布置

采用兩堵一注的封孔方式。封孔漿液利用泵壓入囊袋中,囊袋注漿膨脹與孔壁接觸,兩端的囊袋注漿完成后,在囊袋中間注入超高水材料或水泥漿液,完成封孔,如圖4。

圖4 封孔示意圖

4.4 效果分析

對(duì)采用不同材料封孔的單孔抽采負(fù)壓和抽采濃度進(jìn)行觀測(cè),評(píng)價(jià)封孔質(zhì)量。觀測(cè)結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 單孔抽采負(fù)壓隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖6 孔口瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖可以看出,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),采用水泥漿液封孔和超高水材料封孔,抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫兴陆?,但下降幅度差別較大。超高水材料封孔的抽采濃度下降幅度小于6%,抽采負(fù)壓未發(fā)生明顯變化,抽采效果較好。而采用水泥漿液封孔,抽采濃度下降40%,抽采負(fù)壓下降20%。

水泥漿液凝固后,脆性較大,長(zhǎng)期抽采下孔壁出現(xiàn)變形,在內(nèi)部會(huì)形成裂隙,同時(shí)降低水泥與孔壁之間的密閉性,形成漏氣通道。而采用超高水材料具有微膨脹性,能夠適應(yīng)鉆孔的變形,長(zhǎng)期條件下密閉效果好。

4.5 成本對(duì)比

采用水泥漿液和超高水材料封孔的注漿時(shí)間和成本對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同材料注漿時(shí)間與成本統(tǒng)計(jì)

由表可以看出,隨著水固比的增加,漿液的流動(dòng)性增強(qiáng),注漿時(shí)間變短,材料成本下降。但采用超高水材料封孔,注漿時(shí)間短,為水泥材料的50%,注漿成本低,最高可降低63%。

5 結(jié)論

(1)抽采鉆孔孔口到孔底,分為卸壓區(qū)、塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū)和穩(wěn)定區(qū),卸壓區(qū)和塑性變形區(qū)是漏氣的主要通道,是封孔的重點(diǎn)。

(2)采用極限平衡法理論計(jì)算和鉆屑法確定西馮街礦的瓦斯抽采鉆孔的封孔深度為15 m。

(3)采用超高水材料封堵瓦斯抽采鉆孔,注漿時(shí)間短,抽采濃度和抽采負(fù)壓下降少,注漿成本低,是一種理想的封孔材料。

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