潞宁煤业22117工作面顺层钻孔封孔质量优化

李午明

(山西潞安集团 潞宁煤业公司， 山西 忻州 036000)

1 工程概况

潞安集团潞宁煤业有限公司现阶段主采侏罗系大同组上部的2#煤，2#煤层结构简单，中部夹不连续的薄层炭质泥岩夹矸，煤层厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，煤层为Ⅱ级自燃煤层，煤尘具有爆炸性。该矿22117工作面地面标高+1 466～+1 610 m，工作面标高+1 037～+1 057 m，工作面井下位于井田二二区采区中下部，下部为二二采区22119工作面，上部为二二采区22115采空区，西北为2#煤层采区3条下山。22117工作面采用全风压“U型”通风方式，煤层平均厚度为4.3 m，煤层倾角-4°，工作面回风顺槽设计长度1 460 m(回风下山中线—切眼里帮)，运巷顺槽设计长度1 498 m(开口位置中线—切眼里帮)。22117工作面原始瓦斯含量3.6 m3/t，2#煤层瓦斯最大可解析量为1.84 m3/t，工作面按日产8 000 t，预测22117工作面回采期间的瓦斯涌出量为10.2 m3/min. 22117工作面瓦斯治理方法为本煤层预抽、裂隙带抽采及采空区埋管抽采的综合技术，其中本煤层预抽采用顺层钻孔，该矿工作面顺层瓦斯抽采钻孔的封孔已进行聚氨酯封孔、带压注浆封孔等多种工艺的实践，22117工作面顺层钻孔采用无机磷酸盐高铝高强泥浆材料进行封孔，封孔工艺为“两堵一注”，但是实际应用过程中发现抽采的效果不理想。

2 22117工作面顺层钻孔抽采现状

为了解潞宁煤矿22117工作面采用“两堵一注”封孔工艺的封孔效果，采用重庆研究院研发的封孔质量检测装置进行测量[1]. 该装置主要由封孔质量检测仪、瓦斯参数探测管、快接三通及打气筒组成，其测量原理见图1，该装置能够记录单个抽采钻孔内抽采负压、瓦斯浓度等具体参数。

22117工作面顺层钻孔抽采负压可在8.5～23.5 kPa调节，随着抽采负压的增大，顺层钻孔抽采瓦斯的浓度逐渐增大，当抽采负压为23.5 kPa时达极限，负压继续增大抽采浓度将急剧降低，钻孔出现漏气现象，抽采钻孔失效。由此可知，造成22117工作面顺层瓦斯抽采钻孔抽采效果不理想的主要原因为封孔效果较差，造成顺层钻孔封孔质量较差的可能因素包括封孔长度、封孔材料及封孔工艺等。为提高工作面顺层钻孔瓦斯抽采的效果，针对以上因素逐一进行优化。

3 顺层钻孔封孔长度优化

井下巷硐开挖后，巷道围岩内应力重新分布，浅部围岩应力集中程度较高产生松动圈，松动圈内的煤岩体裂隙发育，煤层内的瓦斯通过该区域的裂隙向巷道内渗透，顺层瓦斯抽采钻孔封孔时，要求封孔深度大于巷道围岩的松动圈[2-3]. 潞宁煤矿2#煤层煤质松软，顺层钻孔总长度为180 m，封孔深度为10 m，钻孔成孔后孔壁易出现坍塌现象，通过FLAC3D数值模拟软件对其最优的封孔深度进行研究。模型按该矿2#煤层22117回风顺槽的实际地质情况建立，22117回风顺槽沿2#煤层顶板掘进，煤层平均厚度4.3 m，为近水平煤层，巷道断面4.0 m×3.4 m，掘进断面13.6 m2，模型尺寸为50.0 m×10.0 m×35.0 m. 模型采取直角坐标系，XOY为水平面，Z轴为垂直方向，取模型左下角作为模拟的坐标原点。模型边界条件为：水平边界采用铰支，底部采用固支，上部为上覆岩层荷载，根据22117回风顺槽对应煤层埋深取最大值350 m，岩石容重取25 kN/m3，得出垂直应力8.75 MPa，垂直应力施加在模型上部边界。

图1 封孔质量检测装置工作原理示意图

该次模拟主要分析巷道围岩应力分布、塑性区范围以确定合理封孔深度，模拟结果见图2. 22117回风顺槽掘进过程中，巷道围岩应力原始平衡状态被破坏，围岩发生位移变形，应力重新分布，最大主应力在巷道两帮、顶板、底板都出现了明显的卸压区域。最大主应力及塑性变形云图见图2. 从图2可以看出，22117回风顺槽掘进后，巷道两帮塑性区域为0～11 m，顶、底板塑性区域为0～8 m.

通过上述分析可知，22117回风顺槽掘进后，煤壁帮松动裂隙发育8～11 m，22117工作面原有封孔段设计长度未超过塑性区的发育深度，因此设计顺层瓦斯抽采钻孔的封孔深度增大为12 m.

图2 22117回风顺槽开挖数值计算云图

4 速效布袋密封工艺设计

22117工作面顺层瓦斯抽采钻孔的封孔材料为无机磷酸盐高铝高强泥浆材料，现场应用效果表明，该材料凝固后收缩性较强，易产生明显的收缩裂缝，对钻孔周边裂隙的挤压封堵能力不足，导致瓦斯泄漏量较多，需选用具有适当膨胀性的新型封孔材料。新型封孔材料以普通硅酸盐水泥为基料[4]，通过实验室研究确定添加剂铝粉的质量比0.56%，石膏质量比2%，总的水灰比为3∶5. 22117工作面顺层钻孔封孔工艺为“两堵一注”，为提高封孔效率和质量，在原有封孔工艺基础上进行改进，提出速效布袋封孔工艺。速效布袋密封工艺主要由封孔布袋、注浆管、出浆管及爆破阀组成，顺层钻孔施工完毕后，首先安装一根可与瓦斯抽采管对接的封孔管，封孔管的长度约为12 m，封孔管两端分别安装一个布袋，布袋与注浆管联结的端口为预先缝制的注浆管口、抽采管口、出浆管口，之后采用钢制卡箍将注浆管、封孔管和抽采管联结为一个整体，通过瓦斯抽采管将整个封孔装置推送至适当位置，速效布袋密封原理图见图3. 注浆泵首先将新型注浆液注入封孔管两端的布袋内，两个布袋充满后，浆液压力达到一定值爆破阀开启，浆液注入到封孔管中间的区域，由于两端布袋的封闭作用，中部的浆液压力持续增大，逐渐向钻孔周围的裂隙中渗透，并起到对煤岩体内裂隙挤压封闭的作用。

5 现场工业性试验及效果分析

试验位置为22117回风顺槽的顺层抽采钻孔，钻孔d30 mm，长度为180 m，开孔位置距离底板1.3 m，共10个钻孔，对钻孔进行编号，其中1#、3#、5#、7#、9#钻孔采用新型封孔工艺，封孔长度为12 m，注浆压力为0.8 MPa，其余钻孔采用原有的封孔工艺，钻孔布置见图4. 为考察钻孔的封孔效果，对各个钻孔的抽采浓度进行监测，结果见图5. 由图5可知，原封孔工艺条件下，钻孔抽采瓦斯浓度随抽采时间的增大快速降低，抽采10天后，瓦斯浓度普遍降到30%以下，之后抽采瓦斯浓度均小于20%，封孔效果较差；采用速效布袋密封钻孔后，瓦斯抽采浓度下降趋势比较平稳，前一个月内瓦斯浓度均大于30%，抽采一个月后，瓦斯抽采浓度仍在25%以上，封孔效果较好。

图3 速效布袋密封原理图

图4 钻孔布置图

图5 新型封孔材料及工艺和原封孔工艺瓦斯抽采浓度对比图

6 结 论

潞宁煤矿22117工作面顺层瓦斯抽采钻孔瓦斯浓度监测结果表明，导致顺层钻孔瓦斯抽采效果不理想的原因为封孔效果较差。通过数值模拟及现场调研得知，顺层钻孔封孔效果较差的主要原因为封孔长度、封孔材料及封孔工艺不合理，提出合理的封孔长度为12 m，确定出新型封孔材料的配比，并在原有“两堵一注”封孔工艺的基础上提出速效布袋封孔技术。22117回风顺槽现场应用试验表明，采用速效布袋密封技术的密封性明显优于原有封孔工艺，该工艺能够应用于潞宁煤矿2#煤层工作面顺层瓦斯抽采钻孔的封堵。