瓦斯抽采漏气失效钻孔修复技术研究

熊 伟

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，然而我国约有65%的煤矿煤层钻孔瓦斯抽采浓度普遍低于30%[1-2]。国内外专家学者在如何提高瓦斯抽采效果方面进行了大量的研究，形成了利用二氧化碳相变致裂、水力压裂、水力割缝、水力冲孔等对煤层进行预处理的技术手段，在煤层中生成裂隙和扩展裂隙以提高瓦斯抽采效果[3-7]。也对瓦斯抽采设施、设备进行优选，研究了钻孔施工孔径、抽采管尺寸、合理抽采负压和不同抽采时期的负压调节等方面对抽采效果的影响[8-12]。还进行了瓦斯抽采钻孔的封孔工艺及材料的研究，形成了机械封孔、高分子材料封孔和“两堵一注”带压注浆封孔等工艺和材料[13-15]。

随着上述各项研究成果的应用，瓦斯抽采效果在抽采前期有了明显提升，但仍存在大量矿井的瓦斯抽采浓度及抽采纯流量衰减周期短，高效抽采难以维持在一个长效稳定状态，没有从根本上解决瓦斯抽采效率低下的问题。通过调研分析，造成这种现象的主要原因之一是钻孔封孔段漏气[16]，煤矿对该类钻孔的处理方式主要为关停和在其周围区域补打钻孔进行瓦斯抽采，这些手段都是被动对失效钻孔进行处理，关停失效钻孔进一步增加了区域煤层的抽采达标的时间，而补打的钻孔抽采效果也不理想。因此，研究漏气失效钻孔的修复和再处理技术，延长钻孔服务寿命具有重要意义。

1 瓦斯抽采钻孔漏气失效成因分析

为了使漏气失效钻孔修复和再处理手段具有普遍适用性，使其在应用于大多数失效钻孔后均能明显提高瓦斯抽采效果，首先对瓦斯抽采钻孔漏气失效的成因进行研究。瓦斯抽采是通过在目标抽采区域中施工钻孔，并在孔口一定范围内利用封孔材料及设备进行有效封堵，再连接到抽采系统中，在抽采设备产生的负压作用下将煤层中的游离态瓦斯抽采出来。如果钻孔封孔段存在漏气现象，大部分抽采负压就只作用在孔口区域，巷道内空气将从各种漏气通道进入抽采系统中，而无法对钻孔和煤层中的瓦斯进行有效抽采。封孔段漏气主要分为以下 2种：

1)煤岩层贯通裂隙漏气。原始煤层处于应力平衡状态，在巷道开挖和钻孔施工影响下，原岩应力平衡状态受到破坏并会逐渐重新分布达到新的荷载平衡。在此过程中，附加抽采负压等外力作用，巷道和钻孔壁四周的煤岩体裂隙发育会增加，形成较为明显的裂隙通道。如果钻孔封孔深度较浅，裂隙发育超过有效封孔段，巷道内空气将会在抽采负压的作用下，沿如图1所示的煤岩层漏气通道进入钻孔内，使钻孔瓦斯抽采浓度大幅降低，钻孔失效。

1—煤岩层漏气通道；2—封孔材料漏气通道；3—钻孔壁漏气通道。

2)封孔材料失稳变形导致钻孔漏气。目前我国煤矿常用的封孔器材主要包括机械式封孔器、高分子膨胀材料和无机封孔材料。

①机械式封孔器基本采用将水或气体介质注入封孔器使其外层膨胀后实现封孔，由于封孔器外层与钻孔内壁无法实现绝对铰接，当封孔器内介质压力降低后，封孔器外层和钻孔壁的缝隙扩大，将形成钻孔壁漏气通道。

②高分子膨胀材料因其膨胀率高、操作便捷等优点在抽采钻孔的封堵中得到了广泛应用，但其强度低、黏度大等缺陷致使所封堵的钻孔瓦斯抽采浓度衰减速度较快。对高分子材料相关性能进行测试，并计算试件的压缩强度、相对形变及压缩应力，根据计算结果得到其抗压强度仅有0.6～1.0 MPa，是煤体抗压强度的1/10左右，当钻孔周围应力重新分布后，封孔材料作为薄弱点将会出现严重变形，形成封孔材料漏气通道，导致抽采钻孔失效。

③水泥砂浆等无机封孔材料在其凝固过程中会出现收缩现象，用其对大倾角的钻孔进行封孔时效果理想，但应用于近水平钻孔封孔时，材料硬化后收缩变形，会在其上表面出现月牙状孔隙，形成钻孔壁漏气通道，无法对抽采钻孔进行有效封堵。

2 漏气失效钻孔修复技术

目前，煤矿现场对失效钻孔的处理不合理，采用直接关闭失效钻孔和补打钻孔的方式都无法有效改善瓦斯抽采效果。漏气失效钻孔修复技术，是对钻孔封孔段进行预置缝槽处理，形成径向环形封孔空间，再采用“两堵一注”带压注浆工艺对钻孔进行封堵，以达到切断漏气通道，保障封孔效果的目的。

2.1 缝槽位置的确定

在巷道开挖、钻孔施工后，煤层沿着钻孔深度范围会依次出现应力降低区、应力增高区和原岩应力区3个区域。应力增高区范围中煤岩层裂隙发育，漏气通道众多，因此，预置环形缝槽的位置应达到原岩应力区内。考虑到钻孔修复和封孔成本，理论上的环形缝槽最佳位置应处于原岩应力区和应力增高区的交界处。

为了尽量准确确定缝槽位置，利用数值模拟分析软件对试验区域的煤岩层进行应力分布模拟计算，选取M-C准则(Mohr-Coulomb criterion)，基于莫尔圆来判断最大和最小主应力平面上的破坏应力状态，破坏线是与莫尔圆相切的直线。该准则在π平面上的拉、压轴相等时即为广义Tresca准则，其准则方程为：

τn=f(C,φ,σn)

式中：τn为剪应力，MPa；C为土的黏聚力,MPa；φ为土的内摩擦角，(°)；σn为屈服面上的正应力，MPa。

M-C条件为：τn=C+σn·tanφ。

选取阳煤集团五矿8402工作面作为试验地点，巷道沿煤层底板开挖，巷道断面为矩形，宽3.6 m、高5.0 m，基本参数如表1所示。

表1 煤岩层相关力学参数

数值模拟模型采用二维模型，其长×宽为50 m×50 m，在巷道周围进行网格加密。模型的边界条件：底部为XY的位移约束，四周为垂直于面的单向位移约束，上部施加一个7 MPa的载荷。

巷道开挖后垂直应力云图如图2所示。

图2 巷道开挖后垂直应力云图(单位：Pa)

从图2中可以看出，巷道四周形成应力降低区，应力较小，同时在水平方向上形成应力增高区，而在巷道较远处未受开挖影响的部位仍为巷道的原岩应力区，只能定性分析巷道的4个区域，而不能具体地判断出 4个区域所在的位置。因此，在巷道两侧选取2条参考线，其代表了大多数钻孔的施工轨迹曲线，考察参考线上的应力变化情况，如图3所示。

从图3可以看出，2条参考线上的应力基本相等，略有差异主要是因为煤层为倾斜煤层，上覆煤岩层的重力不一致；应力降低区为0～2.5 m区域，应力增高区为2.5～12.0 m区域，原岩应力区为12.0 m以远。因此，确定阳煤五矿8402工作面封孔试验区域缝槽预设位置为12.0 m。

图3 参考线上垂直应力变化图

2.2 缝槽施工及封孔工艺

根据上述研究结果，利用水力割缝设备，将原有钻孔封孔段的原材料进行清除，并在确定的应力增高区和原岩应力区交界位置施工小于1/2钻孔间距深度的环形缝槽，如图4所示。楔入钻孔周围煤岩体中的环形缝槽，能够有效阻断煤岩体中的贯通裂隙漏气通道，减少甚至杜绝巷道内空气流入抽采系统。加之环形缝槽与钻孔封孔段形成了有机整体，封孔材料充满封孔空间并凝固硬化后，也能够避免空气通过钻孔壁流入抽采钻孔内部。对瓦斯抽采钻孔采用“两堵一注”带压注浆封孔工艺进行有效封堵，并以高膨胀性、强流动性的无机封孔材料浆体进行封孔，使封孔浆液材料能够对钻孔封孔段，尤其是缝槽及周围煤岩体裂隙进行有效封堵。

1—注浆管；2—抽采管；3—封孔器；4—缝槽；5—膨胀封孔材料；6—煤层；7—抽采钻孔；8—应力曲线。

3 现场试验及效果考察

阳煤五矿8402工作面回风巷原有钻孔采用聚氨酯高分子材料进行钻孔封堵，初期钻孔抽采瓦斯浓度较高，但衰减速度快。选取20个实时抽采瓦斯浓度低于10%的钻孔作为试验钻孔，确定其中10个钻孔进行割置缝槽处理，10个钻孔作为对比钻孔不采用任何技术措施。根据上述模拟分析结果及现场考察，确定修复钻孔封孔工艺为：缝槽布置于距孔口12 m处，缝槽深度为2 m，钻孔封孔深度为15 m。钻孔抽采瓦斯浓度(CH4体积分数)对比如图5所示。

图5 钻孔抽采瓦斯浓度对比图

由图5可知，钻孔在封堵接抽初期瓦斯浓度达到30%左右，但在抽采了31 d时，平均瓦斯浓度下降到10%以下。对失效钻孔进行修复处理后，从第32 d 重新开始接抽，到第71 d考察周期内，修复后的钻孔平均抽采瓦斯浓度维持在25%左右，而对比钻孔的平均瓦斯浓度仍处于10%以下。通过统计分析考察周期内的监测数据，修复后的钻孔平均抽采瓦斯浓度为26.6%，而未修复处理的钻孔平均抽采瓦斯浓度为8.2%，钻孔修复后平均抽采瓦斯浓度提高3倍以上。

图6中显示的修复前后、修复和未处理钻孔的抽采瓦斯纯流量变化趋势也十分明显。失效钻孔实施修复后，平均抽采瓦斯纯流量提高到0.196 m3/min，而未实施修复处理的对比钻孔平均抽采瓦斯纯流量仅为0.097 m3/min。钻孔修复技术的应用，使平均抽采瓦斯纯流量提高幅度超过了50%。

图6 钻孔抽采瓦斯纯流量对比图

4 结语

1)提出的失效钻孔割缝封孔修复技术，有效解决了因煤层贯通裂隙和封孔材料失稳变形裂隙导致的钻孔漏气问题，是一种适用性较为广泛的技术。

2)通过数值分析钻孔周围应力重新分布情况，将割缝位置确定在应力增高区和原岩应力区交界位置，既能有效提高封孔质量，又能防止封孔过深造成的资源浪费和形成抽采盲区。

3)现场试验结果表明，对失效钻孔采取割缝修复技术后，抽采瓦斯浓度提高3倍以上，抽采瓦斯纯流量提高50%以上，有效提高了瓦斯抽采效果，并延长了钻孔的服务寿命，为煤矿安全生产提供了技术保障。