马兰矿大直径瓦斯抽采钻孔封孔技术优化研究

徐鹏飞

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

1 工程概况

西山煤电马兰矿目前主采8#煤层，厚度3.80～4.80 m，均厚约4.43 m，设计生产能力400万t/a，矿井工业广场位于山西省古交市西南15 km。18502工作面设计利用辅运巷、皮带巷施工顺层钻孔对该面进行本煤层抽采，从巷道里程1190 m 开始至里程110 m 结束，工作面倾斜长度320 m，两侧巷道内顺层钻孔长度170 m，钻孔直径113 mm，钻孔水平间距8 m，两侧钻孔交替布置。工作面巷道布置及皮带巷一侧顺层钻孔布置详情见图1 所示。封孔工艺：采用袋装聚氨酯封孔。钻孔施工完毕后，钻机及时向孔内推入规格3 m4 寸PVC 套管（全程使用PVC 管，下套管深度以套管底端进入稳定岩层为准），在套管距孔口0.5 m、3 m、5 m、7 m 处分别捆绑一道封孔胶，每道封孔胶不少于4 袋，封孔深度6.6 m。待封孔胶充分反应后，在孔口200 mm 段用水泥砂浆进行固孔。结合南五下组煤已采8#煤工作面抽采效果预测，采用袋装聚氨酯封孔前期封孔效果良好，但是抽采约10 d 后，抽采浓度急速下降，导致抽采达标时间长、需施工补充抽采钻孔等问题。

图1 18502 巷道及顺层钻孔布置示意图（m）

2 非凝固膏体材料封孔技术原理

参考相关研究成果[1]，非凝固膏体材料封孔技术实质是在固体封孔基础上加上液体封孔段，其技术原理如图2。每个钻孔通过三个固体封孔段+两个非固体封孔段进行封闭，三个固体封孔段形成两个密闭空间A、B。首先注入可凝固封孔材料形成三个固体封孔段，然后在密闭空间A 中注入非凝固封孔材料，固体密封段兼具封堵瓦斯及非凝固膏体材料的作用。非凝固材料在压力作用下向钻孔周围破碎煤体内渗透，起到阻隔瓦斯渗漏通路的效果。一次封孔完成后，即具备瓦斯抽采条件，抽采一段时间后，再向密闭空间B 内注入非凝固封孔材料，起到二次封孔的效果。后续瓦斯抽采过程中，当封孔效果下降时，可重复多次注入非凝固膏体材料，起到多次封孔的作用。

图2 非凝固膏体封孔技术原理图

3 膏体材料合理注浆压力、黏度模拟研究

非凝固膏体材料封孔技术应用效果的关键影响因素包括封孔长度、非凝固膏体材料渗透半径、注浆压力等[2-3]。为保证膏体封孔材料能够渗透至钻孔周围煤体内破碎带边界，且避免膏体浆液流失过快，非凝固膏体材料既需要有良好的渗透性同时也需要具有一定的黏度。为选择更适合马兰矿18502 工作面的封孔注浆压力和浆液黏度，依据马兰矿8#煤层相应物理参数利用COMOSL 仿真数值模拟软件建立模型。为保证模拟方案的可行性，以一个钻孔为研究对象，模型为高11 m、宽12 m 的矩形，模型四周边界均为不透水边界，煤层孔隙率0.08，渗透率2×10-10，煤层密度1350 kg/m3，圆形钻孔界面位于模型中央，直径113 mm，模型如图3（a）。设计非凝固膏体材料黏度分别为0.05、0.01、0.015、0.03、0.05、0.075、0.1、0.13、0.16、0.2、0.25 Pa·s，组别编号为1～11 组。考虑到马兰矿采用的袋装聚氨酯封孔器耐压小于2 MPa，设计注浆压力为0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.5 MPa 四组，注浆时间为30 min，观测浆液影响范围，整理得到图3（b）所示结果。

根据图3（b）可以看出，随着注浆压力的增大，各黏度条件下浆液的影响半径均呈增大趋势。不同压力条件下，黏度编号1～6 组浆液影响半径存在明显的差值，表明此时浆液黏度小，0.8～1.5 MPa 注浆压力均满足浆液渗流的需求；黏度编号7～11 组影响半径基本无差异，说明此时浆液黏度过大，注浆压力均不满足动力条件。综合考虑渗透效果、粘结效果、流失时间等因素，确定合理的浆液黏度为2～4 组，即0.01～0.03 Pa·s。对比分析不同压力条件下各黏度组扩散半径提升幅度，0.8 MPa 与1.0 MPa影响半径随浆液黏度变化曲线仅在第二组黏度条件下存在明显的差异，表面注浆压力由0.8 MPa 提高至1.0 MPa，浆液扩散效果提升不明显；注浆压力为1.2 MPa 时，相对于1.0 MPa 对应黏度第1～3 组、5 组、6 组条件下的影响半径均显著增大，且增幅明显大于注浆压力1.5 MPa。综合考虑注浆设备要求等现场施工因素，选取1.2 MPa 为最优注浆压力。

图3 数值模型及模拟结果

4 实体煤帮破碎区深度实测

参阅相关研究成果可知[4]，回采巷道掘进后，扰动了巷道周围煤体内的原始应力分布平衡，实体煤帮由浅至深形成破碎区、应力集中区、原岩应力区。破碎区煤体破碎严重，该区域进行钻孔施工时存在塌孔、堵孔的风险，且瓦斯抽采过程中存在漏气的风险，是导致抽采钻孔瓦斯抽采浓度降低的重要因素，因此抽采钻孔封孔长度应大于破碎区深度。根据破碎区透气性较好的特性，设计图4（a）所示的测定原理，采用两个密封囊袋在不同钻孔深度形成封闭空间，在该空间注入等压气体，根据气体注入量的变化来判断煤体的破碎程度。在18502 辅运巷施工3 个测试钻孔，孔深16 m，直径113 mm，深度每增加1 m 作为一个测点，密封胶囊内注水压力2.5 MPa，封堵空间内气体注入压力0.5 MPa，通过流量计读取气体注入量，整理得到图4（b）所示结果。

图4 破碎区深度测试原理及结果

由气体流量随钻孔深度变化曲线可以看出，三个钻孔气体流量均随着深度增大呈减小趋势。密闭空间中心深度由1.5 m 至5.5 m，气体流量减小了20%，表明巷帮0～5.5 m 范围内煤体破碎程度高，透气性较好；深度9.5 m 与5.5 m 相比，三个钻孔的气体流量平均减小72%，表明该区域煤体破坏程度逐渐降低，裂隙大小、数量均显著减小，表明该区域为破碎区至原岩应力区的过渡带；深度在10.5 m 及以上时，三个钻孔气体流量均保持在较低的水平，表明该区域煤体处于原岩应力区。由此说明大直径瓦斯抽采钻孔封孔深度应不小于11 m。

5 现场应用效果分析

为验证大直径瓦斯抽采钻孔非凝固密封膏封孔技术的封孔效果，在马兰矿18502 辅运巷进行新封孔技术和传统袋装聚氨酯封孔的抽采效果对比分析。测试钻孔布置如图4，1#～5#钻孔采用袋装聚氨酯封孔+非凝固膏体封孔技术，封孔长度13 m，袋装聚氨酯注入压力为2 MPa。瓦斯抽采15 d 后，在第一个密封空腔内注入非凝固膏体材料，压力1.2 MPa，黏度0.02 Pa·s，抽采30 d 后再向第二个密闭空腔内注入膏体材料，完成二次封孔。6#孔采用水泥密封，7#、8#孔采用袋装聚氨酯封孔。监测1#～8#抽采钻孔内的瓦斯浓度，整理得到图5 所示结果。

图5 测试钻孔布置示意图（m）

由图6 可以看出，抽采1～15 d，1#～8#钻孔抽采瓦斯浓度基本均保持在60%以上，各钻孔间瓦斯浓度差异不大；抽采15～30 d 期间，1#～4#钻孔瓦斯浓度均保持在50%以上，6#钻孔瓦斯浓度降至20%，7#、8#降至35%左右；抽采30～50 d 期间，1#～4#钻孔瓦斯浓度仍保持在50%左右，6#钻孔瓦斯浓度保持在20%，7#、8#钻孔降至30%。抽采15 d 后，水泥封孔已基本失效，抽采15～30 d 期间，采用袋装聚氨酯封孔效果迅速降低，导致瓦斯抽采浓度不断降低，无法满足矿井瓦斯抽采浓度的要求。采用袋装聚氨酯封孔+非凝固膏体封孔效果良好，相对传统封孔方式可有效提高瓦斯抽采浓度15%～40%，保障平均抽采浓度在50%以上，满足工作面瓦斯抽采要求。

图6 钻孔瓦斯抽采浓度变化图

6 结论

大直径抽采钻孔采用袋装聚氨酯封孔+非凝固膏体封孔技术可有效解决封孔效果迅速衰减的问题，结合马兰矿18502 工作面地质条件，非凝固膏体的合理黏度范围为0.01～0.03 Pa·s，最佳注浆压力1.2 MPa，巷帮煤体破碎区发育深度约为5.5 m，原岩应力区深度为10.5 m，封孔长度不应小于11.0 m。袋装聚氨酯封孔+非凝固膏体封孔钻孔瓦斯抽采浓度衰减率低，封孔效果良好，抽采瓦斯浓度保持在50%以上，能够满足矿井瓦斯抽采的要求。