煤矿新型瓦斯抽采钻孔保压封孔技术研究

唐 杰

（晋能控股煤业集团寺河煤矿, 山西晋城 048000）

1 瓦斯抽采钻孔的两种应力及其对应的裂隙分布特征

1.1 钻孔轴向应力和其裂隙分布特征

在煤矿中, 当开始挖掘其井下巷道时, 会破坏围岩最初的应力形态, 并再度分布其形态, 集中应力的产生是由于对巷道进行挖掘造成的, 这种情况下, 煤体被破损的力度小于其集中应力, 有浅部的煤体靠近巷道的应力会由于破碎而下降, 其峰值逐渐转移到深部, 从巷帮到围岩的较深位置形成的应力区是原岩应力区、应力集中区、应力降低区。并且巷道围岩的裂隙分布随其应力的改变而改变, 巷道围岩按照理论把巷道松动圈及相应的分布应力σ的情况分成原岩应力区、破碎区、弹性区和塑性区, 图1即为其弹塑性区和应力分布图。

图1 巷道围岩弹塑性区及应力分布

在煤矿中, 因为硐室或巷道是其井下瓦斯抽采进行钻孔工作的位置, 并相比较于巷道断面, 对瓦斯抽采进行钻孔, 其孔径不大, 当对钻孔的孔轴向应力分布进行探讨时, 可以不考虑其能够影响巷道的径向应力。所以, 巷道和钻孔对应的径相应力、轴向应力的分布是相同的, 都是原岩应力区、应力集中区、卸压区。图2即为瓦斯抽采钻孔的轴向应力分布图。

图2 瓦斯抽采钻孔轴向应力分布

在煤体中, 在卸压区内的部分峰值应力自巷道的外表逐渐转移至深部的全过程都经历了, 这就造成有破碎现象出现在煤体中, 与巷道的破碎区相对应；峰前应力集中区与峰后应力集中区构成了应力集中区, 其依据的是其峰值所在的位置, 煤体所在的集中应力区转移峰值应力的过程都经历, 尽管煤体没有破碎, 可会有很多裂隙产生, 其与巷道的塑性区相对应；尽管应力在峰前应力集中区是上升的, 可是没有达到煤体发生破碎的最大值, 宏观裂隙发生的明显度不大, 所以与巷道的弹性区相对应；其在原岩应力区没有受到扰动, 没有改变裂隙的分布情况。所以, 根据其分布特征可以看出, 围岩的塑性区和破碎区是钻孔工作的必经之路, 这个地方因为是有利于宏观裂隙发育, 所以, 当对钻孔进行封孔时, 要避开这个地方设计封孔段。

1.2 钻孔径向应力和其裂隙分布特征

可以把瓦斯抽采钻孔当做小型的煤层巷道, 其煤层巷道受整体的被采动所影响, 分析其分布的特征只要是凭借巷道的应力分布理论。在实施钻孔之后, 弹性区、塑性区、破碎区也构成了孔周煤体, 图3即为钻孔应力和裂隙分布示意图。按照其分布特征能够发现, 其塑性区和破碎区是发生漏气的区域。

图3 钻孔应力及裂隙分布示意图

因为有支护力存在于封孔中, 进而改变了孔周煤体的受力情况, 即为三维受力替代二维受力, 并且封孔的支护力和钻孔围岩的塑性区、弹性区是反比关系, 孔周煤体的应力由于上升的封孔支护力而上升, 有的裂隙会由于压密而紧闭, 进而减小漏气的半径。所以, 为能够使封孔的成效得到提升可以采用注浆把封孔的压力提高。

2 三种封孔方法

2.1 存在于“两堵一注”封孔技术的缺陷

在初期的封孔方法是囊袋式的, 后来以此为基础慢慢发展的封孔技术是带压封孔, 即为“两堵一注”, 本技术能够在原理上把注浆压力在封孔段比较低, 无法使浆液渗入钻孔的塑性区的不足的问题得到解决, 而且在国内瓦斯抽采钻孔中慢慢成为最重要的技术。爆破阀、注浆管、环形注浆囊袋、回浆管等构成了“两堵一注”封孔装置, 在该装置中, 环形注浆囊和注浆管捆绑相连, 并且环形注浆囊的数量是2个, 把1个爆破阀安置在注浆管中, 并且注浆管是在2个相邻注浆囊袋之间, 在安置注浆管和回浆管时需要注意的是两者必须是平行的, 注浆段中有孔的一侧管口。

下面即为“两堵一注”封孔技术的详细过程：瓦斯抽采管套有封孔装置, 两者一起进到钻孔中, 注浆管把浆液分别注入到2个环形囊袋内, 使囊袋扩张, 并把孔壁和抽采管之间的空隙进行填充, 等有浆液流入回浆管流出时就可关闭注浆管了；把注浆压力慢慢提升, 当注浆压力达到能够打开爆破阀, 浆液就把囊袋与囊袋的间隙进行充填, 等有浆液流入回浆管时就可以关闭注浆管了；注浆压力始终保持一定值并坚持一定的时间, 那么浆液在持续高压的情况下就能很好地渗入到围岩的裂隙中, 为使钻孔封闭成效上升而供给主动支护[1]。

可是, 当使用“两堵一注”封孔技术时, 尽管能使瓦斯抽采的负压和浓度得到提升, 可和理论预期还是有不小的差距。从根本上说就是因为该装置的出浆管和注浆管与抽采管外切, 注浆囊袋由于扩张而开启之后, 就出现了漏浆“三角区”, 其“三角区”就是封孔囊袋在孔口面和3条管路之间, 致使注浆时有漏浆、跑浆状况出现在囊袋和囊袋之中的封孔段, 使注浆压力下降, 与此同时, 导致浆液不能很好地渗入钻孔围岩裂隙的更深处, 进而对封孔成效产生影响。图4即为“两堵一注”封孔装置示意图。

图4 “两堵一注”封孔装置示意图

2.2 新型保压注浆封孔装置

经过分析瓦斯抽采钻孔的裂隙和围岩应力, 封孔的注浆压力的提高能够确保其封孔成效。关于“两堵一注”封孔工艺现存的缺陷, 新型保压注浆封孔装置被研究与设计出来, 图5就是该装置的示意图。回水阀、多孔管抽采管、注浆阀、孔内囊袋、孔口囊袋等部分构成了该装置。选取瓦斯抽采管和内切于出浆管与注浆管的设计的一体化, 使“多管合一, 一管多用”的方针得计的注浆段区域最好是巷道的弹性区中, 并且其长度要大于2m。

图5 新型抽采钻孔保压封孔装置示意图

在对瓦斯抽采钻孔进行封孔, 可以选取本装置, 第一就是把该装置伸入孔里的规定位置, 然后把回水连接头和注浆连接到孔口面的多空抽采管中, 把浆液注入囊袋中使用的是单向截止阀, 其单向截止阀从囊袋和注浆管之间经过的, 在把浆液注满囊袋之后, 会提升注浆的压力, 促进囊袋的扩张, 此时, 完成了首次加固挤压孔壁；在注浆压力提升至1.5MPa时, 就会打开囊袋与囊袋之中的阀门, 并在浆液注浆到注浆段, 存在于注浆段的剩余气体会随着回水管和回水阀排放出去, 在浆液从回水管内往外流出时, 就代表浆液充满全部的注浆段；把孔口的回水阀关闭, 让注浆压力持续升高到2MPa, 并保持2MPa压力10min之后, 再把孔口的注浆阀关闭, 完成封孔, 经过使用高压浆液来填充钻孔围岩的裂隙, 此时就完成了第二次的加固填充孔壁的裂隙；除此之外, 对注浆材料的选择, 选择的水泥要特别细而且稍微带有膨胀性质, 膨胀力会在浆液逐渐凝固时产生的, 完成了第三次加固裂隙与孔壁。由于该装置给予钻孔的这三次加固, 能够很好地对其塑性区存以完成, 把存在漏浆通道的三角区域消除, 能够使孔壁、封孔囊袋与抽采管之间的密封性提高, 使注浆压力在封孔段得以最大限度的提升, 促进浆液能很好地渗入孔周裂隙, 为封孔成效提供了保障。

2.3 注浆封孔工艺和其原理

当未封孔瓦斯抽采钻孔时, 对封孔的参数和装置的选择, 要按照抽采钻孔操作技术与煤层赋存的要求。0.6～0.8倍的钻孔直径就是多孔抽采管的直径, 1.05～1.17倍的钻孔直径就是膨胀之后的封孔囊袋的直径；按照实施钻孔巷道特征中的塑性区的区域来决定注浆封孔段的位置与长度, 0.5m就是囊袋的长度, 设在的裂隙进行封堵, 为提高封孔成效提供了保障。

3 工程实践

3.1 概述试验工作面

在某矿中, 把60×104t/a的生产能力设计在了新场井中, 使用的开采方法就是结合暗斜与平硐（副平硐、主平硐）, 通风的方式是中央界限法, 盘区的划分是水平向上高于+431m就为1个, 选取的采煤方法是倾斜长壁法, 其开采的顺序从下到上为8#、3#与2#煤层。在新场井中, 3106综采工作面所处的位置是其盘区中的一核心位置, 其倾斜长度和走向长度分别是485m和178m, 其西部与东部分别是3018工作面与3104工作面采空区, 并且3018工作面是没有被开采的。在对3#煤层进行开采时, 其瓦斯的压力、瓦斯含量与透气性系数分别是0.35MPa、5.90m3/t、0.8773m2/（MPa2·d）。在3106综采工作面未回采时, 瓦斯的预抽可以选取在实施回风巷顺层瓦斯抽放钻孔。

3.2 比较封孔成效的实验

为能更好地对新型保压封孔装置的封孔成效进行检验, 可以使用的封孔方法有新型保压封孔、“两堵一注”封孔及聚氨酷封孔, 并试验与对比以上封孔方法。并把水平钻孔施工设计到工作面的回风巷中, 其水平钻孔共有15个, 其深度是80m, 在水平方向的相邻钻孔的距离3m, 其名字按顺序为1#～15#钻孔。在结束钻孔操作后, 可以把其分成5组, 每组有3个钻孔, 封孔时分别选取上面介绍的封孔方法。

封孔参数选取的合理性, 能够保证在巷道的弹性区域中有封孔能够达到的深度, 测定巷道塑性圈的方法是煤钻屑解吸标准；经过分析被钻屑解吸标准的施工期间的1组钻孔中可以得知, 当深度在10m上下时, 就会提升钻屑标准, 所以把10m设定为封孔的深度, 3m设定为封孔段的长度；并且0.5m是囊袋在新型保压封孔装置和“两堵一注”的长度, 2m分别是其注浆段的长度。在结束封孔之后, 要对5个使用同种封孔方法的钻孔与抽采系统进行串孔连接, 而且把孔板流量计和测气嘴进行安装[2]。

3.3 试验得出的结论

在投抽其中的1组钻孔之后, 要天天观察其纯量及浓度。每观察5d, 并提取得到的数据的均值, 并根据抽取的具体时间来把瓦斯的抽采纯量和密度的对比曲线图绘制出来, 图6、图7分别是三种封孔方法下的瓦斯抽采浓度与纯量的对比图。

图6 不同封孔方式瓦斯抽采浓度对比

图7 瓦斯抽采纯量对比曲线图

从2个图中能够发现, 当投抽钻孔30d之后, 三种封孔方法按图中顺序对应的瓦斯抽采浓度平均值分别是28.14%、33.43%、37.42%、抽采纯量的平均值分别是0.17、0.21、0.25m3/min。新型保压封孔比剩余两种封孔方法的瓦斯抽采浓度相应上升了32.98%与11.94%, 抽采纯量相应上升了47.1%与19.05%。

当又投抽30d之后, 按图中顺序的三种封孔方法的瓦斯抽采浓度的平均值分别是为16.77%、22.98%、34.54%, 抽采纯量的平均值分别是0.10、0.16、0.22m3/min。新型保压封孔比剩余两种封孔方法的瓦斯抽采浓度相应上升了105.96%和50.30%, 抽采纯量相应上升了120.0%和37.5%。

总而言之, 聚氨酯封孔、两堵一注封孔、新型保压封孔的瓦斯抽采的纯量与浓度都会随着抽采时间的增长而下降, 可是, 和聚氨酯封孔、两堵一注封孔相对比, 新型保压封孔下降的比较慢, 在投抽钻孔60d之后, 新型保压封孔的瓦斯抽采浓度依然大于30%, 这就体现出新型保压封孔有更好的密封性, 可以降低由于孔内负压与漏气通道而导致的损失, 使钻孔瓦斯抽采的效力得到提升。

4 结束语

（1）经过分析钻孔围岩和巷道的裂隙特征和应力, 两项根本原则被提出来, 就是巷道的弹性区作为封孔的位置和把钻孔的径向封孔压力提高, 就能够很好使封孔成效得到升高。

（2）新型保压封孔装置被设计出来, 经过把瓦斯抽采管、回浆管及注浆管这三部分合理融合, 进行一体化设计, 预防漏浆三角区的不足, 封孔囊袋的气密性以及实际注浆压力得到了显著提升, 实际应用结果表明, 该种新型保压封孔技术, 封孔效果更好。

（3）在实际投抽钻孔时发现, 在投抽钻孔30d与60d之后, 新型保压封孔工艺比剩余两种封孔工艺的瓦斯抽采浓度对应上升了32.98%、11.94%与105.96%、50.30%, 抽采纯量对应上升了47.1%、19.05 %与120.0%、37.5%。其新型保压封孔工艺能够有效使漏气通道下降, 并且其效果会随着投抽时间的增长而明显。