瓦斯治理抽采鉆孔修復提濃及配套技術研究

高占峰,邢 祥,劉瑞杰,王振剛

(1.安陽大眾煤業有限責任公司,河南 安陽 455000;2.安陽鑫龍煤業(集團)有限責任公司,河南 安陽 455000)

大眾煤礦位于安陽市殷都區銅冶鎮南魯仙村,東南距安陽市約30 km,南距水冶鎮約7 km。礦井始建于1974年,1978年投產;井田南北走向長8.4 km,東西傾向寬2.3 km,井田面積約16 km2,屬煤與瓦斯突出礦井。礦井采用穿層鉆孔作為區域防突措施,穿層鉆孔施工成本高,且鉆孔抽采一段時間后,受抽采負壓、煤層壓力、巷道壓力變化等因素影響,可能造成鉆孔堵塞、漏氣,抽采濃度降低,抽采效率變差,甚至失效。若該區段鉆孔修復不及時,不僅容易造成鉆孔無法達到設計抽采率而存在一定的空白帶,同時會造成瓦斯治理周期較長,區域防突措施效果不達標等問題,最終導致礦井“抽、掘、采”失衡[1],采掘接續緊張。

針對該情況,礦井圍繞“高濃度,持久抽”的瓦斯治理理念,在21上01工作面底抽巷對鉆孔修復提濃技術開展研究,通過采用鉆孔疏通修復技術、高壓(風)水反吹裝置、封孔材料試驗、巷道圍巖裂隙封閉等一系列技術措施,提高鉆孔抽采效果,確保礦井在保證抽采達標的情況下,縮短瓦斯治理時間[2]。

1 鉆孔修復提濃技術

1.1 鉆孔疏通技術

礦井目前主要采用穿層鉆孔預抽煤層瓦斯作為瓦斯治理措施,穿層鉆孔設計多為上向鉆孔,同時采用水力沖孔作為增透卸壓措施。鉆孔施工完畢后,雖然在封孔前對鉆孔進行了洗孔,但沖孔造成的空洞會進一步引發煤層應力重新分配,甚至受壓力影響造成垮塌。抽采鉆孔煤層段多使用空心篩管,篩管直徑多為32 mm或40 mm,篩管孔眼多為6 mm。鉆孔長時間抽放過程中,會吸入大量煤粉,沖孔空洞垮塌時受抽采負壓影響可能會造成大量煤粉吸入到抽采封孔管中,若清理不及時易造成抽采濃度降低,封孔管堵塞。為解決該問題,對封孔3個月以上的鉆孔進行透孔。礦井分別采用了鉆機重新套孔、鋼絞線+疏通管、高壓水噴頭等方法對鉆孔進行修復[3-5]。

1)鉆機重新套孔修復。使用鉆機將有問題的鉆孔透孔,并重新封孔連抽。存在的問題:修復后的鉆孔在封孔時無法全長封孔,這是因為鉆孔內封孔管和囊袋碎物無法排出,導致封孔管和囊袋無法下設到孔底。

2)鋼絞線+疏通管修復。將疏通管固定到鋼絞線穿入封孔管內,再用靜壓水注水,進而將孔內煤粉沖出。存在的問題:受圍巖破碎擠壓鉆孔變形、鋼絞線+疏通管硬度不夠影響,不能下至孔底,同時個別鉆孔注水期間不返水,鉆孔存在吸氣情況,這是因為前期經水力沖孔后鉆孔可能存在串氣的情況。

3)高壓水噴頭方法:采用高壓水作為動力,銅制或不銹鋼制管道配備高壓水噴頭(俗稱水老鼠)如圖1所示,對封孔管內煤粉進行清理,效果較好。

圖1 高壓水噴頭鉆孔透孔修復裝備Fig.1 Restoration equipment of drilling holes and drilling-through holes with high-pressure water jet

為了對高壓水疏通鉆孔技術進行考察研究,在21上01工作面底抽巷選取1組考察鉆孔進行試驗,從而為高壓水疏通鉆孔技術提供依據。礦井共疏通透孔12個,具體鉆孔疏通前后瓦斯體積分數變化參數如表1所示。在選取的鉆孔中,試驗時該組鉆孔已施工45 d以上。試驗時,高壓水噴頭進入洗孔期間,部分鉆孔阻力較大,排出煤水較多,洗孔時間較長,最長達到30 min,如12-3、12-8鉆孔傾角較小,鉆孔較深,導致封孔管內煤粉積存較多;鉆孔在疏通后均出現瓦斯體積分數上升、負壓下降的情況,特別是12-11號鉆孔,瓦斯體積分數提升明顯,達到原來的兩倍,其余鉆孔瓦斯體積分數也有約一倍增加。通過該試驗,高壓水噴頭在封孔管完好的情況下可以有效對管內煤粉進行清理,顯著提高了鉆孔抽采效果。

表1 鉆孔疏通前后瓦斯體積分數變化對比Table 1 Comparison of gas volume fraction before and after borehole unclogging

1.2 鉆孔高壓反吹(沖)裝置

考慮到鉆孔疏通可以有效提升鉆孔抽采效果,通過學習考察以及進一步設計,當新施工鉆孔封孔時,在封孔管內預下設一根直徑12 mm的PE管,要求下到孔底,后期可連接壓風或高壓水對鉆孔進行疏通。通過在使用過程中逐步改進,由自制的高壓反吹裝置改設為成套裝置,如圖2所示,同時增加了孔底負壓測定裝置,可通過預埋設的直徑12 mm的PE管直接測定孔底抽采負壓,通過孔底與孔口負壓對比,判斷封孔管內是否有堵塞等。該裝置直接安裝在鉆孔與集流器之間,使用時可通過連接高壓水(風)進行操作[6]。

圖2 高壓反吹(沖)裝置Fig.2 High-pressure back blowing (flushing) equipment

1)結合礦井實際,要推進鉆孔探查及修復工作進度,建立排查分析臺賬,每周經分管領導簽字進行周工作總結,每月底之前對鉆孔探查、修復工作撰寫月度分析報告,報告內容要從鉆孔封孔方式、煤體硬度、瓦斯壓力、施工地點附近的地質構造、單孔(總管路、地面泵站)抽放參數情況等進行全面分析總結,同時要考慮堵孔長度(位置)、堵孔主要集中時間段等影響因素。

2)新施工的鉆孔要堅持全部使用下吹水裝置,制定“壓風吹水裝置”相應的管理制度、操作規程及考核要求并嚴格落實。

3)施工3個月以上的鉆孔每月至少進行一次高壓反吹,若處理堵塞率達到60%以上的鉆孔時,要縮短鉆孔處理周期。

4)對鉆孔施工過程中沖孔、封孔時出現堵孔、噴孔等異常的鉆孔,施工完成后一周要對鉆孔進行一次高壓反吹處理,防止鉆孔出現堵塞。

5)對小傾角鉆孔每15 d進行一次高壓反吹處理,提高鉆孔的透氣率。

2 提濃配套技術

2.1 嚴把封孔材料質量

為了進一步提高抽采效果,必須保證封孔管等材料的質量。礦井應建立封孔管材及注漿材料質量驗收制度,明確責任部門、操作流程、技術標準,每批次材料到礦后,按制度要求進行抽查,并建立驗收臺賬,對于驗收不符合要求的材料嚴禁入井使用。封孔管應選用設計壓力不小于1.8 MPa的聚氯乙烯阻燃、抗靜電管材。注漿管應采用設計壓力不低于18 MPa的鋁塑軟管或其他管材。囊袋長度不小于0.8 m,囊袋直徑規格的選取應經現場試驗,滿足封堵嚴密性要求。篩管材質應當符合國家抗靜電、抗阻燃標準,設計壓力不小于1.6 MPa。每批次材料到礦后,對該批次封孔管、注漿管、囊袋等材料進行地面注漿測試,以確保封孔材料質量[6],如圖3所示。

圖3 封孔管注漿試驗切面Fig.3 Grouting test section of hole-sealing pipes

2.2 提高巷道封閉性

21上01工作面底抽巷布置在軟巖中,通過鉆孔探查及測定發現,底板巷巖石松動圈影響范圍最大達到10 m。除將抽采鉆孔封孔段向里段移動外,采用巷道帷幕注漿+巷道封閉的措施,進一步提高巷道封閉性。即使鉆孔受巷道圍巖裂隙發育影響造成鉆孔串氣、漏氣,通過采取封閉措施可有效解決該問題[7]。

底抽巷巷道一般采用噴漿工藝,后期巷道受壓力、養護不到位影響,普通的噴漿材料極易變形開裂、脫皮,造成巷道封閉不嚴。后期經考察,決定采用新型煤礦噴涂堵漏風用聚氨酯材料(泡沫)。該材料(泡沫)具有以下優點:①運輸方便、節省人力,對于受限員管理的掘進工作面,可大大減少人工消耗,提高人員利用率;②噴涂密封效果好,具有較強的黏結性和柔韌性,受壓不易開裂變形,無需二次噴涂,能夠防止巷道風化,有效防止巷道支護材料腐蝕破壞;③有利于搞好安全生產質量標準化,噴涂后的巷道積塵等遺留物便于沖刷清理,噴涂后的巷道呈亮白色,巷道較為美觀;④各類管線的保護較簡單且易于處理,使用安全系數高。

根據大眾礦巖巷壁后注漿經驗,壁后注漿設計一般為長短孔結合注漿。長孔孔深為8 000 mm,預埋Φ22 mm×2 000 mm中空注漿管。短孔孔深為4 000 mm,預埋Φ22 mm×1 200 mm中空注漿管。注漿孔間排距1 500 mm,注漿終壓不小于3 MPa。注漿順序原則上為先下后上,圍巖破碎條件下,可根據現場條件對注漿順序進行調整,可采用隔排打孔注漿,先奇數排后偶數排注漿。注漿材料主要為PC42.5標號水泥單液漿,遇特殊情況可加入水玻璃,雙液漿水玻璃摻量為水泥用量的8%～10%(質量分數),水灰質量比1∶0.8～1∶1。通過巷道帷幕注漿+巷道封閉對底抽巷圍巖裂隙進行封堵,可大大減少圍巖裂隙對鉆孔漏氣的影響。在21上01工作面底抽巷第一區段鉆孔區域共施工壁后注漿鉆孔110個,漿液水灰質量比為1∶1.08～1∶1,平均單孔注漿量200 kg/孔,單孔最大注漿量350 kg/孔,注漿壓力一般為5～7 MPa、最大9 MPa。21上01工作面底抽巷壁后注漿區域共設計45個抽采鉆孔,平均抽采瓦斯體積分數由2%提升至9%,最大抽采瓦斯體積分數提高42%[8-10]。

2.3 鉆孔二次注漿修復

部分鉆孔因封孔不嚴等因素導致的鉆孔漏氣,在孔口以內3～5 m處增加封堵囊袋進行再次注漿封堵,以提高鉆孔封閉性。在21上01工作面底抽巷對瓦斯含量低的鉆孔進行二次注漿封孔。21上01工作面底抽巷施工二次注漿鉆孔26個,較二次注漿前平均瓦斯體積分數提高5%～9%、最大抽采體積分數提高18%,平均單孔流量由0.16 m3/min降低到0.09 m3/min。

2.4 鉆孔應沖盡沖

穿層鉆孔必須做到應沖盡沖,實現強增透。21上01工作面煤層較軟,透氣性差,采用水力沖孔作為增透卸壓措施,鉆孔穿煤見巖不少于0.8 m,穿透煤層后采用高壓水進行反向沖孔,沖孔水壓不小于15 MPa,沖孔煤量每米控制到0.6～1.0 m3。經對試驗結果進行跟蹤分析發現,該區域的最大瓦斯原始含量10.22 m3/t,最大瓦斯壓力0.91 MPa,沖孔后瓦斯含量3個月后降到4.52～5.68 m3/t,瓦斯壓力降到0.11～0.13 MPa。沖孔后鉆孔始抽平均體積分數為80%,其中90%以上鉆孔始抽平均體積分數在70%以上。

3 結論

1)通過采取鉆孔疏通修復、高壓(風)水反吹裝置等技術,有效提高鉆孔抽采體積分數。21上01工作面底抽巷單元抽采瓦斯體積分數由原來的42%提升到53%,單孔抽采瓦斯體積分數提升最大達到42%。同時,通過對老舊鉆孔進行修復,鉆孔有效率從72%提升到了95%以上,不但節約了瓦斯治理成本,更是減少了瓦斯治理周期。

2)通過嚴把封孔材料、壁后注漿+巷道封閉等配套措施,不但解決了巷道圍巖裂隙發育造成的鉆孔漏氣影響,更是提高了巷道服務年限,減少了巷道維修量。