高瓦斯礦井合理封孔長度分析及囊袋帶壓封孔技術

王江龍,雷騰飛

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯抽采是防治瓦斯災害及保證礦井安全生產最有效的措施之一,順層鉆孔瓦斯抽采是礦井瓦斯預抽的關鍵環節[1]。據統計我國約有65%的回采工作面順層鉆孔的預抽瓦斯濃度低于30%,抽采濃度低、抽采周期短,抽采效果不理想[2]。

順層瓦斯鉆孔抽采效果的好壞通常由抽采鉆孔的密封性決定。在影響鉆孔密封效果的眾多參數中,封孔長度尤其重要。巷道施工完畢后,在巷道周邊會形成卸壓帶、應力集中帶和原巖應力帶,其中破壞區孔隙裂隙發育,如果封孔深度小于該區深度,則有可能在抽采負壓的作用下,鉆孔通過裂隙和巷道中的空氣形成回路循環,降低瓦斯抽采濃度和抽采負壓[3]。煤礦安全相關文件中對封孔長度也有相關規定,例如,《防治煤與瓦斯突出規定》要求順層鉆孔的封孔段深度不得小于8 m[5]。國內外學者運用理論分析、數值模擬和物理實驗研究多種手段開展大量研究[6-8]。以上研究通常認為封孔長度應超過卸壓帶而不超過應力峰值點,但由于礦井地質條件的復雜性導致封孔長度問題很難定量分析,所以仍需進一步深入研究。

1 順層鉆孔應力狀態特征及封孔長度分析

1.1 順層鉆孔應力狀態分布特征

由于煤巖巷道的采動影響,打破原始煤體的應力平衡狀態,使圍巖產生損傷,巷道周邊煤(巖)體受應力改變影響產生孔隙、裂隙[9]。煤巖巷道掘進完成后,由于地應力重新分布,巷道周邊裂隙逐漸發育、貫通,最終巷道周邊煤體根據應力狀態的不同呈現“三帶四區”的特征;而煤巷兩幫施工的順層瓦斯預抽鉆孔呈現同樣的應力狀態特征,如圖1所示。應力“三帶”指Ⅰ(卸壓帶)、Ⅱ(應力集中帶)及Ⅲ(原巖應力帶)。而應力“四區”指代Z1(應力降低區),Z2(峰后應力升高區),Z3(峰前應力升高區),Z4(原巖應力區)[10]。

圖1 順層瓦斯抽采鉆孔應力狀態分布特征Fig.1 Stress state distribution characteristics of gas extraction boreholes along the seam

1.2 順層鉆孔封孔長度分析

巷道采掘活動打破原有的平衡狀態,引發圍巖應力重新分布,鄰近巷道的煤巖體應力降低,如圖1中的Ⅰ(卸壓帶),使得應力向深部轉移,出現應力集中即圖1中的Ⅱ(應力集中帶),“三帶”中由于應力的變化所引起的鉆孔裂隙狀態表現如下。

(1)在卸壓帶內,煤巖經歷峰值應力,應力呈現降低狀態,發生塑性變形,如圖1中Z1。鉆孔周圍產生大量宏觀裂隙且相互貫通,裂隙網絡發育充分。若鉆孔封孔段處于此帶內,在封孔長度無法完全覆蓋此區域的情況下,極易造成鉆孔漏風,從而導致瓦斯抽采效果不佳。

(2)在應力集中帶中,煤巖應力狀態包含Z2(峰后應力升高區)和Z3(峰前應力升高區)2種狀態。峰后應力升高區內,煤巖所受應力超過其極限強度,但還具有一定的殘余強度,處于塑性變形階段。鉆孔周圍產生大量微裂隙并逐漸擴展貫通。而峰前應力升高區內,煤巖所受應力未達到極限強度,并逐漸增大,處于彈性變形階段。鉆孔周圍的原生裂隙受到擠壓而閉合并伴隨少量的微裂隙產生。若鉆孔封孔長度達到此帶內,能夠覆蓋Z2,Z3,則可以很好地保證瓦斯抽采效果,但封孔的成本也會相應大幅度提高。

綜合考慮封孔成本和瓦斯抽采效果雙重因素,順層鉆孔的最佳封孔長度應達到峰后應力升高區而不超過峰值應力,才能實現抽采效果與投入成本的平衡,達到利益最大化。

1.3 順層鉆孔最佳封孔長度的確定

在Kastner公式的基礎上,考慮巖體應變軟化的變形特性,推導Z1(應力降低區)半徑Rb和Z2(峰后應力升高區)半徑Rp的求解公式[11]

(1)

Rb=tRp

(2)

式(1)、(2)中,B0,t,Kp為3個中間參數,表達式見式(3)、(4)、(5)。

(3)

(4)

(5)

由上式可知,封孔長度受巷道半徑、初始地應力、支護應力及煤體本身力學特性等因素的影響。對礦井的煤體參數進行測定,結果見表1。

表1 試驗礦井基礎參數

將礦井的基本參數代入式中,得到鉆孔峰后應力升高區半徑Rp為11.22 m?？紤]到一定的安全余量,則確定順層鉆孔的最佳封孔長度為12 m。

2 雙囊袋一體化帶壓封孔技術

2.1 雙囊袋封孔器組成及工作原理

組成:雙囊袋封孔器由注漿管、回漿管、瓦斯抽采管、囊袋、爆破閥、單向閥等幾部分組成,具體結構如圖2所示。其中,注漿管中部的爆破閥控制著封孔器的注漿順序,保證漿液先注入囊袋后流向2個囊袋之間的中部空間,從而實現一次注漿,自動封孔的一體化工藝。而囊袋中的單向閥起止流作用,保證注入囊袋的漿液無法反方向回流。

圖2 雙囊袋封孔器結構組成Fig.2 Structural composition of double-bag hole sealer

工作原理:雙囊袋封孔器的注漿管與注漿泵相聯通,囊袋中注漿管段上開有小孔。漿液因為注漿壓力迅速進入2個囊袋,使其迅速膨脹,使得囊袋外層緊固在順層鉆孔內壁,內層緊固在瓦斯抽采管外壁,從而將封孔器兩端封閉,形成中部注漿空間。當囊袋被注滿,注漿管中漿液壓力值逐漸升高,達到爆破閥爆破閾值,爆破閥開始爆破,漿液將2個囊袋的中間空間填滿,并向煤巖破裂縫隙中流動,從而實現一體化多層帶壓式密封。注入漿液完全凝固后,通過瓦斯抽采管進行順層瓦斯抽采。

2.2 封孔步驟

在實施封孔之前,根據設計封孔長度計算得出封孔所需的漿液體積V,計算公式如下

(6)

式中,l為封孔長度,m;r1為瓦斯抽采鉆孔直徑,m;r2為瓦斯抽采管直徑,m;V0為單個囊袋體積,m3;a為損耗補償系數。

檢查鉆孔,清除抽采鉆孔封孔段內的大塊煤渣,確認鉆孔符合施工要求。

將封孔器前端囊袋套在第一根封孔管上,并用喉箍固定囊袋兩端(防囊袋脫落),依次連接封孔管至最后一根,將后端囊袋套在最后一根封孔管距孔口50 cm處。同樣固定囊袋兩端,整體送入鉆孔內至最后一根封孔管距孔口15～50 cm,管路鋪設部分完成。

連接注漿泵,啟動注漿泵向孔內注漿,注漿初始階段先用小功率注入,之后可逐漸開大。觀察孔口,囊袋先過濾大量渾水,之后逐漸變清變小,注漿泵壓力表讀數逐漸增大至0.7 MPa,直至爆破閥自然爆破,壓力表讀數歸零。繼續注漿,此時開始注兩囊袋之間的區域,直至返漿管有大量漿液返出,關閉回漿管繼續帶壓注漿。當壓力表示數達到1.2 MPa,說明2個囊袋之間所封區間已注滿,立刻關閉注漿泵。

折彎注漿管扎緊,取下注漿頭,清洗注漿泵。

3 應用效果

3.1 礦井概況

以陜西黃陵二號煤礦210采煤工作面為實驗工作面,開采深度465～707 m。該工作面主采侏羅系中統延安組的2號煤層,平均厚度3.0 m,煤層傾角0°～4°,屬于近水平煤層;瓦斯壓力0.65 MPa,瓦斯含量3.02～4.54 m3/t。在煤層煤巷掘進期間采用順層鉆孔預抽的方式防治煤與瓦斯突出,其中順層預抽鉆孔采用聚氨酯封孔,未進行合理封孔的深度研究,鉆孔封孔長度6～8 m,單孔抽采瓦斯濃度4%～15%,抽采負壓23 kPa左右。鉆孔抽采濃度低、抽采量少,導致預抽鉆孔封孔效果不理想。

3.2 抽采效果

該礦采煤工作面施工順層瓦斯抽采鉆孔6個,鉆孔長度100 m,傾角1°～5°,1、2、3號鉆孔采用傳統聚氨酯封孔,4、5、6號鉆孔采用雙囊袋一體化帶壓注漿封孔,封孔長度統一設置為12 m。封孔完成后對抽采效果進行持續跟蹤監測,瓦斯抽采濃度變化如圖3所示。

圖3 順層鉆孔瓦斯平均抽采濃度Fig.3 Average extraction concentration of borehole gas along the seam

雙囊袋帶壓一體化注漿技術抽采濃度遠高于傳統聚氨酯封孔。60 d監測期內,3個雙囊袋封孔的平均抽采濃度為30.2%,而聚氨酯封孔的平均抽采濃度為14.2%,雙囊袋封孔后鉆孔瓦斯抽采濃度高出2倍之多。

雙囊袋帶壓一體化注漿技術穩定性遠好于傳統聚氨酯封孔。1、2、3號鉆孔初始抽采濃度分別為46.3%、34.9%、27.5%,3個鉆孔抽采濃度極差占平均濃度的51.9%。而4、5、6號鉆孔初始抽采濃度分別為55.7%,63.2%,49.6%,3個鉆孔抽采濃度極差只占平均濃度的10.9%。雙囊袋帶壓注漿技術的穩定性比聚氨酯高出5倍左右。

雙囊袋帶壓一體化注漿技術抽采濃度衰減速度低于傳統聚氨酯封孔。截止抽采周期30 d的數據顯示,4、5、6號鉆孔抽采濃度降為21.9%～36%,平均抽采濃度28.9%;1、2、3號鉆孔的抽采濃度降為10.2%～17.1%,平均抽采濃度13%,分別衰減為初始平均濃度的35.8%和51.5%。最后在抽采時間50d左右抽采濃度趨于穩定,雙囊袋帶壓一體化注漿抽采濃度維持在13.6%～19%,而聚氨酯封孔抽采濃度則降為3.4%～13.3%。

綜上,基于理論計算值所得封孔長度,實施雙囊袋帶壓一體化注漿技術取代傳統聚氨酯封孔,瓦斯抽采濃度提高2倍,穩定性提高5倍,最終穩定抽采濃度在15%左右,瓦斯抽采效果顯著提升。

4 結論

(1)煤巖巷道掘進完成后,地應力重新分布,順層瓦斯預抽鉆孔應力狀態呈現“三帶四區”特征,即:卸壓帶、應力集中帶、原巖應力帶;應力降低區、峰后應力升高區、峰前應力升高區、原巖應力區。

(2)根據陜西黃陵二號煤礦具體地質條件,應用巷道彈塑性軟化模型公式,計算出瓦斯抽采鉆孔應力降低區半徑和峰后應力升高區半徑,最終確定順層鉆孔的最佳封孔長度為12 m。

(3)依據理論計算出的順層鉆孔最佳封孔長度,在該礦實施雙囊袋一體化帶壓注漿封孔技術代替傳統聚氨酯封孔,瓦斯抽采濃度提高2倍,最終穩定抽采濃度維持在15%左右,抽采效果提升顯著。