定點定長度新型封孔工藝及工業(yè)性試驗研究＊

王圣程 周福寶 劉應(yīng)科

（中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本性措施。煤層瓦斯抽采在地下煤層組開采或煤層氣抽采工程中，由于采動或抽采引起瓦斯在煤巖中的運移，同時引起煤巖體的固體骨架所承受的有效應(yīng)力變化，導(dǎo)致抽采鉆孔周圍煤層孔隙壓力變化，結(jié)果產(chǎn)生導(dǎo)氣的微裂隙或裂紋網(wǎng)絡(luò)，外界空氣在抽采負壓的作用下易從這些裂隙通道進入抽采鉆孔內(nèi)，從而導(dǎo)致瓦斯抽采濃度下降，縮短了抽采鉆孔的有效抽采壽命，降低了鉆孔的利用率。據(jù)統(tǒng)計，我國約有65%的回采工作面順層鉆孔的預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%。

當(dāng)前國內(nèi)外采用的封孔技術(shù)主要有黃泥（水泥團）封孔、機械注水泥砂漿封孔、發(fā)泡聚合材料封孔、封孔器封孔、“聚氨酯＋水泥漿”封孔等。總體上來看，這些封孔工藝都存在一個特點：鉆孔密封后，巷道形成裂隙圈的深度超過了封孔的深度，裂隙圈內(nèi)裂隙將會與抽采鉆孔溝通，構(gòu)成了鉆孔短路風(fēng)流的通道，這些通道影響了抽采鉆孔的氣密性，導(dǎo)致抽采濃度下降，鉆孔的瓦斯抽采率和抽采量不能滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求；還有一個普遍現(xiàn)象：封孔深度和封孔長度相同，浪費封孔材料。

針對上述問題，結(jié)合山腳樹礦實際情況，提出了定點定長密封鉆孔的新工藝，取得了顯著效果。

1 礦井及工作面概況

山腳樹煤礦是貴州盤江精煤股份有限公司現(xiàn)有的6對生產(chǎn)礦井之一。礦區(qū)走向長5.3k m，傾斜寬3.5k m，井田面積18.3k m2，生產(chǎn)能力180萬t／a。本礦采用斜井分水平分區(qū)式開拓，走向長壁后退式采煤，全部垮落式頂板管理，由上而下的開采方法，礦井通風(fēng)采用機械抽出式通風(fēng)。礦區(qū)煤層瓦斯含量高，屬煤與瓦斯突出礦井。

實施封孔試驗的22185工作面位于山腳樹礦18＃煤層。該煤層距17＃煤層平均距離為14m，煤層厚度平均3m，傾角8°，煤層穩(wěn)定。18＃煤層煤體密度1.39t／m3，絕對瓦斯壓力為0.82MP a，透氣性系數(shù)為0.17805m2／（MP a2·d），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1422d－1，堅固性系數(shù)為0.78，瓦斯放散初速度Δ p為600P a，瓦斯含量平均為7.263m3／t。

2 新型封孔工藝技術(shù)原理

2.1 鉆孔裂隙場的形成

抽采鉆孔周圍裂隙場的產(chǎn)生主要分兩個階段：第一階段是采煤工作面形成過程中產(chǎn)生的巷道松動圈裂隙；第二階段是鉆孔形成過程中產(chǎn)生的裂隙。

圖1 鉆孔周圍裂隙帶分布

第一階段是在采煤工作面形成過程中巷幫由外到里存在巷道寬3～5倍的松動圈。松動圈內(nèi)原始煤體節(jié)理構(gòu)造被破壞，受到的拉力和剪切應(yīng)力增加，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，由于非連續(xù)性小裂紋、煤體內(nèi)孔隙、大型非連續(xù)地質(zhì)界面、小型非連續(xù)結(jié)構(gòu)面等的存在，這種脆性破壞更為嚴重。由于受到這種脆性破壞，原始存在于煤體中的小裂紋將沿著與最大拉應(yīng)力呈直角的方向擴展、起裂，繼而發(fā)育，彼此導(dǎo)通。

第二階段是鉆孔形成過程中，鉆頭的機械鉆進破壞了煤體的完整性，不管是使用水力還是風(fēng)力排渣，都會對孔壁周邊煤體造成破裂損傷從而產(chǎn)生裂隙。鉆孔成型以后，受到鉆孔松動影響，煤體原有應(yīng)力場平衡被破壞，鉆孔周邊煤體產(chǎn)生新的損傷和破壞，鉆孔徑向一定范圍內(nèi)也形成卸壓松動圈。鉆孔周圍的裂隙帶見圖1。

2.2 封孔深度的確定

鉆孔周圍存在像巷道松動圈一樣的裂隙帶，它周圍的漏風(fēng)不可避免。在封孔過程中，只能使封孔深度達到巷道裂隙帶以外的地方，避開巷道裂隙帶對封孔效果的影響。

沿煤層掘進巷道后，巷道周圍煤體由外向里依次形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶（簡稱為巷道“三帶”）。巷道裂隙帶所處的位置是卸壓帶，煤體應(yīng)力的變化會造成不同深度煤體的鉆屑量變化，因此采用向巷幫打鉆的方法，測定不同深度煤體的煤屑量S值，可以初步確定巷道卸壓帶所處的深度，從而確定鉆孔封孔深度。

在22185運輸巷每隔10m選擇5個地點，每個地點用煤電鉆向兩幫施工1個? 42mm順煤層鉆孔，單孔長度為10m；鉆孔施工過程中，每鉆進1m，用彈簧秤測定一次鉆屑量S值，每個鉆孔的鉆屑量S隨深度變化如圖2所示。

圖2 各鉆孔鉆屑量隨深度變化圖

由圖2可以看出，鉆屑量S在1～8m有逐漸增加的整體趨勢，而鉆屑量S取最大值所處的區(qū)域為7m≤X≤8m，反映出巷道卸壓帶在巷道向內(nèi)8m范圍內(nèi)，為了提高封孔的效果，防止抽采漏氣，結(jié)合山腳樹礦煤層構(gòu)造裂隙發(fā)育的特點，確定封孔深度為8m。

2.3 封孔段長度的確定

封孔長度是瓦斯抽采鉆孔密封的一個重要參數(shù)。在確定抽采鉆孔封孔長度時，應(yīng)堅持“保證不吸入空氣，又使封孔長度盡量縮短”的原則。經(jīng)過查閱大量資料和現(xiàn)場實踐，封孔長度確定為3m。封孔段長度的確定，在保證封孔效果的同時，減少封孔材料的使用量，節(jié)約成本。圖3為封孔深度確定為8m和封孔段長度確定為3m后的封孔示意圖。

圖3 封孔示意圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

山腳樹煤礦封孔工藝以前采用的是卷纏聚氨酯藥液法，封孔深度和長度都是5m，由于封孔深度處在巷道裂隙圈范圍內(nèi)，經(jīng)過15～20d的抽采，瓦斯抽采濃度由初期的30%～70%降低到10%～30%，鉆孔有效抽采期偏短，嚴重影響了民用瓦斯的供應(yīng)，給礦區(qū)附近居民生產(chǎn)生活用氣帶來不便；同時，大量的瓦斯不能被抽出，在采掘過程中易出現(xiàn)瓦斯超限的現(xiàn)象，給礦井的安全、高效生產(chǎn)帶來隱患。

3.1 設(shè)計方案

在22185工作面實施鉆孔20個，其中新型封孔工藝試驗組10個，對照組原封孔方法封孔10個。封孔時間同步，濃度觀測同步。鉆孔參數(shù)設(shè)計見表1。

3.2 封孔效果分析

在封孔后一個月時間內(nèi)，采用高濃度瓦斯測定儀對每個鉆孔瓦斯?jié)舛冗M行測定，利用壓差法對每個鉆孔的混合流量進行計算，得出試驗組和對照組平均抽采濃度和單孔平均瓦斯抽采量對比，瓦斯抽采參數(shù)及對比結(jié)果見表2。

表1 鉆孔參數(shù)設(shè)計表

表2 瓦斯抽采參數(shù)表

分析表2得出：定點定長度新型封孔工藝比原封孔方法平均瓦斯抽采濃度提高了17.2%，單孔平均多抽采瓦斯911.9m3，煤層瓦斯抽采率增加18.2%；這表明新型封孔工藝有效避開了巷道裂隙圈，鉆孔的漏風(fēng)量減少，提高了瓦斯抽采效果。

采用新的封孔工藝，在不增加勞動量的情況下實現(xiàn)了定點定長度封孔，封孔成本降低了40%。

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