潞寧煤業22117工作面順層鉆孔封孔質量優化

李午明

(山西潞安集團 潞寧煤業公司， 山西 忻州 036000)

1 工程概況

潞安集團潞寧煤業有限公司現階段主采侏羅系大同組上部的2#煤，2#煤層結構簡單，中部夾不連續的薄層炭質泥巖夾矸，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，煤層為Ⅱ級自燃煤層，煤塵具有爆炸性。該礦22117工作面地面標高+1 466～+1 610 m，工作面標高+1 037～+1 057 m，工作面井下位于井田二二區采區中下部，下部為二二采區22119工作面，上部為二二采區22115采空區，西北為2#煤層采區3條下山。22117工作面采用全風壓“U型”通風方式，煤層平均厚度為4.3 m，煤層傾角-4°，工作面回風順槽設計長度1 460 m(回風下山中線—切眼里幫)，運巷順槽設計長度1 498 m(開口位置中線—切眼里幫)。22117工作面原始瓦斯含量3.6 m3/t，2#煤層瓦斯最大可解析量為1.84 m3/t，工作面按日產8 000 t，預測22117工作面回采期間的瓦斯涌出量為10.2 m3/min. 22117工作面瓦斯治理方法為本煤層預抽、裂隙帶抽采及采空區埋管抽采的綜合技術，其中本煤層預抽采用順層鉆孔，該礦工作面順層瓦斯抽采鉆孔的封孔已進行聚氨酯封孔、帶壓注漿封孔等多種工藝的實踐，22117工作面順層鉆孔采用無機磷酸鹽高鋁高強泥漿材料進行封孔，封孔工藝為“兩堵一注”，但是實際應用過程中發現抽采的效果不理想。

2 22117工作面順層鉆孔抽采現狀

為了解潞寧煤礦22117工作面采用“兩堵一注”封孔工藝的封孔效果，采用重慶研究院研發的封孔質量檢測裝置進行測量[1]. 該裝置主要由封孔質量檢測儀、瓦斯參數探測管、快接三通及打氣筒組成，其測量原理見圖1，該裝置能夠記錄單個抽采鉆孔內抽采負壓、瓦斯濃度等具體參數。

22117工作面順層鉆孔抽采負壓可在8.5～23.5 kPa調節，隨著抽采負壓的增大，順層鉆孔抽采瓦斯的濃度逐漸增大，當抽采負壓為23.5 kPa時達極限，負壓繼續增大抽采濃度將急劇降低，鉆孔出現漏氣現象，抽采鉆孔失效。由此可知，造成22117工作面順層瓦斯抽采鉆孔抽采效果不理想的主要原因為封孔效果較差，造成順層鉆孔封孔質量較差的可能因素包括封孔長度、封孔材料及封孔工藝等。為提高工作面順層鉆孔瓦斯抽采的效果，針對以上因素逐一進行優化。

3 順層鉆孔封孔長度優化

井下巷硐開挖后，巷道圍巖內應力重新分布，淺部圍巖應力集中程度較高產生松動圈，松動圈內的煤巖體裂隙發育，煤層內的瓦斯通過該區域的裂隙向巷道內滲透，順層瓦斯抽采鉆孔封孔時，要求封孔深度大于巷道圍巖的松動圈[2-3]. 潞寧煤礦2#煤層煤質松軟，順層鉆孔總長度為180 m，封孔深度為10 m，鉆孔成孔后孔壁易出現坍塌現象，通過FLAC3D數值模擬軟件對其最優的封孔深度進行研究。模型按該礦2#煤層22117回風順槽的實際地質情況建立，22117回風順槽沿2#煤層頂板掘進，煤層平均厚度4.3 m，為近水平煤層，巷道斷面4.0 m×3.4 m，掘進斷面13.6 m2，模型尺寸為50.0 m×10.0 m×35.0 m. 模型采取直角坐標系，XOY為水平面，Z軸為垂直方向，取模型左下角作為模擬的坐標原點。模型邊界條件為：水平邊界采用鉸支，底部采用固支，上部為上覆巖層荷載，根據22117回風順槽對應煤層埋深取最大值350 m，巖石容重取25 kN/m3，得出垂直應力8.75 MPa，垂直應力施加在模型上部邊界。

圖1 封孔質量檢測裝置工作原理示意圖

該次模擬主要分析巷道圍巖應力分布、塑性區范圍以確定合理封孔深度，模擬結果見圖2. 22117回風順槽掘進過程中，巷道圍巖應力原始平衡狀態被破壞，圍巖發生位移變形，應力重新分布，最大主應力在巷道兩幫、頂板、底板都出現了明顯的卸壓區域。最大主應力及塑性變形云圖見圖2. 從圖2可以看出，22117回風順槽掘進后，巷道兩幫塑性區域為0～11 m，頂、底板塑性區域為0～8 m.

通過上述分析可知，22117回風順槽掘進后，煤壁幫松動裂隙發育8～11 m，22117工作面原有封孔段設計長度未超過塑性區的發育深度，因此設計順層瓦斯抽采鉆孔的封孔深度增大為12 m.

圖2 22117回風順槽開挖數值計算云圖

4 速效布袋密封工藝設計

22117工作面順層瓦斯抽采鉆孔的封孔材料為無機磷酸鹽高鋁高強泥漿材料，現場應用效果表明，該材料凝固后收縮性較強，易產生明顯的收縮裂縫，對鉆孔周邊裂隙的擠壓封堵能力不足，導致瓦斯泄漏量較多，需選用具有適當膨脹性的新型封孔材料。新型封孔材料以普通硅酸鹽水泥為基料[4]，通過實驗室研究確定添加劑鋁粉的質量比0.56%，石膏質量比2%，總的水灰比為3∶5. 22117工作面順層鉆孔封孔工藝為“兩堵一注”，為提高封孔效率和質量，在原有封孔工藝基礎上進行改進，提出速效布袋封孔工藝。速效布袋密封工藝主要由封孔布袋、注漿管、出漿管及爆破閥組成，順層鉆孔施工完畢后，首先安裝一根可與瓦斯抽采管對接的封孔管，封孔管的長度約為12 m，封孔管兩端分別安裝一個布袋，布袋與注漿管聯結的端口為預先縫制的注漿管口、抽采管口、出漿管口，之后采用鋼制卡箍將注漿管、封孔管和抽采管聯結為一個整體，通過瓦斯抽采管將整個封孔裝置推送至適當位置，速效布袋密封原理圖見圖3. 注漿泵首先將新型注漿液注入封孔管兩端的布袋內，兩個布袋充滿后，漿液壓力達到一定值爆破閥開啟，漿液注入到封孔管中間的區域，由于兩端布袋的封閉作用，中部的漿液壓力持續增大，逐漸向鉆孔周圍的裂隙中滲透，并起到對煤巖體內裂隙擠壓封閉的作用。

5 現場工業性試驗及效果分析

試驗位置為22117回風順槽的順層抽采鉆孔，鉆孔d30 mm，長度為180 m，開孔位置距離底板1.3 m，共10個鉆孔，對鉆孔進行編號，其中1#、3#、5#、7#、9#鉆孔采用新型封孔工藝，封孔長度為12 m，注漿壓力為0.8 MPa，其余鉆孔采用原有的封孔工藝，鉆孔布置見圖4. 為考察鉆孔的封孔效果，對各個鉆孔的抽采濃度進行監測，結果見圖5. 由圖5可知，原封孔工藝條件下，鉆孔抽采瓦斯濃度隨抽采時間的增大快速降低，抽采10天后，瓦斯濃度普遍降到30%以下，之后抽采瓦斯濃度均小于20%，封孔效果較差；采用速效布袋密封鉆孔后，瓦斯抽采濃度下降趨勢比較平穩，前一個月內瓦斯濃度均大于30%，抽采一個月后，瓦斯抽采濃度仍在25%以上，封孔效果較好。

圖3 速效布袋密封原理圖

圖4 鉆孔布置圖

圖5 新型封孔材料及工藝和原封孔工藝瓦斯抽采濃度對比圖

6 結 論

潞寧煤礦22117工作面順層瓦斯抽采鉆孔瓦斯濃度監測結果表明，導致順層鉆孔瓦斯抽采效果不理想的原因為封孔效果較差。通過數值模擬及現場調研得知，順層鉆孔封孔效果較差的主要原因為封孔長度、封孔材料及封孔工藝不合理，提出合理的封孔長度為12 m，確定出新型封孔材料的配比，并在原有“兩堵一注”封孔工藝的基礎上提出速效布袋封孔技術。22117回風順槽現場應用試驗表明，采用速效布袋密封技術的密封性明顯優于原有封孔工藝，該工藝能夠應用于潞寧煤礦2#煤層工作面順層瓦斯抽采鉆孔的封堵。