高瓦斯綜放面順層鉆孔二次封孔優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

申潞杰

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平，048400）

0 引言

我國礦井的瓦斯抽采率較低，無法有效改善高瓦斯礦井安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，也大大限制了礦井生產(chǎn)能力[1]。目前，高瓦斯礦井抽采率低主要原因時(shí)抽采孔的封孔質(zhì)量差。當(dāng)前井下封孔技術(shù)主要有機(jī)械注水泥砂漿封孔、封孔器封孔、聚氨酯樹脂封孔等手段。但這些封孔手段漏氣嚴(yán)重，忽略了鉆孔四周煤體裂隙的影響，導(dǎo)致封孔質(zhì)量差，瓦斯抽采濃度降低[2,3]。本文以3211綜放面為研究對(duì)象，根據(jù)二次封孔技術(shù)的原理，研究改進(jìn)型二次封孔技術(shù)，應(yīng)用到順層鉆孔的封孔工作中，并對(duì)改進(jìn)型二次封孔技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究結(jié)果可為條件類似的礦井提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 礦井概況

伯方煤礦3211工作面位于井田西北部，北部為斷層帶，南與3209工作面相鄰，東側(cè)與二盤區(qū)回風(fēng)大巷相接。3211工作面推進(jìn)長度設(shè)計(jì)2673m，可采長度2525m，采長180m，埋深224～344m，采用一次采全高綜放開采工藝。3211工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度 4.64～5.77m，平均 5.46m；含 1～3 層夾矸，夾矸總厚 0.1～0.4m；煤層傾角 2～7°；平均 5°；煤層硬度f=1～2，層理、節(jié)理為中等發(fā)育；煤層透氣性系數(shù)為0.84m2/MPa2d，屬于低透性煤層。工作面瓦斯壓力為0.88MPa，煤層瓦斯含量為4.22m3/t。

2 礦井原封孔技術(shù)與瓦斯抽采效果

2.1 原封孔技術(shù)方案

井下瓦斯抽采管外徑50mm，長度20m，鉆孔的直徑為89mm，原采用聚氨酯封孔袋方式進(jìn)行封孔。首先用封孔袋在抽采管前段2m處進(jìn)行密封，每2個(gè)封孔袋為1組，固定在抽采管上，共7組，各組間隔300～500mm，待封孔材料充分混合后，送入鉆孔，如圖1所示。圖中L1（約為1.0m）為抽采管花管段，在抽采管前段四周打上花眼，可以在送管和抽采的過程中防止煤屑堵塞抽采管，保證抽采效果；L2（約為0.5m）為緩沖段，防止聚氨酯封孔袋膨脹堵塞花管；L3（約為8.0m）為封孔段；礦井原封孔工藝對(duì)L4段未采取任何封堵措施，只在孔口處用棉布堵住，其中L3+L4=15.0m。

圖1 礦井原封孔工藝示意

2.2 原方案下瓦斯抽采效果觀測(cè)

本次觀測(cè)選取3211綜放面回風(fēng)平巷600m處礦方采用原封孔工藝密封的10個(gè)鉆孔，均在成孔當(dāng)天進(jìn)行鉆孔密封抽采工作，主要觀測(cè)鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采混合流量和瓦斯抽采純流量觀測(cè)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 原方案下瓦斯抽采觀測(cè)效果

由圖2可知，在原封孔方案下鉆孔最高瓦斯抽采濃度為45～85%，最低瓦斯抽采濃度為1%～10%；瓦斯的抽采混合流量最高為11～28L/min，最低為6～9L/min。分析以上數(shù)據(jù)可得到礦方原封孔工藝密封的鉆孔存在以下問題：

1）鉆孔初始抽采濃度普遍不高，封孔質(zhì)量差；

2）抽采瓦斯?jié)舛鹊停邼舛葼顟B(tài)的抽采時(shí)間短，一般在23天左右時(shí)，因瓦斯抽采濃度低于觀測(cè)設(shè)置水平而停止進(jìn)行觀測(cè)。

3）瓦斯抽采濃度的衰減速度比較快。封孔當(dāng)日，瓦斯抽采濃度較高，隨后，瓦斯抽采濃度下降迅速，一般在9天后低于初始狀態(tài)的20%。

4）瓦斯抽采濃度差異較大。瓦斯抽采濃度變化無規(guī)律，存在較大異常，差異大，嚴(yán)重影響了抽采系統(tǒng)的安全性。

3 順層鉆孔改進(jìn)型二次封孔技術(shù)試驗(yàn)

3.1 改進(jìn)型二次封孔技術(shù)工藝

改進(jìn)型二次封孔技術(shù)是基于煤層鉆孔裂隙發(fā)育研究和二次封孔技術(shù)原理進(jìn)行改進(jìn)封孔的，該技術(shù)既可以保證封孔初期瓦斯抽采效果達(dá)到一個(gè)很高的水平，還可有效的對(duì)鉆孔周邊裂隙進(jìn)行封堵，延長鉆孔抽采周期，提高鉆孔抽采效果。具體工藝如下所述：

1）確定封孔深度。基于巷道松動(dòng)圈理論，封孔深度大于巷道松動(dòng)圈半徑，但小于應(yīng)力集中峰值點(diǎn)的距離。本文通過測(cè)定鉆屑量變化規(guī)律確定出巷道松動(dòng)圈大小，和應(yīng)力峰值點(diǎn)的位置，由此確定封孔深度[4，5]。

2）確定封孔材料以及用量。目前聚氨酯類發(fā)泡材料憑借著發(fā)泡倍數(shù)高、固化速度快、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[6]。改進(jìn)型二次封孔技術(shù)在一次封孔階段采用中國礦業(yè)大學(xué)與天津大學(xué)合作研制的賽瑞聚氨酯封孔材料，其與鉆孔壁的粘結(jié)性、致密性及其強(qiáng)度等均效果較好，可以通過改變材料配比調(diào)節(jié)發(fā)泡時(shí)間適用于不同長度的鉆孔密封。

3）確保鉆孔初次密封質(zhì)量。改進(jìn)型二次封孔技術(shù)中，保證鉆孔初次密封的質(zhì)量是改進(jìn)型二次封孔技術(shù)的關(guān)鍵之一。在鉆孔初次密封階段我們通常采用棉布卷料的方法進(jìn)行封孔，通常封孔長度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)略小于封孔深度的一半，但具體長度還要根據(jù)鉆孔的實(shí)際情況確定。

4）實(shí)施粉料輸送階段。鉆孔初次密封階段完成后，向鉆孔內(nèi)送入長度1.5～2.0m的粉料輸送管，粉料輸送管末端露出鉆孔0.5m方便連接粉料輸送設(shè)備，孔口用棉布蘸聚氨酯發(fā)泡材料堵住，封堵長度為0.3～0.5m。調(diào)節(jié)主風(fēng)路風(fēng)壓至0.15MPa，向鉆孔內(nèi)輸送粉料。通過粉料機(jī)上的壓力表示數(shù)或高壓膠管內(nèi)的粉料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷粉料輸送情況，然后將粉料輸送管用黃泥或者棉布封死，即完成改進(jìn)型二次封孔技術(shù)的全部操作。

3.2 試驗(yàn)地點(diǎn)與方法

本次實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，即對(duì)比改進(jìn)型二次封孔技術(shù)與礦方原封孔技術(shù)瓦斯抽采效果。試驗(yàn)地點(diǎn)同樣選擇在3211綜放面回風(fēng)平巷緊挨礦方原封孔工藝密封的鉆孔，預(yù)計(jì)施工20個(gè)試驗(yàn)鉆孔，采用改進(jìn)型二次封孔技術(shù)進(jìn)行鉆孔密封，觀測(cè)記錄鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采混合流量和瓦斯抽采純流量。當(dāng)連續(xù)2次以上瓦斯抽采濃度均小于16%時(shí)，停止觀測(cè)。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

在施工設(shè)計(jì)方面，改進(jìn)型二次封孔技術(shù)參照礦方原封孔工藝進(jìn)行，鉆孔前段的密封長度保持與礦方原封孔工藝保持一致，但是在工藝上采用棉布卷料的方法，棉布長度為6m，膨脹后封孔段長度可達(dá)8m，鉆孔密閉腔室內(nèi)預(yù)留1.5m長的粉料輸送管，孔口用棉布卷裹混合聚氨酯進(jìn)行密封。

輸送粉料顆粒階段，用井下壓風(fēng)管路連接粉料機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸送，將粉料通過風(fēng)力輸送到鉆孔密閉腔室內(nèi)。

3211工作面回風(fēng)平巷平均鉆屑量隨巷道煤體深度的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 平均鉆屑量與煤體深度之間的變化關(guān)系

由圖3可以確定，巷道松動(dòng)圈半徑約為12m，應(yīng)力集中峰值點(diǎn)為17m，因此封孔深度應(yīng)在12～17m之間。考慮到回風(fēng)平巷兩幫施工大量穿層鉆孔，周邊煤體嚴(yán)重受到施工穿層鉆孔所產(chǎn)生的破壞，因此在二次封孔技術(shù)實(shí)施的過程中，封孔深度應(yīng)大于穿層鉆孔的長度，取16m為試驗(yàn)鉆孔的最佳封孔長度。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

自鉆孔封孔接抽后開始試驗(yàn)鉆孔的瓦斯抽采效果觀測(cè)，主要觀測(cè)鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采混合流量和瓦斯抽采純流量觀測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)方案下瓦斯抽采觀測(cè)效果

由圖4可知，在改進(jìn)封孔方案下鉆孔最高瓦斯抽采濃度為95%～98%，最低瓦斯抽采濃度為11%～15%；瓦斯的抽采混合流量最高為10～26L/min，最低為 5～8L/min。

圖5為封孔技術(shù)方案改進(jìn)前后所封鉆孔瓦斯抽采效果對(duì)比圖，圖中顯示，改進(jìn)后的方案比原方案在平均單孔瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純流量和平均有效抽采時(shí)間方面分別提高了10.3%，1.3L/min和22.2d，改進(jìn)型二次封孔技術(shù)大大提高了瓦斯抽采效率，延長高濃度瓦斯抽采周期。

圖5 方案改進(jìn)前后對(duì)比

4 結(jié) 論

1）實(shí)測(cè)伯方煤礦3211綜放面原封孔工藝抽采效果并進(jìn)行分析。伯方煤礦煤層裂隙中等發(fā)育，原封孔工藝時(shí)效果較差，主要表現(xiàn)為瓦斯抽采濃度低、衰減快、差異大，抽采時(shí)間短。

2）在3211綜放面進(jìn)行改進(jìn)型二次封孔技術(shù)對(duì)比試驗(yàn)，確定封孔技術(shù)工藝參數(shù)為：封孔深度16m，一次封孔長度8m，粉料腔室長度7m。

3）改進(jìn)型二次封孔技術(shù)所封鉆孔在平均單孔瓦斯抽采濃度、抽采純流量和有效抽采時(shí)間方面分別提高了10.3%，1.3L/min和22.2d，具有良好的封孔效果。