穿層瓦斯抽采鉆孔通管直連新型封孔工藝研究

任培良，王 迪，郭香印 ，潘少杰

（1.義馬煤業（集團）孟津煤礦有限責任公司，河南 洛陽 471142；2.河南省煤層氣開發利用有限公司，河南 鄭州 450000）

利用底（頂）板巖巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯的區域防突措施已經成為煤與瓦斯突出礦井井下除開采保護層外區域防突的最基本措施。因此，穿層鉆孔封孔質量與鉆孔預抽煤層瓦斯效果直接相關，并影響著采掘接替。開展穿層鉆孔封孔工藝改進研究對煤礦區域防突有重要意義。陳勇[1]研究表明：注漿封孔工藝相對聚氨酯封孔工藝，抽采鉆孔能更有效的抽采煤層瓦斯、縮短消突和抽采達標的時間。黃鑫業、王振鋒等[2-3]研究表明帶壓注漿實現封堵瓦斯泄漏微孔、裂隙通道，從而達到提高瓦斯抽放效果的目的。孟津煤礦使用注漿帶壓封孔工藝，但抽采效率仍然滿足不了采掘接替計劃。為此，在分析原有封孔工藝的基礎上，經反復試驗，提出通管直連帶壓封孔的封孔工藝。

1 原有封孔工藝

原有穿層鉆孔封孔采用“兩堵一注”封孔器和拼接式連管工藝，即鉆孔成孔后，向孔內送入φ50 mm×2 000 mm 封孔管（絲扣或插接式連接），采用“兩堵一注”封孔器封孔，孔口利用φ50 mm 彎頭與彈簧管連接匯集到φ108 mm 匯總管。統計原封孔工藝抽采數據，鉆孔始抽濃度在6.4%～90%之間，平均41.4%，濃度大于60%的鉆孔占28%，抽采10 d 后濃度衰減至2%～25%；巷道內抽采干管濃度2.2%～5%；地面抽采泵站濃度1%～2.5%。鉆孔濃度低，衰減快。為此通過地面試驗模擬和井下測定數據來分析抽采濃度低和衰減快的原因。

1.1 地面試驗模擬

試驗分別采用φ100 mm 塑膠透明管（3 m）、φ100 mm 透明軟管（3 m）、φ100 mm 鋼管（3 m）6 根共進行 9 次模擬鉆孔注漿封孔試驗，目的確定封孔器的參數及注漿壓力。兩堵一注”封孔器試驗數據統計見表1。對試驗結果進行分析，“兩堵一注”封孔器的爆破閥和注漿壓力不穩定，并且與囊袋長度有關聯，囊袋越長，注漿壓力越高，1 m 長度的囊袋能保證注漿壓力的相對穩定，注漿壓力2.5 MPa。另外，有封孔管被壓裂的現象和向封孔管內打壓風試驗，發現封孔管連接處有漏氣現象。

表1 “兩堵一注”封孔器試驗數據統計Table 1 Statistics on test data of sealing devices

試驗漿液水灰比分別 0.7∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2。試驗發現水的比例越少，最終強度越高。同時考慮的注漿泵的輸送能力，最終確定1∶2 的水灰配比，強度能較好的滿足要求。

1.2 井下連管漏氣測定

在12070 軌道底抽巷測試了7 個鉆孔，測定孔口向匯集管連接段不同部位的抽采濃度并進行對比，測定順序為：匯集管處測量口、彈簧管中部和孔口，12070 軌道底抽巷鉆孔連接管不同部位測定抽采濃度統計見表2。

表2 12070 軌道底抽巷鉆孔連接管不同部位測定抽采濃度統計Table 2 Statistics on extraction concentration in different parts of drilling step-pipe at the Bottom of Track 12070

由表2 測定數據分析可知，孔口→彈簧管中部→測量口的抽采濃度成衰減趨勢；連接點密封良好的情況下，測點濃度差別不大；因此減少連接節點避免漏氣，能有效提高抽采濃度。

綜合井上下試驗，分析抽采濃度低、衰減快的因素主要有2 個方面：①孔內因素：封孔段長度及其位置不合理，注漿量不足，封孔管存在壓裂現象，封孔管連接處不緊密，存在漏氣現象；②孔外因素：連抽管路接點較多（孔口至φ108 mm 匯總管存在5 個接點），漏氣環節較多；管路巡護不到位，對管路漏氣、積水等問題未及時處理。

2 通管直連帶壓封孔原理

周厚權等[4]結合巷道圍巖應力“三帶”分布理論，指出瓦斯抽采鉆孔主要存在封孔器或封孔材料與抽采管的間隙、封孔器或封孔材料與鉆孔孔壁的間隙和鉆孔周圍煤體存在的復合裂隙共3 種類型的漏氣點。其中大多數研究者認為[3,5-6]，鉆孔封孔段長度應超過巷道的塑性區。因此，鉆孔的封孔不僅要有效封堵巷道裂隙帶，還要封堵鉆孔裂隙帶。

圖1 通管直連封孔工藝示意圖Fig.1 Diagram of the technology of the single tube connection

通管直連帶壓封孔原理是利用整體式單一PE管替代原有插接式PVC 實管，通過改進的囊袋式“兩堵兩注”封孔器進行封孔。通過減少連管的漏氣環節、合理設置封孔段位置及長度、特定注漿壓力，提高抽采濃度、延長有效抽采期的目的。具體工藝：鉆孔成孔后，掃孔，鉆孔煤段采用φ40 mm 篩管，篩管與φ40 mm 通管通過直連接頭連接，采用“兩堵兩注”封孔器注漿封堵，PE 管利用直連接頭（φ40～φ50 mm）直接與φ108 mm 匯總管連接。通管直連封孔工藝示意圖如圖1。

通管直連封孔工藝與原有封孔工藝用的封孔器主要區別：①取消封孔器不穩定爆破壓力的爆破閥，增加了過濾網；②將封孔器前后一體式囊袋改為分體式，囊袋長1 m，注漿管采用快接連接；③封孔管由拼接式改為通體式，減少漏氣節點。

新型“兩堵兩注”封孔器，通過注漿管先將前后囊袋漲起封堵兩端，再利用中間段注漿管封堵前后囊袋之間段，通過濾網過濾出注漿液中多余的水分，達到確保注漿量的目的，穩壓2 min。

由于封孔器過濾網的作用，鉆孔內的注漿量得到保證，在水泥凝固膨脹期間，由于膨脹壓力將模擬鉆孔的塑膠管脹破。

3 封孔參數確定

3.1 注漿壓力的確定

合理的注漿壓力是為了有效封堵鉆孔成孔時產生的孔壁裂隙。王振鋒，周英等[3]提出主動支護式注漿封孔原理，認為支護壓力達到1.6 MPa 時，鉆孔漏氣量基本為0。何書建等[7]研究采用聚氨酯泡沫-壓力黏液封孔測定煤層瓦斯壓力時，認為保證黏液壓力始終高于瓦斯壓力 0.3～0.5 MPa。楊宏民等[8]研究認為封孔漿液在細砂巖、砂質泥巖和泥巖中滲透的注漿壓力臨界值分別為4、3、2 MPa，超過臨界值漿液擴散半徑隨注漿壓力增加的趨勢不明顯。

綜合以上專家的研究成果，經過井上下試驗，確定了孟津煤礦穿層孔的注漿壓力為2.5 MPa。

3.2 封孔段長度的確定

通管直連帶壓封孔工藝，由于其封孔段為單根實管，且用囊袋式“兩堵兩注”封孔器，這就使得封孔段的位置及長度可以根據需要確定，方便有效。

根據礦壓“三帶”分布理論[9-10]，沿鉆孔軸向方向應力狀態可以分為應力降低區、應力增高區、原巖應力區。應力降低區巷道圍巖松動，裂隙發育。通常認為鉆孔從孔口向里端的始封深度應超過應力降低區。這種確定始封深度的方法忽略了塑性區的剪脹擴容裂隙以及打鉆過程二次擾動下產生的次生裂隙影響[11]，通常依據該方法取得的封孔深度一般偏小。另外，巷道成型后，應力降低區沿巷道走向的分布不是均勻的。基于以上分析，通管直連封孔段位置選擇在從鉆孔里端（見煤點）向孔口的方向，這就可以保證封孔段位于原巖應力區和應力增高區。

4 抽采效果考察

試驗在孟津煤礦12070 工作面中部底抽巷進行，巷道 4.5 m（寬）×3.4 m（高）。主采煤層為二1煤，傾角 3°～7°，平均厚度 3.02 m，煤層瓦斯含量 7.41～10.68 m3/t，煤層瓦斯壓力 0.1～1.35 MPa。煤層底板主要為泥巖和砂質泥巖，少量為粉砂巖或細砂巖，厚度 1.6～11.95 m，一般 2.5～6.00 m 之間，基本底為泥巖夾細砂巖。每組鉆孔15 個，開孔間距2 m，終孔間距 6 m，鉆孔布置示意圖如圖2。在12070 中部底抽巷內286 m 鉆場采用的傳統拼接連管，316 m 和322 m 2 個鉆場分別采用的硬質通管直連和軟質通管直連。

圖2 鉆孔布置示意圖Fig.2 Diagram of drilling arrangement

采用通管直連的封孔工藝和傳統拼接連管的封孔工藝分別封孔1 個鉆場，各15 個鉆孔，并對鉆場的抽采瓦斯進行了30 d 的測量，不同連管封孔工藝抽采效果對比如圖3。

圖3 不同連管封孔工藝抽采效果對比Fig.3 Comparison of extraction data of different sealing techniques

通管直連鉆孔初始抽濃度較高，達87%以上；傳統封孔連管鉆孔平均始抽濃度為41.4%，通管直連鉆孔平均始抽濃度為傳統封孔連管鉆孔的2 倍以上。并且衰減期延長。

5 結 論

1）采用通管直連封孔技術不僅解決了原有封孔工藝中連接點過多、漏氣點多、不宜管理的問題。且封孔成功率高，提高了鉆孔利用率。

2）封孔段位置選擇從見煤點向孔口方向封孔，避免了始封深度的不確定性，可以推行標準化的封孔長度。

3）確定了孟津煤礦封孔注漿壓力2.5 MPa，為推行標準化流程化封孔提供了重要依據。

4）通過通管直連封孔工藝與原有封孔工藝的對比試驗，在30 d 的封孔效果考察期內，試驗鉆孔在同一抽采時期的平均抽采瓦斯濃度提高到原封孔工藝的2 倍以上。