“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝在上社煤礦的試驗(yàn)應(yīng)用

王敏

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽泉有限公司，山西 陽泉 045000）

瓦斯抽采是防治礦井瓦斯災(zāi)害事故的最根本措施，對(duì)煤礦安全、環(huán)境保護(hù)和資源利用具有重要意義[1]。其中抽采鉆孔封孔工藝是瓦斯抽采作業(yè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，封孔質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響瓦斯抽采效果[2]，不僅決定著煤層瓦斯含量與涌出量的大小，而且與抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間密切相關(guān)，是保障煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的重要條件。上社煤礦引進(jìn)重慶煤科院的“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝[3-7]，并取得了良好的封孔效果。

1 礦井基本概況

陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司井田位于陽泉市盂縣南婁鎮(zhèn)北上社村南，縣城西南12 km，地處沁水煤田北部，行政區(qū)劃大部屬南婁鎮(zhèn)管轄，西南小部分跨入壽陽縣溫家莊鄉(xiāng)和靈芝鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯37°58′44″～38°00′45″，東經(jīng)113°16′57″～113°21°09″。礦井井田位置位于沁水煤田北部邊界，井田面積12.376 8 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬t/a，核定生產(chǎn)能力210萬t/a。礦井通風(fēng)方式為中央分列式，礦井通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。地面建設(shè)有兩座瓦斯抽放泵站，共安裝2BEC80型水環(huán)真空泵6臺(tái)。礦井9、15號(hào)煤層采用以本煤層預(yù)抽、鄰近層卸壓瓦斯抽采，邊采邊抽、邊掘邊抽和采空區(qū)抽采相結(jié)合的綜合抽采方法。

2 礦井瓦斯抽采現(xiàn)狀及主要問題

上社煤礦目前采用聚氨酯材料結(jié)合棉紗袋進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔封孔。該封孔工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，具體封孔工藝如圖1所示。

圖1 聚氨酯封孔示意Fig.1 Polyurethane sealing hole

上社煤礦地面泵站抽采管路中瓦斯?jié)舛葍H為7%左右，預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采效果不理想，嚴(yán)重阻礙了煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展。分析其主要原因在于預(yù)抽鉆孔抽采濃度偏低，且衰減過快，封孔效果較差，典型的濃度衰減曲線如圖2所示。

圖2為15308進(jìn)風(fēng)順槽10號(hào)鉆場(chǎng)11號(hào)鉆孔的濃度變化曲線，從圖中可以看出，該鉆孔在剛連接預(yù)抽時(shí)，瓦斯抽采濃度高達(dá)75%，隨著接抽時(shí)間的增加，瓦斯?jié)舛燃眲∠陆担陬A(yù)抽7 d內(nèi)，瓦斯?jié)舛葟?5%衰減到37%，衰減高達(dá)50%。

圖2 鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況Fig.2 Variation of gas extraction concentration in borehole

3 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)條件

通過對(duì)上社煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，并根據(jù)生產(chǎn)布置安排情況，決定在15308進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔提濃試驗(yàn)。15308進(jìn)風(fēng)順槽本煤層鉆孔間距3 m，孔徑113 mm，孔深110 m，傾角-2°。為了使試驗(yàn)鉆孔具有代表性，本次試驗(yàn)區(qū)域試驗(yàn)鉆孔數(shù)量為12個(gè)，均為本煤層預(yù)抽鉆孔（回采工作面預(yù)抽鉆孔）；鉆孔成孔深度將直接影響抽采的瓦斯量和瓦斯?jié)舛龋敬卧囼?yàn)鉆孔長(zhǎng)度（煤孔長(zhǎng)度）不小于110 m，鉆孔間距為4 m；為確保封孔質(zhì)量，需要現(xiàn)場(chǎng)封孔人員嚴(yán)格在重慶院項(xiàng)目組技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下進(jìn)行封孔，以確保封孔質(zhì)量，保證封孔效果；為了考察試驗(yàn)鉆孔抽采效果，需對(duì)每個(gè)抽采鉆孔抽采濃度進(jìn)行定期計(jì)量。

4 封孔材料工藝性試驗(yàn)

4.1 “兩堵一注”封孔工藝

將HD-Ⅰ型封孔材料漿體帶壓注入鉆孔周圍裂隙中，對(duì)鉆孔周圍煤巖體施加主動(dòng)支護(hù)，待材料有效滲入到煤體裂隙中，膨脹硬化反應(yīng)后完成封孔，其封孔原理示如圖3所示。

圖3 HD-Ⅰ封孔材料封孔原理示意Fig.3 HD-Ⅰsealing principle of sealing material

具體實(shí)施步驟如下。

（1）成孔。根據(jù)設(shè)計(jì)要求施工瓦斯抽采鉆孔并洗孔。

（2）固定管路。將返漿管和注漿管固定在抽采管上既定位置，如圖4所示。

圖4 固定管路示意Fig.4 Fixed piping

（3）聚氨酯封孔。封孔段的兩端用高分子材料組建阻擋裝置，如圖5所示。

圖5 聚氨酯封孔示意Fig.5 Polyurethane sealing hole

（4）注漿封孔。利用封孔裝置將材料與水混合漿體注滿鉆孔封孔段，如圖6所示。

圖6 注漿封孔示意Fig.6 Grouting sealing hole

（5）清洗注漿泵。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)

針對(duì)上社煤礦封孔效果不佳，瓦斯?jié)舛人p較快的問題，重慶研究院有限公司技術(shù)人員于2020年7月22日開始在上社煤礦15308進(jìn)風(fēng)順槽開展了恒達(dá)HD-Ⅰ封孔材料和聚氨酯材料（目前封孔材料）封孔對(duì)比試驗(yàn)，恒達(dá)封孔材料采用“兩堵一注”封孔工藝。封孔12個(gè)，其中恒達(dá)HD-Ⅰ封孔材料封孔8個(gè)，本礦聚氨酯材料封孔做對(duì)比4個(gè)，具體參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)鉆孔參數(shù)Table 1 Experimental drilling parameters

5 封孔實(shí)驗(yàn)分析

自7月23日起，共完成注漿試驗(yàn)鉆孔12個(gè)，同時(shí)采用聚氨酯對(duì)比封鉆4個(gè)，根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，抽采濃度情況見表2。

表2 瓦斯抽采濃度對(duì)比情況Table 2 Comparison of gas extraction concentration

根據(jù)不同封孔深度和不同封孔方式的抽放效果，進(jìn)行分析如圖7、圖8。

圖7 封孔深度為8 m時(shí)的鉆孔抽采濃度Fig.7 Drilling extraction concentration at a hole sealing depth of 8 m

圖8 封孔深度為1 6 m時(shí)的鉆孔抽采濃度Fig.8 Drilling extraction concentration at a hole sealing depth of 16 m

根據(jù)實(shí)際對(duì)實(shí)驗(yàn)鉆孔和對(duì)比鉆孔進(jìn)行瓦斯?jié)舛群统榉帕髁繙y(cè)定，進(jìn)行分析結(jié)果見表3。

表3 不同封孔方式下的鉆孔抽采流量Table 3 Drilling extraction flow rate under different hole sealing methods

通過實(shí)際鉆孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，任何封孔條件下，恒達(dá)HD-Ⅰ封孔材料封孔效果均明顯優(yōu)于該礦原有封孔效果，具體分析如下。

（1）當(dāng)封孔深度為16 m時(shí)，恒達(dá)HD-Ⅰ封孔材料封孔初始封孔濃度均在80%以上，隨著接抽時(shí)間的增加，該類封孔效果并無任何衰減現(xiàn)象（目前最長(zhǎng)預(yù)抽時(shí)間為20 d，初始預(yù)抽濃度為85%，目前預(yù)抽濃度為97%），然而，16 m聚氨酯封孔效果在預(yù)抽7 d內(nèi)，瓦斯?jié)舛葟?5%衰減到37%，衰減高達(dá)50%。

（2）當(dāng)封孔深度為8 m時(shí)，恒達(dá)HD-Ⅰ封孔平均濃度為44.25%，聚氨酯封孔平均濃度為11.82%。恒達(dá)HD-Ⅰ封孔和聚氨酯封孔的初始濃度明顯低于16 m時(shí)的初始濃度，均表現(xiàn)出不同程度的衰減，但聚氨酯封孔衰減明顯要大于恒達(dá)HD-Ⅰ封孔材料。該現(xiàn)象表明，目前礦封孔深度8 m明顯不夠，未能封過松動(dòng)圈。

（3）32號(hào)鉆孔采用恒達(dá)HD-Ⅰ封孔材料，封孔深度12 m確出現(xiàn)了衰減，主要原因在于，該區(qū)域煤層埋深呈現(xiàn)明顯的變化，存在構(gòu)造，技術(shù)人員在注漿4袋封孔材料未能實(shí)現(xiàn)返漿，正常鉆孔2袋返漿，因此漿體填充度未能充分保證，導(dǎo)致出現(xiàn)濃度衰減。

6 結(jié) 語

（1）與傳統(tǒng)的聚氨酯封孔技術(shù)相比，兩堵一注帶壓注漿封孔工藝提高了本煤層鉆孔的抽采濃度和抽采純量，保證了瓦斯抽采系統(tǒng)的持久性。

（2）上社煤礦瓦斯抽采效果不理想，主要是因?yàn)楝F(xiàn)有的麻袋片包裹聚氨酯的封孔方式無法滿足礦井安全生產(chǎn)和瓦斯抽采利用的需求，兩堵一注帶壓注漿封孔工藝提高了礦井瓦斯抽采效果，滿足礦井安全高效生產(chǎn)需要。