王坡礦順層瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)研究與應(yīng)用

宋 軍

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

對(duì)于綜采放頂煤工作面，由于開(kāi)采強(qiáng)度大、采空區(qū)遺煤多，回采過(guò)程中大量的瓦斯涌出，極易出現(xiàn)瓦斯超限甚至爆炸等安全事故。王坡煤礦近年來(lái)開(kāi)采深度達(dá)到780 m，瓦斯涌出量明顯增加，需對(duì)當(dāng)前的瓦斯抽采方式進(jìn)行改革創(chuàng)新，形成一種高效的綜放工作面瓦斯治理方式，保證工作面的安全回采。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西天地王坡煤業(yè)有限公司主采煤層為3號(hào)煤，煤層平均厚度5.3 m。根據(jù)煤層瓦斯含量及成分測(cè)定結(jié)果，3號(hào)煤的瓦斯含量為13.1 mL/g，瓦斯相對(duì)涌出量為19.36 m3/t，屬于高瓦斯礦井。3316工作面位于三采區(qū)，傾斜長(zhǎng)度180 m，走向長(zhǎng)度2060 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法處理頂板。工作面回采之前采用順層鉆孔預(yù)抽瓦斯。鉆孔與巷道夾角為80°～90°，與水平面的夾角為2°～-3°，鉆孔直徑為115 mm，孔間距為2.5 m，距底板高度為1.5 m。在掘進(jìn)工作面后方100 m左右施工順層抽采鉆孔，連入瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，直至工作面回采至鉆孔附近停止抽采。鉆孔布置如圖1。

圖1 鉆孔布置圖

1.2 現(xiàn)有封孔工藝

王坡煤礦目前采用的封孔材料是安爾特，封孔工藝為兩堵一注，即兩端用安爾特高效封孔袋進(jìn)行密閉，在密閉段中間注入安爾特高效膨脹劑。在現(xiàn)有封孔工藝下，選取20個(gè)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采濃度的測(cè)試，其結(jié)果如圖2。

圖2 瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化曲線

由圖2可以看出，現(xiàn)有的封孔材料和封孔工藝下瓦斯?jié)舛扔休^大幅度的下降。初期抽采濃度為50%，而110 d后濃度下降至30%，抽采效果并不理想。

分析原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）煤層含水量大

3號(hào)煤層含水量相對(duì)較大，瓦斯抽采鉆孔內(nèi)有積水，排水不及時(shí)對(duì)封孔材料產(chǎn)生影響，長(zhǎng)時(shí)間浸泡造成密閉效果差。

（2）煤質(zhì)松軟

3號(hào)煤的單軸抗壓強(qiáng)度為7.8 MPa，煤質(zhì)松軟，成孔后孔壁周邊的裂隙發(fā)育，形成漏氣通道，影響瓦斯抽采濃度。

（3）封孔材料不適用

安爾特封孔劑不能完全適應(yīng)王坡煤礦的地質(zhì)條件，水灰比及注漿壓力的選擇不合理，造成封孔效果差。

（4）封孔不及時(shí)

由于煤質(zhì)松軟，成孔后極易塌孔，而抽采隊(duì)很多班次封孔不及時(shí)，造成孔壁失穩(wěn)，下管時(shí)沒(méi)有進(jìn)行擴(kuò)孔，注漿長(zhǎng)度低于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

2 封孔深度確定

2.1 鉆屑量分析

在3316運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過(guò)程中，設(shè)置兩個(gè)測(cè)站，分別距軌道大巷260 m和330 m，每個(gè)測(cè)站施工兩個(gè)鉆孔，鉆孔深度12 m，進(jìn)行鉆屑量S測(cè)試[1-4]。為保證精確度，要求滯后巷道迎頭的距離不得超過(guò)10 m。采用Φ55 mm煤電鉆向回采幫打鉆，角度為向上傾斜5°～6°，對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的每米鉆屑量進(jìn)行稱重。兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的單位進(jìn)尺每米鉆屑量變化趨勢(shì)基本相同，其中1號(hào)測(cè)站兩個(gè)測(cè)孔的測(cè)試結(jié)果如圖3。

圖3 1號(hào)測(cè)站測(cè)試結(jié)果

1號(hào)測(cè)站測(cè)試結(jié)果表明，鉆屑量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在0～8 m范圍內(nèi)隨著鉆孔深度的增加，鉆屑量逐漸增大，鉆孔深度為8 m時(shí)鉆屑量達(dá)到峰值4.34 kg/m，8 m之后鉆屑量逐漸減少。

2.2 解析指標(biāo)分析

在進(jìn)行鉆屑收集測(cè)試的過(guò)程中，從孔深3 m開(kāi)始，取樣對(duì)鉆屑瓦斯解析指標(biāo)Δh2進(jìn)行了測(cè)定。其中1號(hào)和3號(hào)測(cè)孔的取樣孔深為3 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m，2號(hào)和4號(hào)測(cè)孔的取樣孔深為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、12 m。測(cè)試方法為用Φ2 mm的篩子在鉆孔口接粉，同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)。當(dāng)煤粉體積與煤樣瓶容積一致時(shí)，迅速裝入瓶中，并擰緊瓶蓋，松開(kāi)閥門。當(dāng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，擰緊閥門并啟動(dòng)儀器采樣功能對(duì)瓦斯解析指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。2 min的解析指標(biāo)數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定。1號(hào)測(cè)站兩個(gè)測(cè)孔的測(cè)試結(jié)果如圖4。

圖4 鉆屑瓦斯解析指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由圖4測(cè)試結(jié)果表明，解析時(shí)間2 min時(shí)，瓦斯解析指標(biāo)Δh2和鉆孔深度的關(guān)系與鉆屑量和孔深的關(guān)系相似。鉆孔深度為9～10 m時(shí)Δh2值最大，為3.3 mm水柱。

綜合鉆屑量和鉆屑瓦斯解析指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，取較大值為最終結(jié)果。由此確定3316運(yùn)輸順槽巷道松動(dòng)圈范圍在0～10 m。瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)大于松動(dòng)圈的距離，由于礦井采用抽采管的長(zhǎng)度為4 m，為此確定封孔深度為12 m，每孔采用3根封孔管。

3 封孔材料及工藝研究

3.1 封孔材料研究

傳統(tǒng)的密封材料主要有高分子發(fā)泡材料和化學(xué)類封孔材料。無(wú)機(jī)發(fā)泡材料成本較高，發(fā)熱量大，且強(qiáng)度低，有一定的應(yīng)用局限性。化學(xué)類封孔材料在凝固后有一定的收縮，密閉效果差[5-6]。結(jié)合兩種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，專門針對(duì)封堵瓦斯抽采鉆孔研發(fā)出一種新型的無(wú)機(jī)復(fù)合材料。該材料綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的膨脹性，但強(qiáng)度高，且無(wú)固縮現(xiàn)象，密閉性好，受水和溫度影響小。其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新型無(wú)機(jī)封孔材料參數(shù)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.2.1 封孔設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)承壓式封孔，需要采用專門的注漿泵，為此選用重慶煤科院研發(fā)的FZB-1型礦用氣動(dòng)封孔注漿泵。該注漿泵額定工作壓力為2.5 MPa，額定流量為22 L/min，氣源壓力為0.5 MPa，耗氣量不大于0.4 m3/min。

配套的封孔器為FKJW通用型礦用封孔器，封孔器的組成如圖5。單囊袋長(zhǎng)度為810 mm，寬115 mm，最大承壓不小于3 MPa，工作壓力1.5～2 MPa，膨脹段外徑不小于130 mm，可適用于50～130mm鉆孔的封孔。

圖5 FKJW通用型礦用封孔器

3.2.2 封孔工藝

新型封孔材料采用徑向膨脹主動(dòng)承壓式封孔工藝，具體實(shí)施步驟為：

（1）管路連接

將抽采管、注漿管和返漿管等連接到封孔器的固定位置上，如圖6。

1.注漿管；2.抱箍；3.封孔囊袋；4.單向閥；5.爆破閥；6.堵頭

（2）插管

將連接好后的管路插入到鉆孔的預(yù)定位置。

（3）封孔

首先調(diào)節(jié)風(fēng)壓，利用空氣調(diào)節(jié)閥將井下壓風(fēng)調(diào)至注漿泵所需的壓力，同時(shí)攪拌制作水泥漿液，水灰比為1.2:2。制漿完成后，打開(kāi)注漿泵，并連接注漿管，開(kāi)始注漿。當(dāng)返漿管中有漿液流出時(shí)，停止注漿。注漿完成后，對(duì)注漿泵及攪拌桶進(jìn)行清理，并作下一次的注漿準(zhǔn)備。

3.3 應(yīng)用效果

采用WGC-II型瓦斯抽采管道氣體參數(shù)測(cè)定儀對(duì)采用不同封孔工藝下的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，為期120 d時(shí)間內(nèi)的日平均瓦斯抽采濃度檢測(cè)結(jié)果如圖7。

圖7 日平均瓦斯抽采濃度變化

由圖可以看出，新型封孔材料的瓦斯?jié)舛让黠@高于原工藝。最高瓦斯?jié)舛葹?0%，最終穩(wěn)定在70%左右，120 d的觀測(cè)期內(nèi)有90 d的日平均濃度大于50%，占比75%。而原安爾特封孔初始濃度為80%，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯?jié)舛让黠@下降，觀測(cè)末期的濃度僅為10%，并且僅有14 d瓦斯?jié)舛雀哂?0%，時(shí)間較短，抽采效果不理想。

4 結(jié)論

（1）由于煤層含水量大并且較為松軟，采用安爾特封孔材料長(zhǎng)時(shí)間抽采下瓦斯?jié)舛认陆捣却蟆?/p>

（2）鉆屑量和鉆屑瓦斯解析指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明，3號(hào)煤巷道的松動(dòng)圈深度為0～10 m，確定封孔深度為12 m。

（3）采用新型封孔技術(shù)最高瓦斯抽采濃度達(dá)90%，長(zhǎng)時(shí)間抽采濃度穩(wěn)定在70%，取得了理想的抽采效果。