煤層瓦斯抽采鉆孔失效分析及封孔技術優化研究

李 攀

(潞安化工集團漳村煤礦，山西 長治 046032)

引 言

瓦斯的開采工作是通過在借助已經安裝在煤層中的抽氣管道來進行的，這樣在開采過程中就能避免人員身處井下的開采空間，從而能大大減少瓦斯開采事故的發生次數。瓦斯作為一種綠色能源可以用于發電、取暖、供熱和燃燒等，所以瓦斯開采顯得尤為重要[1]。瓦斯抽采有很多種方式來進行鉆孔布置，而在這些方式中順層鉆孔預抽方式是治理煤層瓦斯開采的重要手段。但這一手段也存在弊端，因對鉆孔的封孔取位不當、封孔的長度較短、封孔質量較低等因素，導致約只有不到五分之一的以順層鉆孔方式開采的瓦斯濃度會在開采了一段時間后依然能保持初期濃度的80%以上，這一現象只能保障很低的煤層瓦斯預抽率。所以要保障瓦斯的抽采質量需要從封孔質量的提高入手，其帶來的好處主要有三方面:其他前提條件不變的情況下，能增加瓦斯的開采量，從而降低在煤層開采瓦斯時泄漏的瓦斯量，以此確保瓦斯開采的安全性高效性；可以將負壓抽取瓦斯的方式轉為由流動動能抽取瓦斯，進而高效開采瓦斯；而且通過提高封孔的質量，可進一步保障所抽取的瓦斯濃度，開闊了瓦斯運用途徑，同時減少了瓦斯開采危險發生的概率，減少了瓦斯開采前的準備時長[2-4]。要從導致煤層瓦斯鉆孔失誤的原因方面入手對鉆孔封堵嚴密是開采瓦斯的重要一環，也是提高瓦斯開采效果的重要因素。

1 瓦斯開采漏氣原理

1.1 巷道松動圈漏氣的原理

根據距離巷道由近及遠壁面圍巖可以依次分為松動圈、塑性q區、彈性區和原巖應力區。鉆孔的孔口在巷道圍巖的各個區域里都分布著封孔口，這一現象會極大地影響封閉鉆孔的質量。滲透性是其他巖層滲透區的1倍～3倍的完全滲流區也稱松動圈，其裂痕呈現出網狀結構，在這個區域內巷道里的空氣是呈自由流動的狀態的。這一現象具有普遍性。

1.2 漏氣原因之封孔材料的質量

黏土、水泥基、高水這三類材料是我國在瓦斯開采中經常使用的封孔材料。但是水泥基材料有兩個缺點，分別是硬化收縮和凝固所需時間久。在現實運用中，通常會和一些添加劑混合使用從而來改良水泥砂漿的弊端，增強封堵后的成效，而且配合加壓可能會得到更好的應用效果[5-6]。

2 封孔效果的測試方法

按設定要求，在某個回風順槽19～28聯巷之間按原有因素可正常開采瓦斯的情況下，更改封孔材料、封孔段長度和封孔堵頭等進行多種方式的組合排列進行測驗。封孔方式選擇:為篩選出最佳封孔方式，先設想了18種不同的組合封孔方式，其中每種方式需要打5個孔，18種則共計90個，兩孔之間距離相距2.5 m，單組鉆孔之間隔20 m。測試每組的抽采負壓、抽采濃度以及抽采量。測試的順層鉆孔的不同封孔方式如第146頁圖1所示。

只有第1種和第17種方式采用礦上的水泥進行封孔，從孔口向孔內往下8 m為封孔深度，對于封孔管則不加以更換仍使用原有的，在兩堵一注壓力顯示正常后開始封孔。

圖1 順層鉆孔不同封孔方式布置圖

其他幾種方式都采用以A、B料封孔水泥在孔口向下8 m進行封孔的方式，封孔管的類型與上面一樣，在測試完兩堵一注后壓力仍正常后開始封孔。這18種封孔方式中任何一組的鉆孔鉆好后就開始測驗，每組的封孔方式都依照計劃進行。每組封孔結束后就開始連管，與系統開始開采。

3 對測試所得數據進行分析

3.1 對比分析封孔段長度差異對效果的影響

抽采濃度不變對兩者進行對比分析。采用礦上材料來封孔的第一組、第四組、第十二組及第十四組，但是其封孔距離不同分別是0 m～8 m、0 m～12 m、8 m～16 m、0～16 m，現實運作測出的封孔數據結果由圖2展示。

圖2 不同封孔工藝抽采瓦斯濃度對比圖

而同是采用新材料加囊袋進行封孔的第三組、第七組、第十一組及第十六組分別采用的封孔距離是0 m～8 m、0 m～12 m、8 m～16 m、0～16 m，4組的瓦斯開采濃度繪制成圖后進行對比，其結果如圖3所示。

圖2、圖3可得出的結論是，8 m～16 m的距離進行封孔最佳，0 m～8 m則比0 m～12m封孔效果更好，這些數據表明存在著最佳的封孔距離。

圖3 不同封孔工藝抽采瓦斯濃度對比圖

3.2 影響瓦斯開采原因之鉆孔變形

除了由于挖掘巷道時上下板壓迫煤層導致煤層側漏氣以及在打孔時鉆孔附近出現裂縫，而導致漏風這兩種漏風原因，導致鉆孔瓦斯無效開采外，鉆孔的失穩變形也會導致鉆孔瓦斯開采的失效。關于礦井瓦斯的開采過程方面的問題有兩個，分別是動力和阻力，為開采瓦斯提供動力的是瓦斯抽采泵，阻力指的的在開采中不透氣的煤巖體和瓦斯對煤體強力吸附等。由于開采中存在阻力，這使有限的動力只對一定范圍內的瓦斯有作用，這一范圍被稱為抽采半徑。在負責抽采的管道口附近，或其他抽取手段抽取，先抽出的都是游離狀態的瓦斯，抽采半徑內的瓦斯最先被抽出，較遠地方的瓦斯在補給過程中受煤體介質的阻力影響會延緩運送實效，因此會造成單位時間內瓦斯含量降低，局部抽采負壓升高。造成這一影響擴大的原因還有鉆孔縮頸、變形、孔壁坍塌等，這就加大了密封鉆孔的困難程度，極不利于提高抽采效率。由此要緊抓鉆孔的穩定性。

4 結論

經過以上實驗結果來看，封孔長度并不是長就一定好，封孔長度有其定義的最佳數值，在進行封孔長度一定的情況下采用不同的封孔材料的試驗時，新材料的應用具有更好的效果。