綜采工作面順層瓦斯抽采鉆孔封孔工藝研究

郭海東，李海波

（沁水縣應急管理局，山西 沁水048200）

0 引言

順層鉆孔瓦斯抽采是解決礦井瓦斯災害的重要手段[1-3]。順層鉆孔傳統封孔方法為“兩堵一注”，即堵住設計注漿段的兩端，通過預埋注漿管方式對注漿段注漿實現封孔，該封孔方法歷年來雖通過增加封孔長度、改變封孔材料等方式進行改良優化，但仍存在漏氣率較高導致瓦斯抽采濃度偏低的問題，其主要原因是抽采鉆孔施工過程中，破壞了原煤整體結構，在鉆孔孔壁產生裂隙[4-7]。我國大部分煤層屬于低滲透性的松軟煤層，傳統的注漿方法無法使漿液充分滲透至細微裂隙內，在抽采過程中受抽采負壓及煤層壓力影響孔壁裂隙逐步增大，導致瓦斯抽采濃度越來越低，不能實現高效抽采。針對這一問題，通過分析鉆孔裂隙深度和有效封堵方法，研究新型順層瓦斯抽采鉆孔封孔工藝。

1 工程概況

常村煤礦13151工作面位于13采區東翼，工作面走向長度875 m，傾向長度121 m，煤層埋深485～513 m，煤層均厚3.2 m，煤層硬度系數0.25，透氣系數0.48，屬低滲透性軟煤。煤層原始瓦斯含量8.37 m3/t，瓦斯壓力1.7 MPa，屬高瓦斯礦井。瓦斯防治主要采取順層條帶瓦斯抽采鉆孔預抽煤層瓦斯措施，順層瓦斯抽采鉆孔設計每組2個，上下間距0.8 m，每組間距2.4 m，鉆孔設計深度52～58 m，鉆孔直徑113 mm，封孔長度12 m，原封孔方法為“兩堵一注”法。據統計，初始抽采濃度平均值為42.35%，約抽采45 d后抽采濃度下降至10%以下。據工作面回采期間瓦斯涌出量計算，瓦斯預抽效果不理想，經常出現風排瓦斯量超高導致工作面停產情況，據分析主要原因為鉆孔封孔不良導致，需改進封孔工藝。

2 封孔不良原因分析

通過對13151工作面運輸順槽中的順層瓦斯抽采鉆孔進行分析發現，由于煤質較軟，鉆孔施工期間對孔壁周圍煤體擾動破壞性較大，造成孔壁煤體產生細微裂隙，該細微裂隙因滲透率較低，注漿封孔期間漿液不能滲透，導致封孔后預抽期間鉆孔漏氣，影響瓦斯抽采濃度。如何增大孔壁裂隙滲透率，保證注漿封孔效果是解決鉆孔漏氣的關鍵。

按應力影響程度進行分析，鉆孔孔口向里依次可分為破碎區、塑性區、彈性區和原巖應力區[8-12]。如圖1所示，破碎區位于孔口段，主要受開孔擾動及巷道圍巖應力影響，煤體構造已破壞，孔壁煤體較為破碎，原巖應力較低，滲透率較高。塑性區主要受破碎區影響，煤體呈塑性變形，原巖應力在該段呈上升趨勢，受應力影響在成孔后逐步產生較大裂縫，封孔注漿期間漿液能夠基本滲透[13-15]。彈性區因接近原巖應力區，原巖應力從外向里呈下降趨勢，受應力影響從外向里產生細微裂隙，滲透率逐步降低。原巖應力區因應力較低，基本不產生孔壁裂隙。根據圖1中鉆孔軸向應力曲線變化所示，塑性區與彈性區之間原巖應力最高，稱為彈塑性區，鉆孔成孔并封孔后，該區域因受應力影響，將逐步產生裂隙，是兩堵一注法鉆孔抽采期間漏氣性越來越大，抽采濃度逐漸降低的主要原因。

圖1 鉆孔軸向應力、滲透率變化特征及分區示意圖

3 提高封孔效果的方案

根據封孔不良的具體原因分析結果可知，彈塑性區因受應力較大在鉆孔抽采期間產生裂隙導致鉆孔漏氣，需對彈塑性區因應力產生的裂隙進行提前封堵。因此，設計一種新的封孔方法-封隔一體化，該封孔法如圖2所示，通過對彈塑性區進行提前擴孔卸壓，使原本彈塑性區的細微裂縫通過提前主動卸壓措施變為較大裂縫，從而使該區域滲透率升高，再進行注漿滲透進行封堵，即可很大程度上避免該區域封孔后繼續產生裂隙，從而降低鉆孔漏氣率，提高瓦斯抽采濃度。

圖2 封隔一體化封孔法示意圖

封隔一體化封孔法關鍵步驟是封孔前對彈塑性區進行擴孔卸壓，可采用水切割技術在該區域切割2～3道環形卸壓封槽，再結合傳統兩堵一注封孔法進行封孔，利用注漿壓力將漿液滲透至彈塑性區卸壓后的裂縫中，實現封隔一體化。該封孔法主要目的是通過提前主動提高彈塑性區的滲透率保證封孔效果，因此需計算彈塑性區的具體位置。

4 彈塑性區位置計算

按照前述及圖1所示，彈塑性區為彈性區與塑性區的之間，各區域是按原巖應力與對鉆孔形成的破壞程度進行分區，塑性區內邊界即為彈塑性區中間位置，外邊界為破碎區，邊界線應力方程為：

式中：RP為塑性區內邊界半徑，m；RS為塑性區外邊界半徑，m；σre為彈性區的切向應力，MPa；σθe為彈性區的徑向應力，MPa；σrp為塑性區的切向應力，MPa；σθp為塑性區的徑向應力，MPa；σr為塑性區外邊界圍巖應力，MPa；pi為破碎區內邊界圍巖應力，MPa。

根據Mohr-Coulomb強度準則，其塑性條件為：

式中：c為煤體粘聚力，MPa，通過礦井檢測值為0.21 MPa；φ為煤層內摩擦角，根據礦井地質參數為30°。

根據不同區域的同一邊界應力平衡特征，結合上述公式可得：

式中：R0為孔徑，為56.5 mm；P0為鉆孔圍巖應力，鉆孔為圓形，各向應力視為等同，為煤體原巖應力，根據礦井地質取值為12 MPa。

根據礦井各項地質參數，計算得出塑性區外邊界半徑為0.3 m，及破碎區深度為0.3 m。

研究表明，在一般軸對稱圓形空間圍巖的彈塑性應力狀態下，從工程應用方向出發，當應力變量低于5%時，便可以忽略應力產生的影響[3]。根據軸對稱平面應變方程和應力平衡方程結合上述彈性邊際條件，鉆孔塑性區內邊界計算公式為：

代入相關數值，即可得出塑性區內邊界半徑0.5 m，即塑性區內邊界深度為0.3+0.5=0.8 m，從而得出彈塑性區域中間位置位于鉆孔口以里0.8 m處。

根據上述計算結果可知，卸壓封槽位置因布置在瓦斯抽采鉆孔孔口以里0.8 m左右位置處為最佳，以卸壓封槽不破壞裂縫以外的原煤為前提，泄壓封槽的水力截割深度不宜超過0.5 m（塑性區內邊界破壞半徑），需控制在0.2～0.4 m。

5 現場試驗

為檢驗該封孔法效果，在13151工作面運輸順槽進行現場試驗，并與傳統封孔法進行瓦斯抽采效果對比。實驗對比方案為2種封孔法均設置4個順層瓦斯抽采鉆孔，實驗時間均為45 d，每3 d對2組鉆孔進行抽采濃度測量取值，A組為傳統兩堵一注法封孔，B組為封隔一體化封孔，通過45 d實驗對比，2組鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況如圖3、4所示。

圖3 A組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線圖

根據圖3可看出，傳統兩堵一注封孔法的A組初始瓦斯抽采濃度平均值為43.6%，持續抽采45 d后，瓦斯抽采濃度已下降至平均值10.1%，平均瓦斯抽采濃度23.3%；根據圖4可看出，采用封隔一體化封孔法的B組初始瓦斯抽采濃度平均值為88.3%，持續抽采45 d后，抽采濃度下降至平均值63.2%，平均瓦斯抽采濃度78.5%。

圖4 B組鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線圖

通過實驗對比結果可知：采用封隔一體化封孔法的順層抽采鉆孔較傳統兩堵一注封孔法的順層抽采鉆孔初始瓦斯抽采濃度提高44.7%，平均瓦斯抽采濃度提高55.2%。采用傳統兩堵一注封孔法的鉆孔瓦斯抽采濃度呈明顯階梯型下降，表明封孔后孔壁漏氣性存在持續性增加導致抽采濃度大幅降低，而采用封隔一體化封孔法的鉆孔瓦斯抽采濃度未呈明顯下降，表明封孔效果良好。

此外，五輪山煤礦13151工作面通過上述實驗得出對比結果后，新施工的順層瓦斯抽采鉆孔全部采用封隔一體化封孔法進行封孔，回采至該區域以后，瓦斯治理效果顯著，未出現工作面風排瓦斯量超限導致停產情況。

6 結論

傳統兩堵一注封孔法不能有效封堵彈塑性區孔壁細微裂縫，導致抽采濃度偏低,通過分析鉆孔軸向應力變化并計算彈塑性區破壞半徑，并采用提前主動卸壓提高滲透率、增加封孔槽的封隔一體化封孔法，能夠實現孔壁裂縫的有效封堵，大幅提高瓦斯抽采濃度，瓦斯治理效果得以顯著提升，為工作面瓦斯治理打下堅實基礎。