馬蘭礦大直徑瓦斯抽采鉆孔封孔技術優化研究

徐鵬飛

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦目前主采8#煤層，厚度3.80～4.80 m，均厚約4.43 m，設計生產能力400萬t/a，礦井工業廣場位于山西省古交市西南15 km。18502工作面設計利用輔運巷、皮帶巷施工順層鉆孔對該面進行本煤層抽采，從巷道里程1190 m 開始至里程110 m 結束，工作面傾斜長度320 m，兩側巷道內順層鉆孔長度170 m，鉆孔直徑113 mm，鉆孔水平間距8 m，兩側鉆孔交替布置。工作面巷道布置及皮帶巷一側順層鉆孔布置詳情見圖1 所示。封孔工藝：采用袋裝聚氨酯封孔。鉆孔施工完畢后，鉆機及時向孔內推入規格3 m4 寸PVC 套管（全程使用PVC 管，下套管深度以套管底端進入穩定巖層為準），在套管距孔口0.5 m、3 m、5 m、7 m 處分別捆綁一道封孔膠，每道封孔膠不少于4 袋，封孔深度6.6 m。待封孔膠充分反應后，在孔口200 mm 段用水泥砂漿進行固孔。結合南五下組煤已采8#煤工作面抽采效果預測，采用袋裝聚氨酯封孔前期封孔效果良好，但是抽采約10 d 后，抽采濃度急速下降，導致抽采達標時間長、需施工補充抽采鉆孔等問題。

圖1 18502 巷道及順層鉆孔布置示意圖（m）

2 非凝固膏體材料封孔技術原理

參考相關研究成果[1]，非凝固膏體材料封孔技術實質是在固體封孔基礎上加上液體封孔段，其技術原理如圖2。每個鉆孔通過三個固體封孔段+兩個非固體封孔段進行封閉，三個固體封孔段形成兩個密閉空間A、B。首先注入可凝固封孔材料形成三個固體封孔段，然后在密閉空間A 中注入非凝固封孔材料，固體密封段兼具封堵瓦斯及非凝固膏體材料的作用。非凝固材料在壓力作用下向鉆孔周圍破碎煤體內滲透，起到阻隔瓦斯滲漏通路的效果。一次封孔完成后，即具備瓦斯抽采條件，抽采一段時間后，再向密閉空間B 內注入非凝固封孔材料，起到二次封孔的效果。后續瓦斯抽采過程中，當封孔效果下降時，可重復多次注入非凝固膏體材料，起到多次封孔的作用。

圖2 非凝固膏體封孔技術原理圖

3 膏體材料合理注漿壓力、黏度模擬研究

非凝固膏體材料封孔技術應用效果的關鍵影響因素包括封孔長度、非凝固膏體材料滲透半徑、注漿壓力等[2-3]。為保證膏體封孔材料能夠滲透至鉆孔周圍煤體內破碎帶邊界，且避免膏體漿液流失過快，非凝固膏體材料既需要有良好的滲透性同時也需要具有一定的黏度。為選擇更適合馬蘭礦18502 工作面的封孔注漿壓力和漿液黏度，依據馬蘭礦8#煤層相應物理參數利用COMOSL 仿真數值模擬軟件建立模型。為保證模擬方案的可行性，以一個鉆孔為研究對象，模型為高11 m、寬12 m 的矩形，模型四周邊界均為不透水邊界，煤層孔隙率0.08，滲透率2×10-10，煤層密度1350 kg/m3，圓形鉆孔界面位于模型中央，直徑113 mm，模型如圖3（a）。設計非凝固膏體材料黏度分別為0.05、0.01、0.015、0.03、0.05、0.075、0.1、0.13、0.16、0.2、0.25 Pa·s，組別編號為1～11 組。考慮到馬蘭礦采用的袋裝聚氨酯封孔器耐壓小于2 MPa，設計注漿壓力為0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.5 MPa 四組，注漿時間為30 min，觀測漿液影響范圍，整理得到圖3（b）所示結果。

根據圖3（b）可以看出，隨著注漿壓力的增大，各黏度條件下漿液的影響半徑均呈增大趨勢。不同壓力條件下，黏度編號1～6 組漿液影響半徑存在明顯的差值，表明此時漿液黏度小，0.8～1.5 MPa 注漿壓力均滿足漿液滲流的需求；黏度編號7～11 組影響半徑基本無差異，說明此時漿液黏度過大，注漿壓力均不滿足動力條件。綜合考慮滲透效果、粘結效果、流失時間等因素，確定合理的漿液黏度為2～4 組，即0.01～0.03 Pa·s。對比分析不同壓力條件下各黏度組擴散半徑提升幅度，0.8 MPa 與1.0 MPa影響半徑隨漿液黏度變化曲線僅在第二組黏度條件下存在明顯的差異，表面注漿壓力由0.8 MPa 提高至1.0 MPa，漿液擴散效果提升不明顯；注漿壓力為1.2 MPa 時，相對于1.0 MPa 對應黏度第1～3 組、5 組、6 組條件下的影響半徑均顯著增大，且增幅明顯大于注漿壓力1.5 MPa。綜合考慮注漿設備要求等現場施工因素，選取1.2 MPa 為最優注漿壓力。

圖3 數值模型及模擬結果

4 實體煤幫破碎區深度實測

參閱相關研究成果可知[4]，回采巷道掘進后，擾動了巷道周圍煤體內的原始應力分布平衡，實體煤幫由淺至深形成破碎區、應力集中區、原巖應力區。破碎區煤體破碎嚴重，該區域進行鉆孔施工時存在塌孔、堵孔的風險，且瓦斯抽采過程中存在漏氣的風險，是導致抽采鉆孔瓦斯抽采濃度降低的重要因素，因此抽采鉆孔封孔長度應大于破碎區深度。根據破碎區透氣性較好的特性，設計圖4（a）所示的測定原理，采用兩個密封囊袋在不同鉆孔深度形成封閉空間，在該空間注入等壓氣體，根據氣體注入量的變化來判斷煤體的破碎程度。在18502 輔運巷施工3 個測試鉆孔，孔深16 m，直徑113 mm，深度每增加1 m 作為一個測點，密封膠囊內注水壓力2.5 MPa，封堵空間內氣體注入壓力0.5 MPa，通過流量計讀取氣體注入量，整理得到圖4（b）所示結果。

圖4 破碎區深度測試原理及結果

由氣體流量隨鉆孔深度變化曲線可以看出，三個鉆孔氣體流量均隨著深度增大呈減小趨勢。密閉空間中心深度由1.5 m 至5.5 m，氣體流量減小了20%，表明巷幫0～5.5 m 范圍內煤體破碎程度高，透氣性較好；深度9.5 m 與5.5 m 相比，三個鉆孔的氣體流量平均減小72%，表明該區域煤體破壞程度逐漸降低，裂隙大小、數量均顯著減小，表明該區域為破碎區至原巖應力區的過渡帶；深度在10.5 m 及以上時，三個鉆孔氣體流量均保持在較低的水平，表明該區域煤體處于原巖應力區。由此說明大直徑瓦斯抽采鉆孔封孔深度應不小于11 m。

5 現場應用效果分析

為驗證大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固密封膏封孔技術的封孔效果，在馬蘭礦18502 輔運巷進行新封孔技術和傳統袋裝聚氨酯封孔的抽采效果對比分析。測試鉆孔布置如圖4，1#～5#鉆孔采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔技術，封孔長度13 m，袋裝聚氨酯注入壓力為2 MPa。瓦斯抽采15 d 后，在第一個密封空腔內注入非凝固膏體材料，壓力1.2 MPa，黏度0.02 Pa·s，抽采30 d 后再向第二個密閉空腔內注入膏體材料，完成二次封孔。6#孔采用水泥密封，7#、8#孔采用袋裝聚氨酯封孔。監測1#～8#抽采鉆孔內的瓦斯濃度，整理得到圖5 所示結果。

圖5 測試鉆孔布置示意圖（m）

由圖6 可以看出，抽采1～15 d，1#～8#鉆孔抽采瓦斯濃度基本均保持在60%以上，各鉆孔間瓦斯濃度差異不大；抽采15～30 d 期間，1#～4#鉆孔瓦斯濃度均保持在50%以上，6#鉆孔瓦斯濃度降至20%，7#、8#降至35%左右；抽采30～50 d 期間，1#～4#鉆孔瓦斯濃度仍保持在50%左右，6#鉆孔瓦斯濃度保持在20%，7#、8#鉆孔降至30%。抽采15 d 后，水泥封孔已基本失效，抽采15～30 d 期間，采用袋裝聚氨酯封孔效果迅速降低，導致瓦斯抽采濃度不斷降低，無法滿足礦井瓦斯抽采濃度的要求。采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔效果良好，相對傳統封孔方式可有效提高瓦斯抽采濃度15%～40%，保障平均抽采濃度在50%以上，滿足工作面瓦斯抽采要求。

圖6 鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖

6 結論

大直徑抽采鉆孔采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔技術可有效解決封孔效果迅速衰減的問題，結合馬蘭礦18502 工作面地質條件，非凝固膏體的合理黏度范圍為0.01～0.03 Pa·s，最佳注漿壓力1.2 MPa，巷幫煤體破碎區發育深度約為5.5 m，原巖應力區深度為10.5 m，封孔長度不應小于11.0 m。袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔鉆孔瓦斯抽采濃度衰減率低，封孔效果良好，抽采瓦斯濃度保持在50%以上，能夠滿足礦井瓦斯抽采的要求。