抽采鉆孔“三堵兩注”固-液兩相封孔技術

曹建軍

(鄭煤集團 告成礦，河南 登封 452477)

瓦斯事故是威脅我國煤礦安全的“第一殺手”。進行瓦斯抽采可以有效杜絕巷道瓦斯爆炸、消除采掘工作面瓦斯突出危險性[1-2]。我國煤礦仍然存在瓦斯抽采量不均衡、抽采濃度整體較低等問題[3-4]。研究表明[5]，進入抽采系統的空氣80%以上是通過鉆孔吸入的，因此鉆孔密封質量直接影響了瓦斯的抽采效果。目前國內使用的封孔方法主要有粘土(水泥)卷封孔法[6]、封孔器封孔法[5]、水泥砂漿封孔法[7-8]、聚氨酯封孔法[9-10]、囊袋封孔法[11]。以上方法中水泥砂漿封孔法應用較為廣泛，其優點是技術成熟、材料容易獲得、價格低廉，并且井下工人操作方便。但通過長期實踐發現，水泥砂漿干涸、收縮以后，煤巖層界面產生縫隙，從而造成瓦斯鉆孔封孔不嚴，瓦斯抽采效果差。另一方面由于巷道卸壓的作用，打破了煤壁周圍煤體應力平衡狀態，應力的重新分布致使煤體產生彈性和塑性破壞變形，并從巷道煤壁向煤層深部逐步擴展，因此在鉆孔形成后，抽采鉆孔周圍煤體含有大量的空隙和裂隙且溝通發育程度較高；并且用水泥砂漿封孔時，水泥砂漿很難進入鉆孔周圍的裂隙，導致在抽采負壓的作用下，形成漏氣通道。針對以上問題，提出了“三堵兩注”固-液兩相封孔技術，實現液相封孔材料二次封鉆孔周圍裂縫的作用，以期能提高瓦斯抽采效果，為煤礦安全高效生產提供技術支持。

1 “三堵兩注”固-液兩相封孔技術

相對于“兩堵一注”水泥砂漿封孔技術，“三堵兩注”固-液兩相封孔技術增加了液相封孔材料。通過液相材料及時封堵圍巖裂隙，隔斷漏氣通道，保證封孔段密封材料和抽采管完好，確保抽采鉆孔高效抽采。

1.1 液相材料流動及封孔機理

1) 液相材料在鉆孔周邊裂縫中流動。“三堵兩注”固-液兩相封孔示意如圖1所示。為了建立液相材料周邊裂縫流動方程，首先做如下假設：①裂縫中的流動屬于穩態層流；②液相流體不可壓縮，并且質量忽略不計；③不考慮鉆孔壁對液相的吸收；④假設形成的裂隙是和鉆孔同心的同心環。

圖1 “三堵兩注”固-液兩相封孔示意

基于以上假設，由牛頓內摩擦定律和力平衡原理得：

(1)

式中：μ為液相介質的粘度，MPa·s；v為裂縫中流體的流動速度，cm/s；p1、p2分別為固相裂隙之中氣體壓力和液相流體壓力，MPa；l為固體密封段的長度，m.

公式(1)的邊界條件為：r=r0時，v=0；r=R時，v=0.式中：r0為鉆孔半徑，m；R為密封半徑，m.對公式(1)求解可得：

(2)

對公式(2)進行積分得同心圓環中液相流體的流量Qs，并設△=R-r0得:

(3)

(4)

由于△遠小于R，則R≈r0，因此公式(4)可以簡化為：

(5)

式中：D為鉆孔直徑，m.由公式(5)可知，當由于水泥砂漿收縮和鉆孔壁產生裂縫△時，液相流體的流量與△3成正比。在壓力差的作用下，液體封孔段粘液會沿著裂縫運移起到封堵裂隙的作用。通過公式(5)進一步分析可知，為了增加封堵效果，要保持液相流體壓力大于固體孔隙中的氣體壓力，從而保證液相材料能順利進入固相材料的裂隙中，形成液體隔離屏阻斷巷道空氣向負壓抽采區域的運移。同時液體材料要保證一定粘度，防止液相材料沿裂隙大量漏失，影響封堵效果。為了得到合適粘度的液相材料，以膨脹土、水為原料，經過多次試驗，最終得出：當膨脹土與水的比例為1∶4時配置成的液相材料具有合適的粘度，能夠滿足現場工作要求。

2) 液相材料在松動圈徑向流動。由于巷道的卸壓作用，在鉆孔周圍會存在徑向的松動圈。由于水泥材料流動性差，很難進入到裂隙中，在流體壓力的作用下，液相材料不僅會沿著水平裂隙流動，而且還會沿著徑向裂隙流動，從而有效地封堵泄壓圈內生成的裂隙。為了方便探討液相流體在徑向裂隙中的流動，假定：①液相流體是純液體；②由于液體在壓力的作用下流速較快，屬于高速流體，根據滲流力學，用二項式關系來描述液相流體的流動；③是穩態流動；④液相流動屬于徑向流動。則：

(6)

由公式(6)可得：

(7)

根據連續性方程可得：

(8)

將公式(7)帶入公式(8)得：

(9)

邊界條件：r=r0，p=p0；r=rb，p=pb.

式中：r0為鉆孔半徑，m；p0為密封液壓力，Pa；rb為液相材料滲透邊界半徑，m;pb為液相材料滲透邊界壓力，Pa.

解公式(9)得液相材料的流量為：

(10)

通過公式(10)可以得出，徑向方向液相材料的流量與徑向裂隙滲透率、液相材料的粘度以及液相材料和滲透邊界壓力差有關。當與鉆孔相關的參數和液相材料的粘度一定時，徑向裂隙發育時，裂隙滲透率大，為了使液體材料能順利進入徑向裂隙，當液相材料壓力下降時，需定時補入液相材料補充壓力。在以上理論分析的基礎上，研發了“三堵兩注”固-液兩相封孔裝置。

1.2 封孔裝置組成與封孔步驟

1.2.1 封孔裝置組成

“三堵兩注”固-液兩相封孔裝置由注漿、注液封孔部件和可伸縮管組成。注漿、注液封孔部件由注漿管、注液管、囊袋、單向閥、爆破閥等組成，結構如圖2所示。可伸縮管由可伸縮單元、抽采管、“O”型密封圈等組成，如圖3所示。通過注漿、注液封孔部件和可伸縮抽采管配合使用，在抽采鉆孔內形成固體封孔段和液體封孔段，液體封孔段適應圍巖的擠壓破壞；同時帶壓粘液及時封堵圍巖變形等原因形成的裂隙，保證抽采鉆孔抽采管和密封段的完整性、密封性。

圖2 注漿、注液封孔部件結構示意

圖3 可伸縮抽采管結構示意

1.2.2 封孔步驟

1) 鉆孔施工完畢后，根據鉆孔施工深度選擇合適長度的抽采管和注漿、注液封孔部件，將它們組合在一起，放置到鉆孔內的預定位置。其中可伸縮單元位于注漿、注液封孔部件下部的兩個囊袋之間，處于液體封孔段范圍內。

2) 將注漿、注液封孔部件的注漿管與注漿裝置連接，通過注漿管向鉆孔內注入配制好的水泥漿：在注漿壓力的作用下，首先打開里囊袋、中囊袋、外囊袋內的單向閥，向3個囊袋中注入水泥漿，囊袋膨脹，使里囊袋和中囊袋之間、中囊袋和外囊袋之間分別形成兩個獨立空間。注漿壓力達到一定數值后，里囊袋和中囊袋之間的爆破閥打開，水泥漿充滿里囊袋和中囊袋之間的獨立間隔，形成固體封孔段，結束注漿。注漿完成后，將抽采管接入抽采管網。

3) 注漿一定時間后，將注液管與注液裝置連接，通過注液管向中囊袋和外囊袋之間的獨立空間注入配置好的特制液體，當注漿壓力達到一定數值，液體液面穩定不下降時，表明帶壓粘液已充滿中囊袋和外囊袋之間的空間以及鉆孔周圍的裂隙，關閉注液閥門，完成注液封孔操作。

4) 在鉆孔抽采服務期內，定時觀測液體封孔段內的液體壓力，當液體壓力低于0.4 MPa時，將注液管與注液裝置連接，及時補液增壓，使注液壓力不低于0.6 MPa.如果補液一段時間后，液體壓力再次下降并低于0.4 MPa，需二次補液，保持帶壓密封。

2 現場效果考察

為驗證“三堵兩注”固-液兩相封孔技術的可行性，在鄭煤集團告成礦底抽巷施工穿層抽采鉆孔，進行封孔試驗。在試驗區域分別布置試驗鉆孔和對比鉆孔，其中兩個孔為一組，奇數孔為試驗孔，偶數孔為對比孔，如圖4所示。試驗鉆孔采用“三堵兩注”固-液兩相封孔技術封孔，對比鉆孔采用“兩堵一注”水泥漿帶壓注漿技術封孔。封孔后，均接入抽采管網，進行瓦斯抽采，測量了孔口瓦斯濃度，以對比兩種技術的密封性能和瓦斯抽采效果。

圖4 告成礦底板巷穿層鉆孔試驗孔與對比孔示意

定期測量試驗鉆孔和對比鉆孔的孔口瓦斯抽采濃度，共計48組，將觀測的數據進行統計對比分析，部分試驗鉆孔和對比鉆孔孔口瓦斯濃度隨時間的變化趨勢如圖5～圖8所示。

圖5 1組對比鉆孔瓦斯濃度變化

圖6 2組對比鉆孔瓦斯濃度變化

圖7 1組試驗鉆孔瓦斯濃度變化

圖8 2組試驗鉆孔瓦斯濃度變化

從圖5～圖8分析可知：對比鉆孔的抽采瓦斯濃度隨著時間的延續呈連續下降的趨勢。試驗鉆孔注液封孔后，瓦斯抽采濃度隨抽采時間的延續保持一段時間后逐漸衰減，補液后瓦斯抽采濃度立即升高，隨著抽采時間的延長出現衰減。試驗鉆孔兩次補液前后瓦斯抽采濃度明顯提升，抽采200 d后，試驗鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為45.10%，對比鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為25.88%，提高了74.28%.采用“三堵兩注”固-液兩相封孔技術密封的試驗鉆孔，因能主動適應圍巖的拉伸和擠壓變形，避免了抽采管和封孔材料的破裂，并對圍巖發育形成的裂隙進行了有效封堵，提高了密封質量，大幅提升了瓦斯抽采濃度。

3 結 語

1) 針對封孔段漏氣的問題，提出“三堵兩注”固-液兩相封孔裝置及方法，通過固、液兩相封孔，及時封堵圍巖裂隙，隔斷漏氣通道，保證封孔段密封材料和抽采管完好，確保鉆孔高效抽采。

2) 為了得到合適粘度的液相材料，以膨脹土、水為原料，當膨脹土與水的比例為1∶4時，配置成的液相材料具有合適的粘度，能夠滿足現場工作要求。

3) 試驗鉆孔兩次補液前后瓦斯抽采濃度明顯提升，抽采200 d后，試驗鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為45.10%，對比鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為25.88%，提高了74.28%.