抽采鉆孔注漿阻隔堵漏提濃技術研究

王 鵬

(山西潞安礦業集團有限責任公司 余吾煤業公司，山西 長治 046100)

瓦斯爆炸是煤礦井下的五大災害之一，嚴重影響著礦井的正常生產活動。“先抽后采”是防治瓦斯事故的有效措施，能夠降低瓦斯事故的發生。然而，受瓦斯抽采鉆孔孔口漏氣、鉆孔交叉串孔等問題影響，本煤層的鉆孔瓦斯抽采濃度處于較低水平，沒有達到煤礦安全生產要求。本文基于抽采鉆孔漏氣機理，提出小直徑鉆孔注漿阻隔堵漏技術，提高了瓦斯抽采效率。

1 工作面鉆孔抽采概況

余吾煤業為高瓦斯礦井，順層鉆孔采前預抽是回采工作面瓦斯治理的基礎。某工作面瓦斯抽采鉆孔設計長度180 m，在膠順前期施工的167個采前預抽鉆孔中，因鉆孔封孔質量差孔口漏氣、鉆孔與邁步鉆孔或相鄰鉆孔串孔(因軌跡偏離通過裂隙或直接溝通)等原因，約60%的鉆孔濃度低于10%，導致鉆孔關閉無法帶抽，嚴重制約著本煤層瓦斯抽采的效果。

2 鉆孔抽采低濃原因分析

2.1 瓦斯抽采鉆孔漏氣

由于巷道的掘進以及工作面的開采，地應力的平衡狀態被打破，需要一定的支護體支撐，在應力平衡的過程會產生一定的松弛破壞帶即松動圈。這個區域在壓力的作用下存在大量裂隙，瓦斯、空氣可以在里面自由穿梭。煤層進行鉆孔時，鉆孔兩側的煤體在壓力的作用下也會形成類似松動圈的區域，由于孔內與巷道內存有壓差，在巷道內氣壓的作用下，巷道內空氣與游離瓦斯通過松動圈進行流通交換。密封材料自身的裂隙以及與煤壁的結合度都會影響孔內的負壓狀況進而影響瓦斯抽采的速率。因此，漏氣通道主要有：煤體的破碎區、孔壁與密封材料結合處、封孔圍巖段漏氣通道[1-2，4]。

1) 巷道煤壁破碎區。瓦斯抽采施工過程中，當鉆頭與煤壁開始接觸時，煤體圍巖便進入了破碎狀態，受鉆頭等外力的影響而加速生成了新的裂縫。新裂隙與原有煤體的舊裂隙連通后便會形成較為完整的漏氣通道，煤體與巷道接觸段的滲透率也大為增加。鉆孔內負壓與巷道內空氣在壓力差的作用下通過完整漏氣通道進入孔內稀釋了孔內游離瓦斯的濃度，降低了孔內負壓的效果進而降低了抽采效率。因此進行鉆孔密封時應該使封孔的長度盡量超過鉆孔巷道裂隙帶，達到有效密封。

2) 鉆孔破碎區漏氣。巷道不僅具有因施工作業而造成的破碎區域漏氣通道，還有因鉆頭打孔作業在巷道幫上而形成的裂隙通道。當鉆孔內通過負壓進行抽采時，氣體可以通過破碎區(漏氣通道)進行其他交換，對瓦斯抽采造成一定的不利影響。近巷道的漏氣圈與巷道裂隙帶在雙重作用下易形成耦合裂隙帶，然而耦合裂隙帶有更多的裂隙，促進了裂隙發育，使之更加成熟。因此對孔壁圍巖漏氣圈的有效封堵也顯得尤為重要。

3) 密封材料(封孔段)漏氣。優良的封孔工藝及材料是保證密封性能較為關鍵的一環。當水泥基密封材料在注漿泵等外力的作用下流入鉆孔密封段后，如果密封材料具有較多的大孔隙或裂隙群，則會在封孔后的抽采作業時，為瓦斯流動提供漏氣途徑。因此需要保障致封孔材料的密實度，可以對封孔作業起到積極的作用。

另一方面，水泥基注漿材料由于一些原因導致與孔壁、鉆孔裂隙群黏結不緊密，也會為空氣與孔內游離瓦斯交換提供通道，這也是密封過程中無法用實驗驗證的一個問題。造成這一現象的原因主要可能有以下幾點：普通水泥基密封材料因失水收縮導致封孔材料體積減小或形成月牙結構降低了密封性能；水泥密封材料在重力影響下下滲，進入孔隙下部裂隙，而上端裂隙并未完全密封。這就要求使用壓力泵迫使水泥漿體克服孔內的各種阻力進入密封段的裂隙群進行有效的強壓密封，使瓦斯抽采作業時抽采濃度及持續高效率的時間維持一個較好的水準。

2.2 鉆孔抽采串孔

由于鉆孔軌跡的不可控性，采前預抽鉆孔施工軌跡與巷道內邁步鉆場內的邊掘邊抽鉆孔在設計上客觀存在立體交叉現象，部分采前預抽鉆孔與邊掘邊抽孔直接溝通，或在交匯距離較近時通過煤體中的貫穿裂隙導通。鉆孔交叉串孔機理如圖1所示，相互連通的多個鉆孔中任一鉆孔存在封孔質量問題(如鉆孔C)，就會導致彼此連通的所有鉆孔抽采短路，巷道外空氣被抽入孔內，致使孔內負壓急劇衰減，孔底解吸的高濃度瓦斯因孔內壓差較小不能高效抽出，表現在鉆孔單孔濃度上則為鉆孔有一定的濃度，但基本在10%以下，且相互連通串孔的幾個鉆孔濃度相差不大。

圖1 鉆孔交叉串孔抽采機理圖

相鄰的兩個采前預抽孔受鉆孔軌跡偏差及煤層軟硬不均影響，鉆孔軌跡在相距較近處通過煤層裂隙溝通甚至直接交叉。相鄰采前預抽孔相互串孔時，受兩鉆孔的封孔質量差異及孔內塌孔、堵塞等因素影響，孔內漏入空氣及瓦斯流向變化較為復雜，如圖1(b)所示。鉆孔A、B、C通過貫通裂隙相互串孔彼此影響，鉆孔B封孔質量較差，有輕微漏氣現象，鉆孔C部分孔段有煤堵現象，鉆孔B內部分瓦斯被鉆孔A抽走，鉆孔C內部分瓦斯流向鉆孔B.

2.3 鉆孔密封關鍵問題

1) 巷道煤壁破碎區。在巷道煤壁破碎區內彈性潛能達到極限而發生塑性變形，增添了大量裂隙，就會使其滲透率進一步增大。解決近巷道煤壁破碎區域漏氣問題時應該視工作面的具體情況選擇最優的封孔位置以及長度。即在進行鉆孔密封時密封段的長度應該長于塑性極限應力帶，當封孔段能對塑性極限應力帶進行有效填充時，漏氣則轉換為游離瓦斯的擴散漏氣，影響漏氣的質量及速率。

2) 鉆孔破碎區漏氣通道。鉆孔作業后直接形成了破碎區圍巖，此區域的巖石由于外力(應力)作用導致破裂比較嚴重，同時內聚力及圍巖強度也會隨之降低。塑性區是在破裂區向外擴展的區域，塑性段在外力作用時巖石開始出現劇烈破裂的現象，孔裂隙開始逐步增加。在各種應力的作用變化下與巷道煤壁的破碎區形成貫通，為氣體流出提供了多種通道。針對此處的漏氣有兩種相對有效的方法：一是利用現階段相關的特定封孔工藝并配合密封材料對裂隙進行封堵；二是對巷道幫面使用噴涂劑進行噴涂，降低巷道卸壓區漏氣通道的數量。可將噴涂與封孔工藝、材料同時運用，有效減少了漏氣的途徑。

3) 密封材料(封孔段)裂隙帶漏氣道。封孔材料自身致密性差，不能滿足密封的要求或者是工藝較差無法合理利用封孔材料對漏氣通道進行堵漏，都會影響抽采的濃度、速率及有效抽采時長。因此在進行鉆孔密封作業施工時應當甄選出合適的密封材料并配用適當的封孔工藝提高密封性能。

密封材料如若發生自身失水收縮現象或與孔壁結合能力較差，都會導致孔內負壓的消失或減弱，而無法完全發揮密封的性能。同時，所選材料應具有良好的流動性，減少封孔材料與孔內壁之間的漏氣通道。密封材料應盡量減少較大的孔裂隙存在，防止氣體通過大孔隙和裂隙進行交換流通。水泥漿液成型后也應該擁有良好的抗壓強度，避免在瓦斯抽采作業施工中因為局部應力集中等變化的影響發生密封材料損壞喪失了密封性能。

因此，研究和開發鉆孔密封材料在瓦斯抽采工作中也顯得尤為重要。在鉆孔密封材料的研究和開發中，微觀特性、致密性、抗壓強度、防止變形能力以及良好的流動性使其與孔壁裂隙進行緊密結合是重點和難點。

3 注漿阻隔堵漏技術

防串孔是解決鉆孔串孔漏氣最有效的方法。合理正確的鉆孔施工能夠有效避免鉆孔串孔。具體方法有：根據煤層地質條件和瓦斯賦存情況等因素，鉆孔間預留出足夠的空間距離；繪制并參考煤礦井下鉆孔施工圖，避免施工鉆孔在空間上發生交叉貫通；運用長距離定向鉆孔施工技術，提高鉆孔施工精度。此外，及時的補救措施也能有效避免串孔對瓦斯抽采的影響。前人已提出多種針對漏氣鉆孔進行二次處理措施，雖取得了很好的效果，但部分措施工序復雜，成本較高[5-6，9]，且對一些交叉影響的鉆孔未提出合理的解決辦法，本文在之前研究的基礎上，試驗了注漿阻隔堵漏技術。

3.1 鉆場鉆孔注漿堵漏

邁步鉆場內邊掘邊抽鉆孔注漿實質上是通過注漿方式將彼此聯通的多個鉆孔分離成相互獨立的鉆孔，降低彼此之間的相互影響。對鉆場內串孔的鉆孔進行注漿，注漿后鉆孔口孔附近的漏氣通道被漿液充填，同時漿液充填了鉆孔中可能存在的溝通裂隙，減少了巷道內采前預抽鉆孔受其它低濃度鉆孔漏氣影響。若巷道內煤體疏軟，普遍存在貫通裂隙導致串孔現象時，預先對鉆場內已失效的邁步鉆孔及其孔壁周圍的裂隙進行注漿充填，以防止后期注漿過程中部分漿液串到孔內造成鉆孔堵孔。

3.2 小直徑孔注漿阻隔

鉆孔串孔注漿阻隔并不能從根本上改變鉆孔抽采漏氣量，僅能減少鉆孔間抽采時的相互影響，對于因鉆孔封孔質量問題導致的鉆孔漏氣，可采取在鉆孔附近施工小直徑注漿孔對鉆孔附近的漏氣通道進行注漿封堵。如圖2所示，小直徑鉆孔注漿后，漿液通過煤層裂隙進入鉆孔封孔段上方的空隙進行充填，同時對孔壁周圍發育的原生、次生裂隙進行二次充填封堵加固。由于鉆孔原漏氣通道被漿液充填，鉆孔在抽采過程中漏氣“短路”現象消失，孔口底抽采負壓壓差增大，煤層解吸瓦斯進入孔內被抽出，鉆孔抽采瓦斯濃度大幅提升[10]。

圖2 小直徑鉆孔注漿堵漏示意

由于鉆孔串孔位置不確定，注漿阻隔的小直徑鉆孔施工深度需根據現場情況確定。如圖3所示，鉆孔A、B、C通過貫通裂隙相互串孔，且鉆孔B封孔質量較差，存在輕微漏氣現象，鉆孔C部分孔段有煤堵現象，注漿前鉆孔B內部分瓦斯被鉆孔A抽走，鉆孔C內部分瓦斯流向鉆孔B，在鉆孔B附近施工小直徑注漿孔1、2后，導致鉆孔串孔的溝通裂隙被封堵，3個鉆孔抽采相互獨立互不影響。

圖3 小直徑鉆孔注漿阻隔示意

4 現場應用效果分析

4.1 單孔濃度提升效果

將本次提濃涉及的167個鉆孔(包括137個舊鉆孔及30個新成低濃鉆孔)按鉆孔濃度高低劃分為4個鉆孔濃度區間，處理前后各濃度區間鉆孔數量變化情況如圖4所示。

圖4 鉆孔處理前后不同濃度區間鉆孔分布圖

由圖4可知，進行低濃鉆孔處理前，單孔濃度低于10%的鉆孔有101個，占比60%，處理后，還剩37個鉆孔濃度低于10%，所占比例下降至22%，同時濃度高于60%的高濃度鉆孔數量由之前的9個上升至35個，所占比例由5%提升至21%，整體上巷道中大于30%的鉆孔由原來的15%提升到50%，低濃度鉆孔處理后整體效果較好。

4.2 巷道抽采提升效果

該工作面膠順采前預抽孔處理前137個，鉆孔總進尺17 486 m，巷道支管抽采濃度為17.2%，抽采純量為2.28 m3/min，萬米抽采量為1.30 m3/min.9月下旬開始處理低濃度鉆孔，截止12月初，巷道采前預抽鉆孔總數為241個，鉆孔總進尺35 547 m，抽采濃度提升至23.6%，抽采純量上升至9.1 m3/min，萬米抽采量提升至2.56 m3/min.巷道抽采支管抽采數據變化如圖5所示。

圖5 工作面膠順處理前后抽采數據變化曲線圖

4.3 注漿量對瓦斯抽采濃度影響

注漿量是影響鉆孔密封效果的主要因素，對瓦斯的抽采效果影響極大。注漿量小于鉆孔及其孔壁周圍的裂隙所需量時，孔裂隙密封效果差，瓦斯抽采濃度低。當注漿量達到鉆孔及其孔壁周圍的裂隙所需量時，孔裂隙實現良好的密封性，瓦斯抽采濃度大。注漿量繼續增大則對瓦斯抽采濃度提升效果不明顯。

5 結 語

1) 鉆孔漏氣源注漿封堵是處理鉆孔低濃的關鍵。對鉆孔抽采漏氣源的排查是鉆孔提濃處理的基礎，無論是鉆孔本身封孔段漏氣，還是串孔連通的整個孔段區域存在漏氣，均存在漏氣源多而分散的特點，漏氣源排查客觀上存在技術難點，部分鉆孔未找到主要漏氣位置，而盲目打小孔注漿處理，造成了部分鉆孔注漿處理效果不明顯的現象。

2) 對某工作面膠順低濃度鉆孔進行注漿阻隔后，單孔濃度低于10%的鉆孔由101個下降至37個，濃度高于60%的高濃度鉆孔數量由之前的9個增加至35個，同時巷道抽采濃度由17.2%上升23.6%，巷道萬米抽采量由1.87 m3/min上升至2.56 m3/min.

3) 串孔鉆孔抽采是一個復雜的系統問題，需根據情況區別對待。串孔導致低濃問題較為復雜，現場排查難度大，處理措施較難取得理想效果，建議從鉆進施工方面采取有效措施減少或避免串孔現象發生。