黃陵二號煤礦抽采鉆孔新型封孔技術研究

張佳龍

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

中國煤炭資源開采主要依靠井工開采[1-2]。煤層因其賦存條件伴生煤層氣(瓦斯),瓦斯既是一種能源資源亦是導致煤礦災害的主要誘因之一。現階段治理瓦斯的主要辦法是瓦斯抽采[3-4]。瓦斯抽采效果是評價瓦斯治理的主要指標[5-7],瓦斯抽采效果受多因素支配,其中抽采鉆孔封孔質量占比最高,而封孔不嚴,封孔質量差會造成抽采鉆孔漏氣、濃度低、流量小、抽不出瓦斯等一系列導致抽采效果差、瓦斯治理效果差的問題[8]。

因此,抽采鉆孔封孔質量問題必須引起重視,從以前的聚氨酯封孔,水泥砂漿單堵頭封孔方式,到現階段的“兩堵一注”[9-11]。目前兩堵一注很盛行,但依然存在很多問題,如堵頭在注漿時發生脫落、注漿壓力不確定、爆破閥是否打開等問題仍然導致瓦斯抽采鉆孔封孔質量差,瓦斯治理效果不好。許多學者根據“兩堵一注”工藝及原理不斷改進,形成了多種新型的封孔方式和設備[12-13],文中采用囊袋式新型兩堵一注一體化封孔器進行封孔,并考察其效果。

1 概況

黃陵二號煤礦215工作面主采2號煤層,平均厚度2.8 m,屬侏羅系中統延安組。煤層為黑色塊狀,條痕黑色,弱瀝青光澤,參差狀斷口,以暗煤為主,亮煤次之,絲炭少量,屬半暗型煤,內生裂隙發育,煤層無結構,煤層厚度2.1～3.1 m,煤層下部局部含夾矸。地質構造總體構造格架是一個具有波狀起伏的傾向北西的單斜構造,地層傾角一般為1°～5°。從切眼向停采線煤層底板標高逐漸上升。215膠帶巷掘進工作面位于井田二盤區東北部,西南至213工作面,南到北一1#輔運大巷,東北部為未采區,工作面走向方位為339°,煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

為提高黃陵二號煤礦瓦斯抽采效率,降低生產成本,提升礦井瓦斯治理水平,黃陵二號煤礦引進囊袋式新型兩堵一注封孔器進行封孔試驗,試驗地點位于礦井北一采區215膠帶機巷,試驗段共施工鉆孔15個,均使用兩堵一注囊袋封孔器進行封孔。

2 囊袋式新型兩堵一注封孔器結構及原理

2.1 結構原理

FKJW型兩堵一注封孔器由注漿管、返漿管,囊袋,單向閥及爆破閥組成,封孔器原理如圖1所示。

圖1 封孔器封孔原理

2.2 封孔工藝

封孔過程中,只需將囊袋固定在抽放管上,緩慢送入鉆孔即可。使用時先將封孔器固定在抽放管上推入鉆孔,注漿時,漿液首先注滿囊袋,注漿壓力達到0.5 MPa時,爆破閥打開,開始中間注漿段注漿,直至漿液完全注滿空間,返漿管開始返漿;關閉返漿管,觀察注漿泵壓力表,達到指定注漿壓力時停止注漿。封孔器實物如圖2所示。

2.3 新型封孔材料

該產品具有膨脹性好、高強度、凝固時間可調、無收縮等技術優勢。SCFK-1型無機封孔材料(膨脹型)、 SCFK-2型無機封孔材料(快凝型)及SCFK-3型無機封孔材料(快凝高膨脹型)如圖3所示。

圖3 黃陵二號煤礦采用的封孔注漿材料

封孔材料的優點:操作簡便,只需將封孔器固定在抽采管上,推入鉆孔即可;適用于瓦斯抽采鉆孔,不同用途鉆孔的封堵,同時適用于上行孔、順層孔、下行孔的封堵;爆破閥壓力可調,囊袋耐壓強度高,封孔質量好,可滿足鉆孔長期高效封堵的需要。鉆孔帶壓注漿,材料的高膨脹性可進一步密封鉆孔周圍裂隙,持續性提高鉆孔的密封效果,提高單孔抽采濃度。

缺點:各流程需嚴格把關,對管理要求高。現場經驗掌握及封孔人員業務素質把關,對操作者要求高。封孔要求:煤層鉆孔封孔長度20 m;高位、頂板鉆孔封孔長度10 m;底板鉆孔封孔長度10 m。

SCFK封孔材料與普通425水泥性能對比見表2。

表2 SCFK封孔材料與普通425水泥性能對比

2.4 封孔步驟

①將安裝有封孔器的抽采管按順序送入鉆孔內,封孔器總長為14 m,分為4節,前后兩節各固定有囊袋,孔口囊袋距孔口約500 mm。②注漿過程中,需要注意將封孔材料加入水中,邊加入邊攪拌漿液,水灰比控制在1∶1(質量比),現場可根據經驗用手撈出漿液,不漏出皮膚即可。③注漿泵連接注漿管開始注漿,起始階段緩慢注漿(注漿泵閥門開到1/4),此時漿液注入2個囊袋內,漿液內的水分通過囊袋過濾排出,緩慢注漿可保證囊袋內的水分充分過濾排出。④爆破閥打開后,可加快注漿速度(完全打開注漿泵閥門),返漿管返漿后,對折關閉返漿管,繼續注漿(注漿泵閥門開1/4),注漿泵壓力達到1.5 MPa時(憋壓狀態)停止注漿。⑤注漿泵使用后,用清水洗凈外表及其內部,清洗干凈為止;整理現場,將各管路和設備合理歸置保存,沒用完的材料要放置在干燥通風處,防止失效。

3 工程試驗效果分析

3.1 鉆孔設計

煤層施工區域為215膠帶巷切眼至停采線區域,共3 000 m,切眼向外2 034 m段每6 m施工1個煤層預抽鉆孔,設計鉆孔340個;切眼向外2 034 m至切眼向外2 624 m段每10 m施工1個煤層預抽鉆孔,設計鉆孔59個;切眼向外2 624 m至停采線段每15 m施工1個煤層預抽鉆孔,共施工27個本煤層預抽鉆孔,所有鉆孔孔深均為280 m,鉆孔與巷道中線夾角90°,考慮到施工時鉆頭下沉,施工傾角為1°～3°。鉆孔孔口位置距巷道底板1.5 m。工程試驗選用其中的15個鉆,分成3組試驗對象,主要為囊袋式新型兩堵一注封孔、普通兩堵一注封孔方式、水泥砂漿單堵頭封孔方式,如圖4所示。

圖4 對比試驗鉆孔布置示意

3.2 配套裝備及工藝技術

鉆機采用CMSI-6500/75型履帶式鉆機和ZDY6000LD履帶式鉆機,3NB-350/6-15型往復式泥漿泵,鉆頭為φ96 mm三翼內凸鉆頭,鉆桿為φ73 mm刻槽鉆桿,當鉆孔施工3 m后,安裝防噴孔裝置、連接抽采系統后正常施工鉆孔。

3.3 封孔效果分析

黃陵二號煤礦215膠帶機巷煤層鉆孔有試驗孔15個,封孔長度14 m,孔號(314、313、312、311、310)為囊袋式新型兩堵一注封孔方式,孔號(309、308、307、306、305)為普通兩堵一注封孔方式;孔號(304、303、302、301、300)為水泥砂漿單堵封孔方式;經過2個月抽采,分析在不同負壓下瓦斯抽采濃度,結果見表3。

鉆孔抽采濃度對應的點線圖如圖5所示。

由圖5可以看出,當鉆孔抽采負壓為26 kPa時,鉆孔抽采2個月后,濃度大于80%的有2個,平均濃度在71%。當鉆孔抽采負壓為24 kPa時,試驗鉆孔瓦斯濃度普遍高于26 kPa時的瓦斯抽采濃度,抽采負壓在15 kPa和30 kPa時濃度普遍較26 kPa和24 kPa低,也說明最優抽采負壓為26 kPa。

當鉆孔抽采負壓為24 kPa時,鉆孔抽采2個月后,鉆孔309#～304#單孔濃度普遍在25%左右。鉆孔300#～303#由于在鉆場前進行施工的鉆孔,鉆孔受原鉆場串孔的影響,鉆孔濃度普遍較低。

從圖4、圖5中可以看出,鉆孔孔口抽采負壓對鉆孔單孔濃度影響較大。隨著孔口負壓增大,鉆孔抽采濃度降低比較明顯。

經現場鉆孔封孔技術指導后,掘進準備隊自行封孔,收集8個封孔觀測濃度見表4。

表4 試驗鉆孔封孔后瓦斯濃度變化情況

由表4可以看出,經過2個月的瓦斯抽采,新型封孔方式濃度大于70%的有4個,平均濃度在65%,采用普通的封孔后,瓦斯濃度大于70%的有3個,平均濃度在57%。分析可知,試驗對比孔的預抽濃度都隨著抽采時間呈波動上升趨勢,濃度變化趨勢也不同,新型封孔方式下瓦斯抽采鉆孔濃度明顯高于普通封孔和水泥砂漿封孔。

在采用新型封孔方式后,巷道的試驗孔預抽瓦斯抽采濃度都有明顯的提升,鉆孔抽采濃度是鉆孔封孔效果的主要評價指標,試驗孔平均瓦斯抽采濃度明顯高于對比孔,說明在采用改變封孔材料等措施,優化封孔工藝后,封孔效果明顯提升,新型囊袋式封孔器效果更好,同時實現帶壓注漿,有效保證了整體封孔效果,較好地解決了當前瓦斯抽采鉆孔封孔存在的問題。

4 結論

(1)新型囊袋封孔器不僅簡化了封孔工藝,同時提高了鉆孔的抽采濃度,鉆孔平均濃度達到70%,大大提高了鉆孔抽采效果。

(2)工程試驗可以看出,鉆孔抽采負壓增大容易導致鉆孔抽采濃度降低,建議預抽鉆孔抽采負壓按照26 kPa進行控制。

(3)在封孔工藝優化后,封孔接抽后鉆孔平均瓦斯抽采濃度在65%,改進封孔工藝后的封孔效果明顯提升。