深部煤層漏氣鉆孔精準堵漏技術研究

宋路路

(潞安礦業有限責任公司 王莊煤礦, 山西 長治 046000)

近年來,隨著煤層開采深度的不斷加深以及復雜特殊的煤層地質條件,使得所開采煤層具有瓦斯含量大、壓力高、強吸附、低滲透等特征,瓦斯災害帶來的安全生產威脅愈加嚴重。瓦斯采前預抽是當前瓦斯治理的主要技術手段[1],鉆孔初次封孔完成后,由于受地應力活動、采掘及抽采負壓等多因素的影響,會出現瓦斯抽采濃度下降、純量低和鉆孔漏氣嚴重等問題,瓦斯抽采鉆孔的封孔質量決定了瓦斯抽采效果。相關學者就如何提高鉆孔密封性進行了探索。周福寶等[2]提出了在鉆孔周圍施工小鉆孔并放入微細膨脹粉料,利用高壓氣體將粉料在壓差作用下送入鉆孔內部,滲入鉆孔周邊裂隙,封堵鉆孔漏氣通道;王兆豐等[3]為解決因封孔失效而造成鉆孔抽采效果不佳的問題,提出了“破孔、透孔、分段封孔”三步走的破孔二次封孔方法;岳漢[4]提出了在抽采鉆孔周邊施工小直徑鉆孔,并向小直徑鉆孔內注漿以達到增強鉆孔密封性的目的;熊偉[5]通過在鉆孔應力集中區和原始應力區交界位置施工環形縫槽,增強原封孔工藝的密封效果,對失效鉆孔進行修復處理。鑒于上述研究成果,以治理王莊煤礦91-208運巷低濃漏氣鉆孔為工程背景,在分析鉆孔漏氣規律的基礎上,提出了漏氣鉆孔精準堵漏提高瓦斯抽采濃度技術并于井下進行了現場試驗,以期增強鉆孔密封性,延長鉆孔服務期限。

1 鉆孔孔內注漿堵漏提濃原理

鉆孔孔內注漿堵漏提濃技術原理如圖1所示。該技術基于“兩堵一注”的主體思路,對于已初次封孔定型的低濃鉆孔,通過對鉆孔孔內不同位置的瓦斯濃度進行檢測,分析瓦斯濃度變化,明確鉆孔主要漏氣區域后,將兩個可膨脹回收膠囊穿過抽采管送入鉆孔內,注壓膨脹后在兩個膠囊中間形成密閉封孔段,隨后在密封區域帶壓注入微膨脹性封孔材料,待漿液凝固后,達到強化鉆孔周圍煤巖體固結、減小抽采鉆孔圍巖后期蠕變程度的作用。這種方式不僅可以擴展鉆孔周邊裂隙,增大漿液擴散范圍,實現對抽采鉆孔周圍煤巖體發育裂縫的有效滲透封堵,并且可以在帶壓注漿的作用下,將漿液滲入到煤體微小裂隙內部,從而對鉆孔施工、負壓抽采過程中鉆孔壁及周圍煤巖中產生的裂隙實現有效封堵,提高瓦斯抽采效果,延長鉆孔抽采服務周期。

1—煤層;2—注漿管;3—抽采管;4—初次封孔段;5—外封孔膠囊;6—卸壓閥;7—煤層裂縫;8—里封孔膠囊;9—錐形堵頭圖1 鉆孔堵漏提濃技術原理示意圖

該技術可通過調整注漿管的長短實現孔內堵漏,注漿封孔段深度、長度的便攜調節,有針對性地對鉆孔內主要漏氣區間進行注漿堵漏,且采用單通道注漿方式進行孔內注漿堵漏,通過逐步提升注漿壓力完成封孔膠囊膨脹、卸壓閥出漿等操作,整體工藝便捷,有利于提高注漿提濃效率,減少施工工作量。

2 試驗過程

2.1 工程概況

王莊煤礦91-208運巷為高瓦斯巷道,巷道設計長度2471 m,巷道位置見圖2. 該巷道目前采用順層鉆孔進行瓦斯治理,鉆孔設計長度120 m,下12 m深外徑75 mm、內徑62 mm的PVC抽采管,采用“兩堵一注”囊袋式封孔工藝進行鉆孔封孔,封孔長度10 m,鉆孔設計抽采負壓14.5 kPa.

圖2 91-208運巷分布位置圖

由于該巷道初次封孔質量較差,隨著抽采時間變長,鉆孔抽采濃度衰減變化較快,部分鉆孔存在鉆孔漏氣和煤壁漏氣情況,鉆孔深部瓦斯難以抽出,容易產生抽采空白帶。因此,有必要對漏氣鉆孔實施精準堵漏工藝,增強鉆孔密封性。

2.2 鉆孔漏氣位置檢測

在堵漏注漿提濃試驗開始前,為確定合理的注漿位置,首先對漏氣鉆孔不同深度的瓦斯濃度進行檢測,以找到鉆孔的漏氣位置,進而確定最佳注漿封孔深度。選取91-208運巷中3個低濃鉆孔作為試驗對象,鉆孔編號分別為S1#、S2#、S3#. 分別對該3個鉆孔內12 m、13 m、14 m、15 m、16 m、17 m、18 m、19 m、20 m位置的瓦斯濃度進行檢測,檢測數據見圖3.

圖3 鉆孔不同深度漏氣情況圖

由圖3可以看出,鉆孔從12～20 m位置處的漏氣情況,在孔內12～16 m瓦斯濃度曲線較為平緩,漏氣程度雖然較輕,但也存在一定的瓦斯濃度衰減情況,在孔內16～20 m瓦斯濃度曲線明顯較陡,瓦斯濃度由鉆孔以里向外出現快速衰減,漏氣較為嚴重。即使在鉆孔內20 m相對較深的位置,試驗鉆孔瓦斯抽采濃度最高也只有56.2%,說明煤體裂隙及孔壁裂隙普遍發育,雖可以通過增加注漿封孔深度對深部裂隙進行封堵,但這也減少了鉆孔有效抽采長度,同時也使推送裝置的難度增加。綜合考慮鉆孔漏氣位置及注漿施工困難程度,將堵漏封孔段確定為12～20 m.

2.3 鉆孔注漿情況

在對S1#、S2#、S3#三個漏氣鉆孔堵漏注漿過程中,注漿壓力1～1.5 MPa,注漿量均達到75 kg,裝置封孔深度20 m,漿液在注漿壓力作用下向煤層中持續流動擴散。可以看出此類鉆孔周圍裂隙較為發育,且裂隙之間相互貫通,在抽采過程中極易出現漏氣情況。

3 結果與分析

3.1 試驗鉆孔提濃效果考察

在注漿前后分別對試驗鉆孔的抽采濃度進行了觀測,觀測數據見圖4,并對鉆孔濃度的數據變化進行了處理分析,數據結果見圖5. 分析圖4,5數據可知,采用堵漏提濃技術后,注漿試驗鉆孔的瓦斯抽采濃度均有明顯提升,S2#鉆孔絕對瓦斯濃度提升量達到了56%,其余鉆孔絕對瓦斯濃度提升量均在45.4%以上;S3#鉆孔相對瓦斯濃度提升量達到了709%,其余鉆孔相對瓦斯提升量濃度均在373%以上。由此可見,注漿后鉆孔提濃效果明顯,該技術不僅能對鉆孔周圍煤巖體中的裂隙實現有效封堵,隔絕巷道空氣進入鉆孔內部通道,而且能對鉆孔初次封孔段受長期抽采活動而存在的蠕變漏氣處進行二次注漿修復,鉆孔密封性得到明顯增強。

圖4 試驗鉆孔瓦斯抽采濃度注漿前后圖

圖5 試驗鉆孔瓦斯濃度提升量圖

3.2 周邊鉆孔提濃效果考察

對試驗鉆孔周邊孔Z1#、Z2#、Z3#和Z4#注漿前后的瓦斯抽采濃度進行觀測及數據處理,見圖6,7. 分析圖6,7數據可知,采用鉆孔堵漏提濃技術后,試驗孔周邊鉆孔抽采濃度也有小幅度的提升,單孔絕對瓦斯抽采濃度、相對瓦斯抽采濃度分別最大提升了22.6%、218.9%,說明鉆孔堵漏提濃技術不僅能夠在一定程度上提升漏氣鉆孔的抽采濃度,對漏氣鉆孔附近一定范圍內的鉆孔瓦斯抽采濃度也具有提升作用,該現象也說明該工藝能對試驗鉆孔周圍的孔裂隙實現有效封堵。

圖6 周邊孔瓦斯抽采濃度注漿前后圖

3.3 試驗鉆孔瓦斯抽采濃度變化規律

為進一步研究試驗鉆孔的瓦斯抽采濃度隨抽采時間的變化規律,在鉆孔注漿完成后,對試驗鉆孔前35 d的瓦斯抽采濃度進行跟蹤觀測,觀測數據見圖8.

圖8 鉆孔抽采濃度隨時間變化曲線圖

由圖8可以看出,提濃鉆孔在抽采35 d后,試驗鉆孔最大瓦斯抽采濃度仍能達到57.8%,雖在抽采過程中受抽采負壓、采掘活動、瓦斯運移等因素的影響,各鉆孔均出現了濃度小幅衰減,衰減濃度在10%左右,但提濃鉆孔整體上仍能保持較高較穩定的瓦斯抽采濃度。由此可見,漏氣鉆孔在進行孔內注漿堵漏提濃后,不但鉆孔封孔段的密封性得到修復增強,且抗蠕變變形能力也得到了一定的提升,在一定時間抽采后,鉆孔仍能保持較好的密封效果。

4 結 論

1) 通過分析抽采鉆孔漏氣規律,并對孔內不同深度瓦斯濃度進行檢測,得到鉆孔孔內12～16 m為漏氣平緩區域,16～20 m為漏氣嚴重區域。

2) 提出了漏氣鉆孔精準堵漏提濃技術,現場試驗表明該技術不僅能夠對鉆孔周圍煤巖體中的裂隙實現有效封堵,提升注漿試驗孔的瓦斯抽采濃度,還對試驗鉆孔附近一定范圍內的抽采鉆孔濃度具有提升作用。

3) 提濃鉆孔瓦斯抽采濃度隨抽采時間的延長整體上仍能保持較高較穩定的抽采濃度,表明注漿后鉆孔封孔段密封性得到修復增強,并且抗蠕變變形能力也得到了一定的提升。