平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實踐

任保紅+郝延坤

【摘 要】預抽煤層瓦斯可以降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，達到消除煤與瓦斯突出危險性的目的。通過對平寶公司傳統(tǒng)本煤層順層鉆孔瓦斯抽采工藝進行分析，找出缺點并提出了改進措施。將改進后的封孔工藝和傳統(tǒng)封孔工藝進行對比分析，發(fā)現(xiàn)改進工藝在瓦斯抽采濃度和有效瓦斯抽采時間上都大幅度提高。

【關鍵詞】安全技術；煤與瓦斯突出；瓦斯抽采；鉆孔封孔

0 引言

近年來，河南煤炭淺部資源日益減少，礦山相繼進入深部開采狀態(tài)，煤與瓦斯突出礦井的數(shù)量越來越多，平頂山煤業(yè)集團公司東部礦區(qū)煤與瓦斯突出災害尤為嚴重。特別是2007年11月份以來平煤十礦、十三礦均發(fā)生煤與瓦斯突出傷人事故。而位于平頂山東部礦區(qū)的平寶公司，根據(jù)瓦斯鑒定結果，己組煤層瓦斯壓力為1.38MPa、瓦斯含量最大為19m3/t，具有煤與瓦斯突出危險性。

煤與瓦斯突出是地應力、煤層瓦斯壓力和煤的物理力學性質共同作用的結果。開采解放層和預抽煤層瓦斯壓力是治理煤與瓦斯突出事故的兩種區(qū)域措施。對平寶公司來說，目前預抽煤層瓦斯是消除突出危險性最根本的手段，通過抽放可以降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，達到消除煤與瓦斯突出的目的。預抽煤層瓦斯措施中本煤層順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯一直是個難點問題。平寶公司主采煤層埋藏較深（平均800m以上）地應力較大、在煤層較軟（f﹤0.2）、煤層透氣性較低（λ=0.085）的情況下，本煤層順層瓦斯抽采鉆孔施工難度大，封孔質量不高，鉆孔封孔后存在不同程度的漏氣現(xiàn)象，影響了瓦斯抽采效果。因此提高封孔質量，保證鉆孔瓦斯抽放效果就顯得尤為重要。

1 存在問題及分析

1.1 傳統(tǒng)封孔工藝及存在問題

傳統(tǒng)的本煤層封孔工藝采用？覫50mm，長度20m封孔管，用6組共12袋礦用封孔藥進行封孔，每組藥之間相隔0.8m，其中封孔管末端篩管的長度為4m。全長20m的封孔管，除去封孔管末端的4m篩管長度還剩余16m，6組封孔藥的位置處于10—15m范圍內(nèi)，封孔位置處于煤體裂隙發(fā)育的區(qū)域。鉆孔封孔后存在不同程度的漏氣現(xiàn)象，抽放負壓大量浪費，很難有效將煤體深部的瓦斯抽放出來。另外由于受高地應力及巷道周圍集中應力的影響，在瓦斯抽采一定時間后 鉆孔封孔管存在不同程度的擠扁現(xiàn)象，煤體深部的鉆孔變形垮塌甚至被重新壓實，煤層深部的瓦斯很難被有效抽采出來，很難徹底消除煤層突出危險性。

1.2 問題分析

巷道開掘后，周圍煤體的原始應力分布遭到破壞，周圍煤體的應力將向巷道周圍轉移，進行重新分布，巷道周圍煤體的變形區(qū)域及垂直應力分布如圖1所示[1]。

在圖1中，曲線1為巷道周圍煤體發(fā)生彈性應變的應力曲線，曲線2為巷道周圍煤體發(fā)生彈塑性應變的應力曲線。區(qū)域Ⅰ—煤體破裂區(qū)，區(qū)域Ⅱ—塑性區(qū)，區(qū)域Ⅲ—彈性區(qū)應力升高部分，區(qū)域Ⅳ—原始應力區(qū)。

巷道開掘后，引起應力重新分布，巷道上方的垂直應力將向兩幫轉移，首先在高應力作用下，巷道兩幫煤體將發(fā)生彈性形變。根據(jù)實驗測定結果，平寶公司煤層硬度系數(shù)f值一般在0.3以下，煤質較軟。巷道周圍的煤體在高應力作用下達到極限強度后，由彈性形變轉變?yōu)樗苄孕巫儯髮⒃獾狡茐?，煤體破裂，破裂區(qū)域不能支撐巷道上方轉移過來的應力，高應力繼續(xù)向煤體深部轉移。實際上，受巷道開掘的影響，巷道周圍煤體不可能只發(fā)生彈性形變，即曲線1不存在或者只存在很短時間，巷道開掘應力重新分布穩(wěn)定后，實際存在的將是曲線2，巷道周圍煤體發(fā)生破壞，應力逐漸向煤體深部轉移，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)，應力分布趨于穩(wěn)定，煤體破裂區(qū)域之后是煤體發(fā)生塑性形變區(qū)域，之后是煤體發(fā)生彈性形變區(qū)域，再之后是煤體原始應力區(qū)域。

在煤體區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ內(nèi)，煤體發(fā)生破裂和塑性形變，裂隙比較發(fā)育，及圖1-1中x0區(qū)域內(nèi)，煤體裂隙比較發(fā)育，在區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ內(nèi)，煤體只發(fā)生彈性形變或者沒有發(fā)生形變，煤體比較致密，裂隙不發(fā)育。

一般情況下，順層鉆孔施工長度普遍大于70m，傳統(tǒng)封孔管長度為20m，除去封孔管末端篩管的長度，鉆孔封孔段的位置一般停留在圖1-1中的x0區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)應力高，煤體裂隙發(fā)育，鉆孔封孔密封性差，封孔管易壓扁變形，x0區(qū)域以里的鉆孔極易垮塌壓實，使得煤體深部的瓦斯很難有效抽采。因此準確確定圖1-1中x0區(qū)域的長度并采取相應措施，就顯得尤為重要。

2 巷道周圍塑性區(qū)的寬度確定

運用巖體的極限平衡理論[2]，塑性區(qū)的寬度，即支撐應力峰值與煤體邊緣之間的距離x0為[1]：

其次，及時鉆孔封孔段區(qū)域避開煤體裂隙發(fā)育區(qū)域位于15m以里，也不可避免煤體內(nèi)仍有裂隙的存在，從而造成封孔不嚴，抽采效果差，因此必須保證封孔段區(qū)域鉆孔周圍煤體裂隙充分封閉，將原先的聚氨酯藥袋封孔改為膨脹水泥帶壓注漿封孔，充分封閉鉆孔周圍煤體裂隙，提高密封效果。

第三，為解決鉆孔深部容易垮塌變形甚至被壓實的情況，必須增加鉆孔封孔管的長度，即將封孔管的長度由原來的20m增加至和鉆孔深度相同的長度（不低于70m）。

第四，鉆孔封孔管長度增加以后，會穿過如圖1-1中所示的區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的應力升高部分，該部分由于應力集中，聚乙烯封孔管在高應力作用下受煤體內(nèi)較高溫度的影響極易發(fā)生擠壓變形，影響到鉆孔瓦斯抽采效果。因此，以封孔管15m為中心點向外5m、向里10m范圍內(nèi)增加封孔管的抗壓強度，在封孔管內(nèi)置“十字型”支撐骨架，提高封孔管擠壓性能。

3 現(xiàn)場實驗應用

3.1 實驗方案

選取部分鉆孔，封孔管長度由20m增加至50m，將封孔段區(qū)域移至15～20m范圍內(nèi)，采用膨脹水泥帶壓封孔，并將鉆孔封孔管10～25m范圍區(qū)域內(nèi)增加內(nèi)置“十字型”支撐骨架。按照該方案要求在平寶公司己15-17—12061機巷進行實驗，選取144#、146#、148#三個鉆孔連續(xù)測定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時間為1個月。與之相鄰鉆孔三個鉆孔143#、145#、147#按照傳統(tǒng)封孔工藝進行封孔，連續(xù)測定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時間為1個月，然后計算144#、146#、148#三個鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，同時計算143#、145#、147#三個鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，并將以上兩個平均值進行對比分析。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

按照上述實驗方案，將改進封孔工藝后的三個鉆孔33天瓦斯抽采濃度和傳統(tǒng)封孔工藝的三個鉆孔33天瓦斯抽采平均濃度進行相互對比，對比情況如圖2所示。

從圖2中可以明顯看出兩種不同封孔工藝瓦斯?jié)舛入S時間變化的情況。傳統(tǒng)封孔工藝封孔后從42.5%的初始瓦斯抽采濃度，經(jīng)過一天后驟減至19%，經(jīng)過三天后迅速衰減至10%以下，然后長期穩(wěn)定在3%左右，瓦斯抽采效果較差，很難有效抽放煤體深部的瓦斯。按照改進后的封孔工藝，瓦斯抽采初始濃度可以高達90%以上，經(jīng)過10天后，鉆孔瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在20%以上，然后緩慢衰減，長期穩(wěn)定在10%以上，大大提高了鉆孔瓦斯抽采濃度和有效抽放周期。

改進后的封孔工藝增加了封孔管的長度，有效降低鉆孔垮塌變形對瓦斯抽采的不利影響；封孔段區(qū)域向煤體深部移動，用膨脹水泥封孔，有效減少煤體裂隙對封孔的影響，提高了鉆孔密封效果；在封孔管10～25m范圍內(nèi)進行加固，減少了封孔管受擠壓變形對煤體深部瓦斯抽采的影響。改進后的封孔工藝和傳統(tǒng)封孔工藝相比提高了瓦斯抽采濃度，延長了鉆孔瓦斯有效抽采時間，對鉆孔深部煤體瓦斯抽采更加有效，消除煤與瓦斯突出危險性的效果大幅度提高。

4 結論

通過以上分析可以容易得到以下結論：

1）順層鉆孔封孔段區(qū)域避開煤體裂隙發(fā)育區(qū)域并用膨脹水泥注漿對鉆孔封孔可以有大幅度減少煤體的裂隙，提高鉆孔的密封性，提高鉆孔瓦斯抽采濃度和延長鉆孔有效瓦斯抽采時間。

2）通過延長鉆孔封孔管，并對鉆孔應力增高部分對應的封孔管進行加固，提高其抗壓性能，減少封孔管受擠壓變形，可以延長鉆孔的有效抽采時間，提高對鉆孔深部煤體瓦斯抽采效果。

3）本文提出的改進封孔工藝相比之前的傳統(tǒng)封孔工藝在瓦斯抽采濃度和有效瓦斯抽采時間上都大幅度提高，可以在平寶公司大力推廣。

【參考文獻】

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[2]華安增.礦山巖石力學基礎[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1980.

[責任編輯：王偉平]