馬蘭礦囊袋式注漿封孔技術的應用

王玉豪

(西山煤電集團有限責任公司 通風處，山西 太原 030053)

·試驗研究·

馬蘭礦囊袋式注漿封孔技術的應用

王玉豪

(西山煤電集團有限責任公司 通風處，山西 太原 030053)

針對馬蘭礦本煤層瓦斯抽采漏氣嚴重，鉆孔封堵效果差的問題，采用數(shù)值模擬的方法，分析了10610工作面軌道巷側的應力分布，并結合巷道掘前預抽情況以及抽采管的實際尺寸確定了合理封孔深度為19 m. 介紹了囊袋式注漿封孔技術。通過工程應用得出，囊袋式注漿封孔預抽瓦斯的平均濃度在100天內(nèi)仍保持為46%，相比之下聚氨酯封孔的瓦斯?jié)舛戎挥?7%，前者封孔取得了良好的抽采效果。

瓦斯抽采；合理封孔深度；囊袋式注漿封孔技術

瓦斯抽采是我國煤礦進行瓦斯災害預防的重要手段之一，通過預抽賦存于本煤層、臨近層、頂?shù)装逯械耐咚箍梢赃_到降低瓦斯含量與瓦斯壓力的雙重目的，進而可以安全掘進與采煤[1-3]. 封孔技術是瓦斯抽采的關鍵環(huán)節(jié)，如何提高抽采濃度以及防止巷道中的空氣吸入抽采管路是廣大工程技術人員首要考慮的封孔難題。

封孔難度在于封孔參數(shù)以及封孔技術的優(yōu)選。研究合理封孔深度常用經(jīng)驗法、鉆屑法以及數(shù)值模擬等方法[4-6]. 由于每個礦甚至每個工作面差異很大，因此利用臨近工作面的經(jīng)驗確定封孔深度不準確而且不合理；鉆屑法費工費時，但是能夠精準地確定出合理深度；數(shù)值模擬方法通過計算機數(shù)值計算，確定出巷幫的應力分布狀態(tài)，是一種低成本高效率的方法。周福寶等為了降低已經(jīng)封堵的鉆孔漏氣，采用了超細粉體顆粒對鉆孔周圍的裂隙進行封堵[7]. 黃鑫業(yè)等為了封堵鉆孔周圍的裂隙，對本煤層鉆孔進行分步封堵，達到封堵裂隙的目的[8]. 張超等采用“強弱強”帶壓封孔技術對本煤層鉆孔進行封堵[9]. 翟成等研制出了FG封孔材料和相應的本煤層動態(tài)封孔方法[10]. 王志明等針對瓦斯抽采動態(tài)的漏氣圈特性，將“封堵一體化”裝置應用到瓦斯抽采中，取得了良好的抽采效果[11].

筆者針對馬蘭礦抽采瓦斯?jié)舛鹊停椴陕鈬乐氐膯栴}，通過數(shù)值模擬的方法研究了馬蘭礦10610工作面的合理封孔深度，并分析了囊袋式注漿封孔技術在馬蘭礦的應用效果。研究結果可為同類礦井的本煤層瓦斯抽采提供借鑒。

1 10610工作面概況

10610工作面位于馬蘭礦南六采區(qū)，工作面走向長度975 m，傾斜長185 m，開采山西組2#煤，平均煤厚2.06 m，埋藏深度約為400 m. 煤巖層傾角3°～12°，平均6°，整個工作面陷落柱不發(fā)育。煤層及頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)見表1.

2 關于合理封孔深度的數(shù)值模擬

瓦斯抽采封孔深度必須要超過巷道兩幫卸壓區(qū)深度，以防止外界空氣經(jīng)由卸壓區(qū)裂隙進入抽采管路[12]；另外由于煤體應力峰值點的瓦斯?jié)B透率極低，所以為了避免抽采盲區(qū)的出現(xiàn)，封孔深度不得超過應力峰值點。因此，合理封孔深度應該介于卸壓區(qū)和應力峰值點之間。

利用數(shù)值模擬的方法對10610工作面軌道巷兩幫的應力分布進行研究，采用Mohr-Coulomb準則(以下簡稱M-C準則)作為各類巖體的屈服準則，M-C準則式(1)：

表1 煤層及頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)表

(1)

式中：

σt和σr—分別為巖體單元的切向應力和徑向應力，MPa；

φ—巖體內(nèi)摩擦角，(°)；

C—巖體的內(nèi)聚力，MPa.

數(shù)值模擬結果見圖1. 由于煤巷掘進，巷道圍巖發(fā)生塑性變形，應力出現(xiàn)重新分布。圍巖切向應力的分布云圖見圖1a)，由圖1a)可以看出，巷道兩幫卸壓區(qū)為0～6 m，峰值切向應力出現(xiàn)在煤體內(nèi)10 m處。巷幫徑向應力分布云圖見圖1b)，由圖1b)可以看出，在距巷道頂板18 m處以及距巷道底板10 m處出現(xiàn)應力集中。由于巷道開挖，巷道圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)域，該區(qū)域在煤層中達到了8 m，見圖1c). 根據(jù)數(shù)值模擬的結果可以初步確定10610工作面軌道巷的封孔深度為8～10 m.

圖1 數(shù)值模擬結果圖

考慮到10610工作面煤巷掘進過程中采用了千米鉆預抽掩護掘進的方法，為了防止由于在打鉆中出現(xiàn)“串孔”導致鉆孔漏氣，封孔深度應當大于煤巷掘進的掩護范圍。馬蘭礦10610工作面軌道巷的掩護范圍為15 m，因此封孔深度應當大于15 m. 由于馬蘭礦采用4 m/根的抽采管以及3 m/根的囊袋式封孔器，因此封孔深度可以定為4 m/根×4+3 m，即封孔深度最終定為19 m. 該深度雖然遠大于10 m的應力峰值點，但是該應力峰值點是在無掩護鉆進的情況下得出的，并且由于掘前的瓦斯預抽，封孔深度定為19 m后的抽采不會導致抽采空白帶的出現(xiàn)。

3 囊袋式注漿封孔技術

針對馬蘭礦采用原封孔方法導致漏氣嚴重，瓦斯?jié)舛鹊偷膯栴}，采用了河南理工大學開發(fā)的囊袋式注漿封孔技術并將該技術應用于10610工作面軌道巷的本煤層瓦斯預抽。

囊袋式注漿封孔技術的核心是囊袋式注漿封孔器，兩囊袋封孔器見圖2. 主要由復合囊袋、安全閥、注漿閥及引流裝置等部件組成。

圖2 囊袋式注漿封孔器圖

囊袋式注漿封孔技術原理為：

1) 將注漿管與引流裝置連接好后將兩囊袋封孔器放入本煤層鉆孔預定的封孔位置，同時準備注漿液。

2) 將準備好的漿液泵入封孔器，膨脹囊袋內(nèi)部首先充漿，注漿壓力下囊袋逐漸膨脹并接觸鉆孔壁。而后當注漿壓力達到0.8 MPa左右時，中間的注漿控制閥自動開啟，注漿壓力迅速降低至0；之后對兩囊袋之間的區(qū)域進行注漿，隨著漿液注滿中間區(qū)域，注漿壓力再次升高，當壓力值達到1 MPa時，安全控制閥開啟，注漿封孔結束。

通過囊袋式注漿封孔，鉆孔可以充分被封堵，并且注漿壓力可以為鉆孔壁提供主動支護作用，通過主動支護降低鉆孔的漏氣圈發(fā)育，進而降低鉆孔漏氣[13].

4 工程應用

將囊袋式注漿封孔技術應用到馬蘭礦10610工作面本煤層瓦斯預抽，以每個鉆孔聯(lián)管開始抽采為時間基點，統(tǒng)計每個鉆孔預抽100天的瓦斯?jié)舛?，并對比采用聚氨酯封孔的瓦斯?jié)舛?，統(tǒng)計結果見圖3.

圖3 預抽100天內(nèi)瓦斯?jié)舛葘Ρ惹€圖

由圖3可以看出，隨著預抽期延續(xù)，聚氨酯封堵的鉆孔瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)下降，在第100天平均瓦斯?jié)舛冉档椭?%，而采用囊袋式封孔技術的鉆孔瓦斯?jié)舛纫恢北３州^高的濃度，在第100天平均濃度為40%. 并且經(jīng)過100天的預抽聚氨酯封孔的平均瓦斯?jié)舛葹?7%，囊袋式注漿封孔技術的平均瓦斯?jié)舛葹?6%. 由此可以看出，囊袋式注漿封孔技術在10610工作面瓦斯抽采中發(fā)揮的效果優(yōu)于原來的聚氨酯封孔技術。

5 結 論

通過數(shù)值模擬以及工程試驗的方法研究了合理封孔深度和封孔技術這兩個瓦斯抽采中的關鍵問題，得出以下結論：

1) 馬蘭礦10610工作面軌道巷的卸壓范圍為0～6 m，塑性區(qū)范圍為8 m，峰值應力出現(xiàn)在10 m處，但是考慮到煤巷的掩護式掘進以及抽采管路的尺寸特點將封孔深度定為19 m.

2) 引入囊袋式注漿封孔技術，并結合現(xiàn)場實踐介紹了兩囊袋封孔器的工作流程。通過工程應用的對比，可以看出囊袋式注漿封孔技術可以有效地封堵本煤層鉆孔，預抽100天內(nèi)的瓦斯平均濃度為46%，遠高于聚氨酯的平均瓦斯?jié)舛?7%.

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ApplicationofGroutingSealingTechnologywithCapsularBaginMalanCoalMine

WANGYuhao

Aiming to the serious leakage of gas drainage for on-operating coal seam in Malan coal mine and the poor drainage effect, the research is carried out. The numerical simulation method is adopted to analyze the stress redistribution of the roadway 10610 zone, combining with the pre-drainage and the real size of the sealing pipes, the reasonable sealing depth is determined as 19 m. The bag grouting sealing method is introduced, the practice indicates that the gas concentrate by bag grouting sealing maintains 46% in 100d, by polyurethane sealing 17%, the former obtains better effect.

Gas drainage; Reasonable sealing depth; Grouting sealing technology with capsular bag

TD712+.6

：B

：1672-0652(2017)07-0011-03

2017-06-08

王玉豪(1989—)，男，山西平遙人，2012年畢業(yè)于河南理工大學，助理工程師，主要從事煤礦瓦斯抽采工作(E-mail)1738890421@qq.com