崔 偉

（晉能控股裝備制造集團(tuán)安全質(zhì)檢環(huán)保部，山西 晉城 048000）

瓦斯作為煤炭形成過(guò)程中的伴生產(chǎn)物，在煤層開(kāi)采過(guò)程中吸附于煤層孔隙和游離狀態(tài)的瓦斯會(huì)隨之涌出。隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的提高、開(kāi)采深度的加大，煤層賦存狀態(tài)愈發(fā)復(fù)雜，主要體現(xiàn)在地應(yīng)力高，動(dòng)壓顯現(xiàn)劇烈；煤層瓦斯壓力高，易發(fā)生煤與瓦斯突出；煤層滲透性低，瓦斯抽采效果不佳，瓦斯災(zāi)害防治面臨巨大挑戰(zhàn)[1-4]。此外，瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)作為瓦斯抽采工藝中的一項(xiàng)重要技術(shù)，直接影響煤層瓦斯的抽采效率?，F(xiàn)階段一些礦井瓦斯抽采率未達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，存在著較大的安全隱患。因此，有效的瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)是煤層瓦斯抽采作業(yè)的重要前提，同時(shí)也是消除煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要保障[5-10]。

寺河礦5310 綜采工作面煤層瓦斯隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，在抽采后期瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因是鉆孔圍巖在地應(yīng)力的作用下發(fā)生變形破壞，裂隙進(jìn)一步發(fā)育甚至與巷道圍巖塑性區(qū)貫通，導(dǎo)致瓦斯鉆孔初期密閉封堵失效。以寺河礦5310綜采工作面為工程背景，基于現(xiàn)有瓦斯抽采鉆孔封堵技術(shù)弊端，提出封堵一體化技術(shù)理念，研制三囊袋封堵一體化裝置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工要求，制定試驗(yàn)工作面煤層瓦斯抽采封堵一體化技術(shù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，為類(lèi)似地質(zhì)工況下煤層瓦斯抽采提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

晉煤集團(tuán)寺河礦位于山西省晉城市西偏北，距沁水縣城53 km，距晉城市區(qū)70 km。井田南北走向約12 km，東西傾斜寬約14.4 km，井田面積約173.2 km2，核定生產(chǎn)能力10.80 Mt/a。東五盤(pán)區(qū)5310 大采高綜采工作面為現(xiàn)階段主采工作面，走向長(zhǎng)度1 191.2 m，傾斜長(zhǎng)度296.2 m，采高為6 m，煤層傾角為4°～10°，平均約3°。工作面直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度約3.49 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度為6.23 m；直接底為粉砂巖，平均厚度為1.3 m；基本底為細(xì)粒砂巖，平均厚度為2.06 m。5310 工作面南鄰5309 工作面（已采），北接5311工作面（布置中），西為東五盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸巷（正掘）。工作面采用“兩進(jìn)一回”方式進(jìn)行通風(fēng)，工作面瓦斯來(lái)源主要為5310 工作面開(kāi)采涌出和5309工作面采空區(qū)涌入。工作面相對(duì)瓦斯涌出量為3.27 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為22.71 m3/min，原始瓦斯含量為6.5～10 m3/t，瓦斯壓力0.49～1.87 MPa，根據(jù)工作面其他參數(shù)顯示，5310 工作面屬于可抽放煤層。

2 封堵一體化封堵技術(shù)研究

2.1 封堵一體化技術(shù)理念

瓦斯抽采鉆孔密封技術(shù)作為瓦斯抽采工藝中的一項(xiàng)重要技術(shù)，不僅是針對(duì)鉆孔前期布置及抽采管路的封堵，同時(shí)也要滿足抽采服務(wù)期內(nèi)鉆孔受地應(yīng)力作用下的使用要求，不出現(xiàn)漏氣、抽采效率低的現(xiàn)象。但是實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段我國(guó)煤層瓦斯抽采中常用的三種鉆孔密封技術(shù)，在前期使用階段瓦斯鉆孔封堵效果較好、瓦斯抽采率高，但隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是鉆孔布置時(shí)破壞圍巖結(jié)構(gòu)滋生裂隙，鉆孔初步封堵時(shí)僅封堵部分裂隙，隨著瓦斯抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆孔圍巖在地應(yīng)力的作用下發(fā)生變形破壞，裂隙進(jìn)一步發(fā)育甚至與巷道圍巖塑性區(qū)貫通，進(jìn)而導(dǎo)致密閉封堵失效，出現(xiàn)煤層瓦斯抽采效率低的應(yīng)用現(xiàn)狀。

為解決瓦斯抽采后期鉆孔圍巖受壓影響導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展造成鉆孔漏氣難題，本文提出一種瓦斯抽采“封堵一體化”技術(shù)理念，即：在鉆孔布置后先采用注漿材料進(jìn)行鉆孔充填封孔，封閉由擾動(dòng)造成的鉆孔圍巖裂隙，之后在鉆孔使用周期內(nèi)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，充填由地應(yīng)力作用滋生的鉆孔裂隙，防止裂隙貫通漏氣。

2.2 三囊袋封堵一體化裝置

現(xiàn)階段我國(guó)煤層瓦斯抽采鉆孔密封大致可分為三類(lèi)：水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔以及封孔器封孔，三者在使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)上均存在明顯的差異性。水泥砂漿封孔對(duì)于鉆孔施工角度要求較高，一般適用于傾斜鉆孔，對(duì)于緩傾斜和近水平鉆孔注漿封口效果不佳；聚氨酯封孔具有封孔迅速的優(yōu)勢(shì)，但固結(jié)泡沫強(qiáng)度較低，在鉆孔擠壓下易破碎導(dǎo)致封孔失效；封孔器封孔可重復(fù)利用封孔器，但封孔使用的膨脹膠囊對(duì)于鉆孔內(nèi)部的發(fā)育裂隙不能實(shí)現(xiàn)完全密封，長(zhǎng)期使用效果不佳。大量工程反饋結(jié)果顯示，抽采鉆孔的密封性不僅體現(xiàn)在初次封孔階段，對(duì)于后期鉆孔裂隙發(fā)育時(shí)再次封堵依然重要。

為實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔的初期封閉和使用后期封堵，研制了三囊袋封堵一體化裝置如圖1 所示。該裝置主要由5 部分組成，分別是囊袋（1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)）、注漿管、壓力控制閥（1 號(hào)、2 號(hào)）、堵漏管以及導(dǎo)漿管。其中壓力控制閥為單向閥，根據(jù)注射漿液壓力進(jìn)行控制，1 號(hào)壓力控制閥設(shè)置壓力值為0.7 MPa，2 號(hào)壓力控制閥設(shè)置壓力值為1.4 MPa。該裝置的使用流程簡(jiǎn)述如下：

圖1 三囊袋封堵一體化裝置

首先漿液通過(guò)注漿管依次流向3 個(gè)囊袋，3 個(gè)囊袋在漿液的持續(xù)注射下逐漸充滿緊貼鉆孔內(nèi)壁，封閉鉆孔內(nèi)明顯的裂隙。隨著持續(xù)注射漿液，漿液中的水在注漿壓力的作用下逐漸從漿液中滲出囊袋，囊袋中的漿液濃度升高，逐漸達(dá)到1 號(hào)壓力控制閥設(shè)置的壓力值。此時(shí)，1 號(hào)壓力控制閥打開(kāi)，漿液流入1 號(hào)注漿段對(duì)鉆孔圍巖進(jìn)行裂隙封閉。隨著注漿液體的持續(xù)注入，漿液通過(guò)導(dǎo)漿管流入2 號(hào)注漿段，完成該區(qū)域鉆孔圍巖裂隙的封閉注漿。隨著瓦斯抽采的持續(xù)進(jìn)行，鉆孔圍巖在地應(yīng)力的作用下發(fā)生變形破壞，裂隙進(jìn)一步發(fā)育甚至與巷道圍巖塑性區(qū)貫通。此時(shí)需對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵注漿，將堵漏管與注漿泵相連，漿液依次流經(jīng)3 個(gè)囊袋，而2 號(hào)囊袋中間有一道束帶，造成漿液流經(jīng)此處時(shí)形成環(huán)形注漿槽，正好與堵漏管的出漿口接合。隨著漿液的持續(xù)注射，形成的環(huán)形注漿槽引導(dǎo)漿液對(duì)鉆孔內(nèi)壁發(fā)育的裂隙進(jìn)行充分填堵，完成后期注漿封堵。

2.3 裂隙堵漏材料制備及試驗(yàn)結(jié)果

大量的現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用結(jié)果顯示，瓦斯抽采鉆孔受地應(yīng)力作用影響，鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育差異性較大。主要存在三種裂隙孔：孔徑小于0.1 μm 的是吸附孔；孔徑大于0.1 μm，小于1 μm 的是滲流孔；孔徑大于1 μm 的是裂隙孔。瓦斯抽采注漿封堵對(duì)于三種不同發(fā)育的裂隙均要有適用性，故而裂隙堵漏材料應(yīng)具備可注性、快速凝結(jié)性以及良好的流動(dòng)性。

研制—種異氰酸酯改性水玻璃基堵漏材料，該材料屬有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。采用多苯基多亞甲基多異氰酸酯(PAPI)、水玻璃(SG)及復(fù)合催化劑(CAT)，分別對(duì)三種變量進(jìn)行組合配比。通過(guò)對(duì)16組材料配比研究發(fā)現(xiàn)，PAPI 與SG 控制在4:1 時(shí)，堵漏材料的性能最好。進(jìn)行了煤巖裂隙注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 不同材料注漿后煤柱變化情況

圖2 為ISG 和水泥兩種材質(zhì)裂隙注漿斷面圖。由圖可以看出，在相同的注漿壓力下，ISG 材質(zhì)對(duì)于煤柱體大小裂隙均有很好的封閉作用，而水泥只是針對(duì)一些較大裂隙完成了封堵，難以注入小裂隙中。同時(shí)，采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩者試樣強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，ISG 材質(zhì)注漿煤樣試塊平均強(qiáng)度約為7.4 MPa，而采用水泥注漿后的煤樣試塊平均強(qiáng)度僅為3.5 MPa，隨著水泥養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，強(qiáng)度有所提升。此外，ISG 材質(zhì)具有較好的流動(dòng)性和可注性，由煤柱體外表面逐漸向柱體中心流動(dòng)，流經(jīng)區(qū)域封閉裂隙，相比于水泥具有更好的裂隙封堵效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1）封孔深度優(yōu)化

封孔深度作為一項(xiàng)重要參數(shù)直接影響瓦斯抽采效果。若封孔深度不足，不僅無(wú)法達(dá)到瓦斯抽采效果，反而會(huì)導(dǎo)致巷道卸壓區(qū)與鉆孔卸壓區(qū)圍巖裂隙貫通造成鉆孔漏氣；若封孔深度過(guò)深，不僅增加封孔器材及抽采管路安裝及插入困難程度，同時(shí)，封孔部分的煤巖體裂隙處于封閉狀態(tài)，形成一個(gè)抽采空白帶瓦斯難以抽出。根據(jù)已有研究成果顯示，瓦斯抽采鉆孔封孔深度不應(yīng)低于煤壁卸壓帶寬度。故而，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程反饋情況，隨著巷道開(kāi)挖，煤壁深處應(yīng)力集中點(diǎn)距離煤壁約6.8 m，應(yīng)力集中區(qū)域距煤壁最大距離約12 m。從理論上得出的鉆孔合理封孔深度應(yīng)大于6.8 m，小于12 m，而現(xiàn)場(chǎng)53103進(jìn)風(fēng)巷采用的是掩護(hù)式掘進(jìn)，消突鉆孔的掩護(hù)范圍距離煤壁至少應(yīng)保證13 m。故而，為防止發(fā)生掩護(hù)式鉆孔與抽采鉆孔之間的串孔，封孔設(shè)計(jì)深度確定為15 m。

2）試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)巷道選擇東五盤(pán)區(qū)5310 大采高綜采工作面53103 進(jìn)風(fēng)巷，瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)深度為120 m，孔間距為4 m，鉆孔傾角為-3°，方位角111°，鉆孔直徑為94 mm，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3。此次采用封堵一體化技術(shù)的瓦斯抽采鉆孔布置80 個(gè)，原礦方使用的“兩堵一注”封孔瓦斯抽采鉆孔布置50 個(gè)。上述瓦斯抽采鉆孔布置完成后連接抽采管路，對(duì)于采用封堵一體化技術(shù)的瓦斯抽采鉆孔先使用普通425 硅酸鹽水泥進(jìn)行初次封閉裂隙，抽采30 d 后使用PAPI 與SG 控制在4:1 的ISG 堵漏材料進(jìn)行鉆孔衍生裂隙封堵，而另一組對(duì)比瓦斯抽采鉆孔全程使用普通425 硅酸鹽水泥進(jìn)行封堵裂隙。

圖3 5310 綜采工作面及瓦斯抽采鉆孔布置圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)巷道進(jìn)行為期100 d 的瓦斯抽采鉆孔濃度監(jiān)測(cè)，兩種不同鉆孔封堵技術(shù)下鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€如圖4。由圖可知，在采用堵漏處理前，采用封堵一體化技術(shù)的鉆孔瓦斯抽采濃度高于兩堵一注鉆孔。這是由于封堵一體化技術(shù)裝置設(shè)置有三個(gè)囊袋，漿液流經(jīng)后囊袋充滿貼合鉆孔內(nèi)壁，同時(shí)在壓力控制閥的作用下使?jié){液充分注入裂隙，故而導(dǎo)致鉆孔內(nèi)壁裂隙封閉較為完全，瓦斯抽采效果較好。在30 d 后采用堵漏處理，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔衍生裂隙的二次封堵。在100 d 時(shí)采用封堵一體化技術(shù)的鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?9.6%，而采用兩堵一注的鉆孔受地應(yīng)力影響鉆孔內(nèi)壁裂隙衍生，未進(jìn)行后期裂隙封堵處理造成裂隙發(fā)育貫通瓦斯漏氣，鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?7.2%，鉆孔瓦斯?jié)舛壬仙?2.4%。由此說(shuō)明，封堵一體化封孔技術(shù)更適用于煤層瓦斯抽采鉆孔的封堵。

圖4 瓦斯抽采鉆孔濃度變化曲線圖

通過(guò)對(duì)比兩種不同的注漿封孔技術(shù)可以看出，封堵一體化技術(shù)明顯優(yōu)于礦井原采用的兩堵一注技術(shù)，前者在30 d 內(nèi)鉆孔瓦斯抽采濃度達(dá)到后者的1.6倍左右，其主要原因是基于封堵一體裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。首先，封堵一體化裝置設(shè)計(jì)的三個(gè)封堵囊袋具有較強(qiáng)的承壓特性和延展性能，三個(gè)囊袋在漿液的持續(xù)注射下逐漸充滿緊貼鉆孔內(nèi)壁，使得囊袋內(nèi)形成較高的保壓條件，對(duì)于鉆孔內(nèi)明顯的裂隙具有較好的封閉作用；其次，三個(gè)囊袋間的壓力控制閥起到明顯的導(dǎo)流漿液作用，提高不同區(qū)域內(nèi)注漿末端囊袋膨脹延展率，降低了注漿末端未封堵導(dǎo)致鉆孔漏氣的可能性。此外，由于采用封堵一體化技術(shù)在鉆孔瓦斯抽采前期對(duì)鉆孔鉆進(jìn)造成的滋生裂隙進(jìn)行了封堵，避免了隨著瓦斯鉆孔抽采時(shí)間的增加，鉆孔圍巖在地應(yīng)力的作用下發(fā)生進(jìn)一步變形破壞，降低了裂隙進(jìn)一步發(fā)育甚至與巷道圍巖塑性區(qū)貫通的可能性。由圖可以看出采用封堵一體化技術(shù)抽采瓦斯30 d 后，鉆孔內(nèi)瓦斯抽采濃度進(jìn)一步升高，瓦斯抽采效果明顯增強(qiáng)。

4 結(jié)論

1）隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，煤層瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因是鉆孔圍巖在地應(yīng)力的作用下發(fā)生變形破壞，裂隙進(jìn)一步發(fā)育甚至與巷道圍巖塑性區(qū)貫通，進(jìn)而導(dǎo)致密閉封堵失效。封堵一體化技術(shù)不僅能有效封閉初期鉆孔裂隙，對(duì)于后期鉆孔圍巖衍生裂隙同樣具有很好的封堵效果。

2）試驗(yàn)巷道瓦斯抽采鉆孔采用封堵一體化技術(shù)后，相比于兩堵一注技術(shù)鉆孔平均瓦斯?jié)舛扔?7.2%上升至59.6%，在30 d 內(nèi)鉆孔瓦斯抽采濃度提升約1.6 倍。同時(shí)，封堵一體化技術(shù)降低了裂隙進(jìn)一步發(fā)育甚至與巷道圍巖塑性區(qū)貫通的可能性，大力地提高了煤層瓦斯的抽采效果。