王玉豪

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 太原 030053)

·試驗(yàn)研究·

馬蘭礦囊袋式注漿封孔技術(shù)的應(yīng)用

王玉豪

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 太原 030053)

針對(duì)馬蘭礦本煤層瓦斯抽采漏氣嚴(yán)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(cè)的應(yīng)力分布，并結(jié)合巷道掘前預(yù)抽情況以及抽采管的實(shí)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(shù)。通過(guò)工程應(yīng)用得出，囊袋式注漿封孔預(yù)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(shù)

瓦斯抽采是我國(guó)煤礦進(jìn)行瓦斯災(zāi)害預(yù)防的重要手段之一，通過(guò)預(yù)抽賦存于本煤層、臨近層、頂?shù)装逯械耐咚箍梢赃_(dá)到降低瓦斯含量與瓦斯壓力的雙重目的，進(jìn)而可以安全掘進(jìn)與采煤[1-3]. 封孔技術(shù)是瓦斯抽采的關(guān)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(shù)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(shù)的優(yōu)選。研究合理封孔深度常用經(jīng)驗(yàn)法、鉆屑法以及數(shù)值模擬等方法[4-6]. 由于每個(gè)礦甚至每個(gè)工作面差異很大，因此利用臨近工作面的經(jīng)驗(yàn)確定封孔深度不準(zhǔn)確而且不合理；鉆屑法費(fèi)工費(fèi)時(shí)，但是能夠精準(zhǔn)地確定出合理深度；數(shù)值模擬方法通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，確定出巷幫的應(yīng)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(xì)粉體顆粒對(duì)鉆孔周圍的裂隙進(jìn)行封堵[7]. 黃鑫業(yè)等為了封堵鉆孔周圍的裂隙，對(duì)本煤層鉆孔進(jìn)行分步封堵，達(dá)到封堵裂隙的目的[8]. 張超等采用“強(qiáng)弱強(qiáng)”帶壓封孔技術(shù)對(duì)本煤層鉆孔進(jìn)行封堵[9]. 翟成等研制出了FG封孔材料和相應(yīng)的本煤層動(dòng)態(tài)封孔方法[10]. 王志明等針對(duì)瓦斯抽采動(dòng)態(tài)的漏氣圈特性，將“封堵一體化”裝置應(yīng)用到瓦斯抽采中，取得了良好的抽采效果[11].

筆者針對(duì)馬蘭礦抽采瓦斯?jié)舛鹊停椴陕鈬?yán)重的問題，通過(guò)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(shù)在馬蘭礦的應(yīng)用效果。研究結(jié)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(zhǎng)度975 m，傾斜長(zhǎng)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(gè)工作面陷落柱不發(fā)育。煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1.

2 關(guān)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(guò)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(jìn)入抽采管路[12]；另外由于煤體應(yīng)力峰值點(diǎn)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(guò)應(yīng)力峰值點(diǎn)。因此，合理封孔深度應(yīng)該介于卸壓區(qū)和應(yīng)力峰值點(diǎn)之間。

利用數(shù)值模擬的方法對(duì)10610工作面軌道巷兩幫的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則(以下簡(jiǎn)稱M-C準(zhǔn)則)作為各類巖體的屈服準(zhǔn)則，M-C準(zhǔn)則式(1)：

表1 煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)表

(1)

式中：

σt和σr—分別為巖體單元的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)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(jié)果見圖1. 由于煤巷掘進(jìn)，巷道圍巖發(fā)生塑性變形，應(yīng)力出現(xiàn)重新分布。圍巖切向應(yīng)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(yīng)力出現(xiàn)在煤體內(nèi)10 m處。巷幫徑向應(yīng)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(yīng)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(dá)到了8 m，見圖1c). 根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)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(jié)果圖

考慮到10610工作面煤巷掘進(jìn)過(guò)程中采用了千米鉆預(yù)抽掩護(hù)掘進(jìn)的方法，為了防止由于在打鉆中出現(xiàn)“串孔”導(dǎo)致鉆孔漏氣，封孔深度應(yīng)當(dāng)大于煤巷掘進(jìn)的掩護(hù)范圍。馬蘭礦10610工作面軌道巷的掩護(hù)范圍為15 m，因此封孔深度應(yīng)當(dāng)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(yuǎn)大于10 m的應(yīng)力峰值點(diǎn)，但是該應(yīng)力峰值點(diǎn)是在無(wú)掩護(hù)鉆進(jìn)的情況下得出的，并且由于掘前的瓦斯預(yù)抽，封孔深度定為19 m后的抽采不會(huì)導(dǎo)致抽采空白帶的出現(xiàn)。

3 囊袋式注漿封孔技術(shù)

針對(duì)馬蘭礦采用原封孔方法導(dǎo)致漏氣嚴(yán)重，瓦斯?jié)舛鹊偷膯栴}，采用了河南理工大學(xué)開發(fā)的囊袋式注漿封孔技術(shù)并將該技術(shù)應(yīng)用于10610工作面軌道巷的本煤層瓦斯預(yù)抽。

囊袋式注漿封孔技術(shù)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(fù)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(shù)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(yù)定的封孔位置，同時(shí)準(zhǔn)備注漿液。

2) 將準(zhǔn)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(dāng)注漿壓力達(dá)到0.8 MPa左右時(shí)，中間的注漿控制閥自動(dòng)開啟，注漿壓力迅速降低至0；之后對(duì)兩囊袋之間的區(qū)域進(jìn)行注漿，隨著漿液注滿中間區(qū)域，注漿壓力再次升高，當(dāng)壓力值達(dá)到1 MPa時(shí)，安全控制閥開啟，注漿封孔結(jié)束。

通過(guò)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(dòng)支護(hù)作用，通過(guò)主動(dòng)支護(hù)降低鉆孔的漏氣圈發(fā)育，進(jìn)而降低鉆孔漏氣[13].

4 工程應(yīng)用

將囊袋式注漿封孔技術(shù)應(yīng)用到馬蘭礦10610工作面本煤層瓦斯預(yù)抽，以每個(gè)鉆孔聯(lián)管開始抽采為時(shí)間基點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)鉆孔預(yù)抽100天的瓦斯?jié)舛?，并?duì)比采用聚氨酯封孔的瓦斯?jié)舛?，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3.

圖3 預(yù)抽100天內(nèi)瓦斯?jié)舛葘?duì)比曲線圖

由圖3可以看出，隨著預(yù)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(shù)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(guò)100天的預(yù)抽聚氨酯封孔的平均瓦斯?jié)舛葹?7%，囊袋式注漿封孔技術(shù)的平均瓦斯?jié)舛葹?6%. 由此可以看出，囊袋式注漿封孔技術(shù)在10610工作面瓦斯抽采中發(fā)揮的效果優(yōu)于原來(lái)的聚氨酯封孔技術(shù)。

5 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬以及工程試驗(yàn)的方法研究了合理封孔深度和封孔技術(shù)這兩個(gè)瓦斯抽采中的關(guān)鍵問題，得出以下結(jié)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(yīng)力出現(xiàn)在10 m處，但是考慮到煤巷的掩護(hù)式掘進(jìn)以及抽采管路的尺寸特點(diǎn)將封孔深度定為19 m.

2) 引入囊袋式注漿封孔技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐介紹了兩囊袋封孔器的工作流程。通過(guò)工程應(yīng)用的對(duì)比，可以看出囊袋式注漿封孔技術(shù)可以有效地封堵本煤層鉆孔，預(yù)抽100天內(nèi)的瓦斯平均濃度為46%，遠(yuǎn)高于聚氨酯的平均瓦斯?jié)舛?7%.

[1] 陳冬冬.亞美大寧煤礦定向水平長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯合理預(yù)抽期研究[D].河南理工大學(xué),2011.

[2] 殷民勝,魯劍波.黃陵礦區(qū)瓦斯立體綜合預(yù)抽技術(shù)及實(shí)踐[A].煤礦瓦斯地質(zhì)與抽采利用研究—陜西省煤炭學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

[3] 王海東,景立平,曹 宇，等.頂?shù)装宄椴上镌诟咄还ぷ髅嫱咚怪卫碇械膽?yīng)用[J].煤礦安全,2012,43(6):102-104.

[3] 王志明.車集礦2705工作面合理封孔深度研究[J].山西焦煤科技,2014(12):21-24.

[4] 丁守垠,李德參.煤層抽放鉆孔合理封孔深度的確定[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,9(1):4-6.

[5] 王志明,封海鵬,陳 兵.基于鉆屑法順層鉆孔合理封孔深度的研究[J].煤炭技術(shù),2015,34(5):164-165.

[7] 周福寶,夏同強(qiáng),劉應(yīng)科，等.二次封孔粉料顆粒輸運(yùn)特性的氣固耦合模型研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011(6):953-958.

[8] 黃鑫業(yè),蔣承林.本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(10):45-48.

[9] 張 超,林柏泉,周 延,等.本煤層近水平瓦斯抽采鉆孔“強(qiáng)弱強(qiáng)”帶壓封孔技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013,30(6):935-939.

[10] Zhai C,Xiang X,Zou Q,et al.Influence factors analysis of a flexible gel sealing material for coal-bed methane drainage boreholes[J].Environmental Earth Sciences,2016,75(5):1-13.

[11] 王志明,孫玉寧,王永龍,等.瓦斯抽采鉆孔動(dòng)態(tài)漏氣圈特性及漏氣處置研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2016,12(5):139-145.

[12] 劉澤功,袁 亮.首采煤層頂?shù)装鍑鷰r裂隙內(nèi)瓦斯儲(chǔ)集及卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究[J].中國(guó)煤層氣,2006,3(2):11-15.

[13] 王志明,王永龍,劉 春,等.基于應(yīng)變軟化模型的抽采鉆孔封孔段穩(wěn)定性研究[J].煤礦安全,2016,47(4):6-10.

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(xué)，助理工程師，主要從事煤礦瓦斯抽采工作(E-mail)1738890421@qq.com