李登平,張嘉勇,王晟碩, 牛寶云,許 慎,高 山

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.唐山學(xué)院,河北 唐山 063000)

1 封孔工藝研究現(xiàn)狀

瓦斯抽采鉆孔的封孔質(zhì)量直接影響瓦斯抽采效果,也決定著瓦斯治理措施的成敗,因此,國內(nèi)外煤炭行業(yè)也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化抽采鉆孔封孔工藝。如德國的魯爾礦,研制了具有良好膨脹性和流動性的新型混合水泥;俄羅斯通過對封孔器的優(yōu)化改進(jìn),研制了橡膠封孔器、水力膨脹封孔器和摩擦式封孔器等。為了適應(yīng)高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng),德國、日本等廣泛采用聚氨酯進(jìn)行封孔。另外還有英國的樹脂及橡膠圈封孔器、澳大利亞的銅管注漿封孔、美國的水泥機(jī)械裝置封孔等,保證了高負(fù)壓條件下封孔區(qū)域的嚴(yán)密性,提高了瓦斯抽采量,確保瓦斯治理措施的高效性[1-5]。

國內(nèi)學(xué)者在第一次封孔的基礎(chǔ)上,提出了二次封孔工藝,二次封孔是抽采鉆孔經(jīng)歷兩次封孔,兩個(gè)抽采階段。第一次封孔并連接瓦斯抽采管路進(jìn)行抽采,待瓦斯抽采量或濃度明顯下降后,利用氣壓或水壓等將微細(xì)顆粒物或漿液送入封孔段圍巖裂隙內(nèi),形成二次封孔。微細(xì)顆粒物或漿液能否進(jìn)入圍巖裂隙是二次封孔的關(guān)鍵,同時(shí)也直接影響二次抽采的效果。有效的二次封孔不僅能夠提高抽采負(fù)壓,增加瓦斯抽采量,而且能夠大大延長抽采鉆孔的服務(wù)周期,降低鉆孔施工工程量[6-9]。

第一次封孔是鉆孔施工完成后,進(jìn)行普通聚氨酯或水泥砂漿封孔,可根據(jù)鉆孔圍巖特征調(diào)整封孔深度(8 m～9 m)和封孔長度(3 m～4 m),然后檢查封孔質(zhì)量,并連接抽采管路進(jìn)行瓦斯抽采。

待瓦斯抽采量或濃度降低到一定量后,進(jìn)行第二次封孔。通過壓力將一定配置比例的微細(xì)粉料或漿液壓入抽采鉆孔周邊的微裂隙中,當(dāng)漿液凝固或粉料充滿鉆孔后再密封鉆孔孔口,完成二次封孔[9-11]。

采用二次封孔技術(shù)可顯著提高鉆孔瓦斯抽采濃度,延長抽采鉆孔服務(wù)周期,降低瓦斯治理費(fèi)用,確保礦井安全、高效生產(chǎn)。

通過對二次封孔技術(shù)的對比分析,論文擬探討一種基于膨脹劑的二次封孔工藝,設(shè)計(jì)一套封孔裝置,拓展瓦斯抽采鉆孔二次封孔技術(shù),降低封孔成本,提高瓦斯抽采效率。

2 基于膨脹劑的二次封孔裝置設(shè)計(jì)

通過對上述鉆孔封孔工藝的優(yōu)化改進(jìn),設(shè)計(jì)了一套基于膨脹劑的二次封孔裝置。設(shè)計(jì)裝置示意圖如圖1所示。

裝置由獨(dú)立空腔、注水膨脹膠囊、膨脹劑膠囊組成。獨(dú)立空腔為鍍鋅鋼管,前段為進(jìn)氣花管,花管與外部氣壓表連通;注水膨脹膠囊外部與防塵供水管路連通,注水后形成第一次封孔;膨脹劑膠囊與乳化液泵高壓供水管路連通,注水后形成第二次封孔。膨脹劑膠囊袋上設(shè)置限壓閥門片,當(dāng)膨脹劑與水混合后,達(dá)到一定壓力,閥門片自動打開,膨脹劑進(jìn)入封堵空間,封堵鉆孔周圍裂隙,堵塞封孔區(qū)域圍巖裂隙,形成第二次封孔,減少瓦斯泄露,極大地提高瓦斯抽放效果。

圖1 基于膨脹劑的鉆孔二次封孔裝置示意圖Fig.1 Secondary sealing device based on expansion agent

3 膨脹材料的配比

在水泥化學(xué)中,能發(fā)生水化反應(yīng)使其體積增大的主要有三種化合物,包括無水硫鋁酸鈣、高溫煅燒的氧化鈣和氧化鎂。實(shí)驗(yàn)測試三種礦物水化反應(yīng)形成固相體積增加率,如表1所示。

表1 各種礦物水化反應(yīng)形成固相體積增加率Table 1 Increment rate of solid phase volume in mineral hydration reactions

無水硫鋁酸鈣中氧化鈣的含量大約為24.6%,產(chǎn)生膨脹能較小,并且其水化速率緩慢,生成結(jié)晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生成速度也越加緩慢,不適合作為煤層鉆孔致裂的膨脹材料。由于氧化鎂的相對分子量比氧化鈣小,反應(yīng)活性較大,反應(yīng)速率不易控制。當(dāng)氧化鎂的煅燒溫度較低時(shí),與水混合后立即溶解,反應(yīng)較快;當(dāng)煅燒溫度升高時(shí),氧化鎂的表面晶體尺寸增大,水化速度極慢,所以不適合作為煤層鉆孔膨脹材料。經(jīng)過高溫煅燒的氧化鈣水化速率可控性較強(qiáng),自由膨脹率高(反應(yīng)前后固體的體積增加97%),反應(yīng)后產(chǎn)生的膨脹能量高,并且具備資源豐富、制造成本低的特點(diǎn),適宜做膨脹材料的膨脹源,因此在膨脹材料研究中氧化鈣是首選膨脹源。

因此,研究采用的膨脹材料(北京宇翼特種水泥廠HSCA-3)中f-CaO的含量是產(chǎn)生膨脹壓力的主要因素;膨脹材料中要有一定數(shù)量的強(qiáng)度組分,在水化反應(yīng)過程中,對煤層鉆孔起到一定封孔作用,保證較高的膨脹壓;為起到緩凝的效果,熟料中加入適當(dāng)比例的二水石膏、減水劑和木鈣共同研磨制成膨脹劑。

由于煤層賦存情況不同(圍巖壓力、煤體強(qiáng)度、節(jié)理發(fā)育等),對膨脹劑的適應(yīng)性也會有較大差別。因此,需要依據(jù)煤體特征配比適合的二次封孔膨脹劑。

4 結(jié)論

由于抽采鉆孔的封孔質(zhì)量會受到圍巖移動變形的影響,導(dǎo)致抽采鉆孔圍巖裂隙發(fā)育,產(chǎn)生導(dǎo)氣的微裂隙或裂紋網(wǎng)絡(luò),降低瓦斯抽采效率。有效的二次封孔不僅能夠提高抽采負(fù)壓,增加瓦斯抽采量,而且能夠大大延長抽采鉆孔的服務(wù)周期,降低鉆孔施工工程量。

基于膨脹劑的鉆孔二次封孔裝置,通過注水膨脹膠囊形成第一次封孔,膨脹劑膠囊注水后形成第二次封孔,延長了鉆孔有效抽采時(shí)間,提高了瓦斯抽采量。該工藝技術(shù)條件簡單、封孔效果好,瓦斯抽采率高,便于現(xiàn)場推廣應(yīng)用。