任培良，王 迪，郭香印 ，潘少杰

（1.義馬煤業(yè)（集團(tuán)）孟津煤礦有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471142；2.河南省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，河南 鄭州 450000）

利用底（頂）板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施已經(jīng)成為煤與瓦斯突出礦井井下除開(kāi)采保護(hù)層外區(qū)域防突的最基本措施。因此，穿層鉆孔封孔質(zhì)量與鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果直接相關(guān)，并影響著采掘接替。開(kāi)展穿層鉆孔封孔工藝改進(jìn)研究對(duì)煤礦區(qū)域防突有重要意義。陳勇[1]研究表明：注漿封孔工藝相對(duì)聚氨酯封孔工藝，抽采鉆孔能更有效的抽采煤層瓦斯、縮短消突和抽采達(dá)標(biāo)的時(shí)間。黃鑫業(yè)、王振鋒等[2-3]研究表明帶壓注漿實(shí)現(xiàn)封堵瓦斯泄漏微孔、裂隙通道，從而達(dá)到提高瓦斯抽放效果的目的。孟津煤礦使用注漿帶壓封孔工藝，但抽采效率仍然滿足不了采掘接替計(jì)劃。為此，在分析原有封孔工藝的基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，提出通管直連帶壓封孔的封孔工藝。

1 原有封孔工藝

原有穿層鉆孔封孔采用“兩堵一注”封孔器和拼接式連管工藝，即鉆孔成孔后，向孔內(nèi)送入φ50 mm×2 000 mm 封孔管（絲扣或插接式連接），采用“兩堵一注”封孔器封孔，孔口利用φ50 mm 彎頭與彈簧管連接匯集到φ108 mm 匯總管。統(tǒng)計(jì)原封孔工藝抽采數(shù)據(jù)，鉆孔始抽濃度在6.4%～90%之間，平均41.4%，濃度大于60%的鉆孔占28%，抽采10 d 后濃度衰減至2%～25%；巷道內(nèi)抽采干管濃度2.2%～5%；地面抽采泵站濃度1%～2.5%。鉆孔濃度低，衰減快。為此通過(guò)地面試驗(yàn)?zāi)M和井下測(cè)定數(shù)據(jù)來(lái)分析抽采濃度低和衰減快的原因。

1.1 地面試驗(yàn)?zāi)M

試驗(yàn)分別采用φ100 mm 塑膠透明管（3 m）、φ100 mm 透明軟管（3 m）、φ100 mm 鋼管（3 m）6 根共進(jìn)行 9 次模擬鉆孔注漿封孔試驗(yàn)，目的確定封孔器的參數(shù)及注漿壓力。兩堵一注”封孔器試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，“兩堵一注”封孔器的爆破閥和注漿壓力不穩(wěn)定，并且與囊袋長(zhǎng)度有關(guān)聯(lián)，囊袋越長(zhǎng)，注漿壓力越高，1 m 長(zhǎng)度的囊袋能保證注漿壓力的相對(duì)穩(wěn)定，注漿壓力2.5 MPa。另外，有封孔管被壓裂的現(xiàn)象和向封孔管內(nèi)打壓風(fēng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)封孔管連接處有漏氣現(xiàn)象。

表1 “兩堵一注”封孔器試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on test data of sealing devices

試驗(yàn)漿液水灰比分別 0.7∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水的比例越少，最終強(qiáng)度越高。同時(shí)考慮的注漿泵的輸送能力，最終確定1∶2 的水灰配比，強(qiáng)度能較好的滿足要求。

1.2 井下連管漏氣測(cè)定

在12070 軌道底抽巷測(cè)試了7 個(gè)鉆孔，測(cè)定孔口向匯集管連接段不同部位的抽采濃度并進(jìn)行對(duì)比，測(cè)定順序?yàn)椋簠R集管處測(cè)量口、彈簧管中部和孔口，12070 軌道底抽巷鉆孔連接管不同部位測(cè)定抽采濃度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 12070 軌道底抽巷鉆孔連接管不同部位測(cè)定抽采濃度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on extraction concentration in different parts of drilling step-pipe at the Bottom of Track 12070

由表2 測(cè)定數(shù)據(jù)分析可知，孔口→彈簧管中部→測(cè)量口的抽采濃度成衰減趨勢(shì)；連接點(diǎn)密封良好的情況下，測(cè)點(diǎn)濃度差別不大；因此減少連接節(jié)點(diǎn)避免漏氣，能有效提高抽采濃度。

綜合井上下試驗(yàn)，分析抽采濃度低、衰減快的因素主要有2 個(gè)方面：①孔內(nèi)因素：封孔段長(zhǎng)度及其位置不合理，注漿量不足，封孔管存在壓裂現(xiàn)象，封孔管連接處不緊密，存在漏氣現(xiàn)象；②孔外因素：連抽管路接點(diǎn)較多（孔口至φ108 mm 匯總管存在5 個(gè)接點(diǎn)），漏氣環(huán)節(jié)較多；管路巡護(hù)不到位，對(duì)管路漏氣、積水等問(wèn)題未及時(shí)處理。

2 通管直連帶壓封孔原理

周厚權(quán)等[4]結(jié)合巷道圍巖應(yīng)力“三帶”分布理論，指出瓦斯抽采鉆孔主要存在封孔器或封孔材料與抽采管的間隙、封孔器或封孔材料與鉆孔孔壁的間隙和鉆孔周?chē)后w存在的復(fù)合裂隙共3 種類(lèi)型的漏氣點(diǎn)。其中大多數(shù)研究者認(rèn)為[3,5-6]，鉆孔封孔段長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)巷道的塑性區(qū)。因此，鉆孔的封孔不僅要有效封堵巷道裂隙帶，還要封堵鉆孔裂隙帶。

圖1 通管直連封孔工藝示意圖Fig.1 Diagram of the technology of the single tube connection

通管直連帶壓封孔原理是利用整體式單一PE管替代原有插接式PVC 實(shí)管，通過(guò)改進(jìn)的囊袋式“兩堵兩注”封孔器進(jìn)行封孔。通過(guò)減少連管的漏氣環(huán)節(jié)、合理設(shè)置封孔段位置及長(zhǎng)度、特定注漿壓力，提高抽采濃度、延長(zhǎng)有效抽采期的目的。具體工藝：鉆孔成孔后，掃孔，鉆孔煤段采用φ40 mm 篩管，篩管與φ40 mm 通管通過(guò)直連接頭連接，采用“兩堵兩注”封孔器注漿封堵，PE 管利用直連接頭（φ40～φ50 mm）直接與φ108 mm 匯總管連接。通管直連封孔工藝示意圖如圖1。

通管直連封孔工藝與原有封孔工藝用的封孔器主要區(qū)別：①取消封孔器不穩(wěn)定爆破壓力的爆破閥，增加了過(guò)濾網(wǎng)；②將封孔器前后一體式囊袋改為分體式，囊袋長(zhǎng)1 m，注漿管采用快接連接；③封孔管由拼接式改為通體式，減少漏氣節(jié)點(diǎn)。

新型“兩堵兩注”封孔器，通過(guò)注漿管先將前后囊袋漲起封堵兩端，再利用中間段注漿管封堵前后囊袋之間段，通過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾出注漿液中多余的水分，達(dá)到確保注漿量的目的，穩(wěn)壓2 min。

由于封孔器過(guò)濾網(wǎng)的作用，鉆孔內(nèi)的注漿量得到保證，在水泥凝固膨脹期間，由于膨脹壓力將模擬鉆孔的塑膠管脹破。

3 封孔參數(shù)確定

3.1 注漿壓力的確定

合理的注漿壓力是為了有效封堵鉆孔成孔時(shí)產(chǎn)生的孔壁裂隙。王振鋒，周英等[3]提出主動(dòng)支護(hù)式注漿封孔原理，認(rèn)為支護(hù)壓力達(dá)到1.6 MPa 時(shí)，鉆孔漏氣量基本為0。何書(shū)建等[7]研究采用聚氨酯泡沫-壓力黏液封孔測(cè)定煤層瓦斯壓力時(shí)，認(rèn)為保證黏液壓力始終高于瓦斯壓力 0.3～0.5 MPa。楊宏民等[8]研究認(rèn)為封孔漿液在細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖中滲透的注漿壓力臨界值分別為4、3、2 MPa，超過(guò)臨界值漿液擴(kuò)散半徑隨注漿壓力增加的趨勢(shì)不明顯。

綜合以上專(zhuān)家的研究成果，經(jīng)過(guò)井上下試驗(yàn)，確定了孟津煤礦穿層孔的注漿壓力為2.5 MPa。

3.2 封孔段長(zhǎng)度的確定

通管直連帶壓封孔工藝，由于其封孔段為單根實(shí)管，且用囊袋式“兩堵兩注”封孔器，這就使得封孔段的位置及長(zhǎng)度可以根據(jù)需要確定，方便有效。

根據(jù)礦壓“三帶”分布理論[9-10]，沿鉆孔軸向方向應(yīng)力狀態(tài)可以分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力降低區(qū)巷道圍巖松動(dòng)，裂隙發(fā)育。通常認(rèn)為鉆孔從孔口向里端的始封深度應(yīng)超過(guò)應(yīng)力降低區(qū)。這種確定始封深度的方法忽略了塑性區(qū)的剪脹擴(kuò)容裂隙以及打鉆過(guò)程二次擾動(dòng)下產(chǎn)生的次生裂隙影響[11]，通常依據(jù)該方法取得的封孔深度一般偏小。另外，巷道成型后，應(yīng)力降低區(qū)沿巷道走向的分布不是均勻的。基于以上分析，通管直連封孔段位置選擇在從鉆孔里端（見(jiàn)煤點(diǎn)）向孔口的方向，這就可以保證封孔段位于原巖應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力增高區(qū)。

4 抽采效果考察

試驗(yàn)在孟津煤礦12070 工作面中部底抽巷進(jìn)行，巷道 4.5 m（寬）×3.4 m（高）。主采煤層為二1煤，傾角 3°～7°，平均厚度 3.02 m，煤層瓦斯含量 7.41～10.68 m3/t，煤層瓦斯壓力 0.1～1.35 MPa。煤層底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，少量為粉砂巖或細(xì)砂巖，厚度 1.6～11.95 m，一般 2.5～6.00 m 之間，基本底為泥巖夾細(xì)砂巖。每組鉆孔15 個(gè)，開(kāi)孔間距2 m，終孔間距 6 m，鉆孔布置示意圖如圖2。在12070 中部底抽巷內(nèi)286 m 鉆場(chǎng)采用的傳統(tǒng)拼接連管，316 m 和322 m 2 個(gè)鉆場(chǎng)分別采用的硬質(zhì)通管直連和軟質(zhì)通管直連。

圖2 鉆孔布置示意圖Fig.2 Diagram of drilling arrangement

采用通管直連的封孔工藝和傳統(tǒng)拼接連管的封孔工藝分別封孔1 個(gè)鉆場(chǎng)，各15 個(gè)鉆孔，并對(duì)鉆場(chǎng)的抽采瓦斯進(jìn)行了30 d 的測(cè)量，不同連管封孔工藝抽采效果對(duì)比如圖3。

圖3 不同連管封孔工藝抽采效果對(duì)比Fig.3 Comparison of extraction data of different sealing techniques

通管直連鉆孔初始抽濃度較高，達(dá)87%以上；傳統(tǒng)封孔連管鉆孔平均始抽濃度為41.4%，通管直連鉆孔平均始抽濃度為傳統(tǒng)封孔連管鉆孔的2 倍以上。并且衰減期延長(zhǎng)。

5 結(jié) 論

1）采用通管直連封孔技術(shù)不僅解決了原有封孔工藝中連接點(diǎn)過(guò)多、漏氣點(diǎn)多、不宜管理的問(wèn)題。且封孔成功率高，提高了鉆孔利用率。

2）封孔段位置選擇從見(jiàn)煤點(diǎn)向孔口方向封孔，避免了始封深度的不確定性，可以推行標(biāo)準(zhǔn)化的封孔長(zhǎng)度。

3）確定了孟津煤礦封孔注漿壓力2.5 MPa，為推行標(biāo)準(zhǔn)化流程化封孔提供了重要依據(jù)。

4）通過(guò)通管直連封孔工藝與原有封孔工藝的對(duì)比試驗(yàn)，在30 d 的封孔效果考察期內(nèi)，試驗(yàn)鉆孔在同一抽采時(shí)期的平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣叩皆饪坠に嚨? 倍以上。