冉永進(jìn)

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤層瓦斯治理的效果是影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素。井下瓦斯的主要成分為甲烷，如果甲烷直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21 倍。抽采煤層中的瓦斯，進(jìn)行瓦斯利用，既能夠增加潔凈能源供應(yīng)，也能減少溫室氣體排放。因此，為保證安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和合理利用自然資源，需要高效地把煤體中的瓦斯抽采出來(lái)。抽采鉆孔中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)是體現(xiàn)抽采效果的直觀數(shù)據(jù)。貴州大多數(shù)礦井都存在抽采鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)高低差距大的情況，現(xiàn)場(chǎng)原因有很多，主要有以下幾點(diǎn)[1]：煤層透氣性差，抽采鉆孔少，抽采方案不合理，封孔質(zhì)量差。

通過(guò)對(duì)營(yíng)德煤礦現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的觀測(cè)，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致抽采鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較低的主要原因?yàn)槌椴摄@孔封孔質(zhì)量差、封孔深度不夠，導(dǎo)致抽采鉆孔漏氣。抽采鉆孔因?yàn)槲肓讼锏纼?nèi)的空氣，導(dǎo)致瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏低。所以提出了抽采鉆孔修復(fù)技術(shù)，用以修復(fù)漏氣的抽采鉆孔，提高抽采鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)和瓦斯抽采效果。

1 工程背景

1.1 煤層賦存

井田的構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層總體走向北西～南東，傾向45～53°，傾角在10～16°，平均14°。井田范圍內(nèi)共發(fā)育有逆斷層1 條，即F1斷層。該斷層處于井田東南部邊界位置，控制長(zhǎng)度約為1.0 km，傾向東南，傾角75～85°。因礦井未做地質(zhì)詳細(xì)勘察，該斷層斷距及落差不詳。除F1斷層外，井田范圍內(nèi)再無(wú)其他明顯斷層發(fā)育?？傮w來(lái)看，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類型。

目前營(yíng)德煤礦正在對(duì)M28 煤層進(jìn)行開(kāi)拓，M28煤層開(kāi)拓區(qū)域?qū)崪y(cè)瓦斯含量最大為10 m3/t，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 為0.72。根據(jù)對(duì)12802 運(yùn)輸巷、12801運(yùn)輸巷和12801 回風(fēng)巷揭露的28 號(hào)煤層現(xiàn)場(chǎng)勘察：28 號(hào)煤層為黑色，厚約1.5 m，含夾矸0～1 層，煤層下部局部有軟分層，煤體光澤為半暗及暗淡型；小片狀構(gòu)造，細(xì)小碎塊，層理紊亂無(wú)次序，粒狀或小顆粒膠結(jié)而成，無(wú)節(jié)理，成粘塊狀，斷口粒狀；用手捻之可成粉末、碎粒。根據(jù)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定辦法》附錄D 中煤的破壞類型分類表對(duì)煤的破壞類型分類特征的描述，可得出營(yíng)德煤礦28 號(hào)煤層煤的破壞類型應(yīng)屬Ⅲ～Ⅳ類。

1.2 礦井抽采鉆孔設(shè)計(jì)

礦井掘進(jìn)工作面有802 運(yùn)輸巷、802 回風(fēng)巷和801 回風(fēng)巷，鉆孔有效抽采影響半徑2.5 m，抽采鉆孔終孔間距5 m。掘進(jìn)期間，已經(jīng)施工了部分抽采鉆孔。在802 運(yùn)輸巷向802 回風(fēng)巷方向沿煤層施工抽采鉆孔間距為5 m，鉆孔長(zhǎng)度為80 m；802 回風(fēng)巷向802 運(yùn)輸巷方向施工抽采鉆孔長(zhǎng)度為80 m，工作面斜長(zhǎng)150 m，抽采鉆孔交叉10 m，抽采鉆孔直徑75 mm。抽采鉆孔設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 802 工作面抽采鉆孔設(shè)計(jì)圖

目前采用的封孔方式為聚氨酯封孔，封孔長(zhǎng)度10 m。施工完成后，以50 個(gè)抽采鉆孔為一組作為研究對(duì)象，通過(guò)觀察50 個(gè)抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化，發(fā)現(xiàn)其中30 個(gè)抽采鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在35%以上，其他有20 個(gè)抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，一個(gè)星期后下降到了3%～8%。

通過(guò)研究表明，抽采鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)低的主要原因?yàn)椋海?）抽采鉆孔封孔深度不夠。抽采鉆孔封孔深度的多少直接影響封孔質(zhì)量的高低，一般封孔深度要求9～15 m 之間；（2）封孔工藝缺陷。聚氨酯是一種膨脹發(fā)泡的材料，化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和效果與材料混合程度相關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)操作差異性大。如果混合不充分，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，膨脹率低，抽采鉆孔密封效果差。如果抽采鉆孔密封效果差，進(jìn)行負(fù)壓抽采時(shí)，巷道內(nèi)的空氣在抽采鉆孔內(nèi)抽采負(fù)壓的作用下進(jìn)入了抽采鉆孔，使得抽采鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)迅速下降，影響了抽采效果，不能在規(guī)定的抽采時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)消突，留下安全隱患，同時(shí)影響了抽采瓦斯的有效利用。

M28 煤層整體煤體較硬，局部賦存有軟分層。50 個(gè)抽采鉆孔中，有30 個(gè)抽采鉆孔中瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高，說(shuō)明鉆孔未塌孔，封孔效果良好；其他20個(gè)抽采鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較低，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及鉆孔塌孔檢驗(yàn)，確定為抽采鉆孔封孔不嚴(yán)，導(dǎo)致抽采鉆孔吸入巷道內(nèi)的空氣，降低了抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)。選取10 個(gè)封孔效果好的鉆孔為組1，選取10 個(gè)漏氣的抽采鉆孔為組2，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，抽采鉆孔內(nèi)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖2 所示。

圖2 平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化圖

從組1 和組2 平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化圖可以看出：封孔嚴(yán)密的抽采鉆孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化較為平穩(wěn)；而封孔效果差的抽采鉆孔中瓦斯體積分?jǐn)?shù)為快速下降，抽采效果差，也降低了礦井抽采瓦斯的整體濃度，影響抽采達(dá)標(biāo)和瓦斯利用。因此，提出了抽采鉆孔漏氣修復(fù)技術(shù)，以解決上述問(wèn)題。

2 抽采鉆孔漏氣修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外采用的抽采鉆孔的封孔方式主要有機(jī)械注水泥砂漿封孔[2]、發(fā)泡聚合材料封孔[3]、封孔器封孔[4]、“兩堵一注”帶壓封孔等[5]。

本次采用的抽采鉆孔漏氣修復(fù)技術(shù)，主要采用增加封孔深度和帶壓注漿的方法，來(lái)修復(fù)已經(jīng)漏氣的抽采鉆孔。

選取10 個(gè)漏氣的抽采鉆孔，使用94 mm 鉆頭對(duì)每個(gè)抽采鉆孔進(jìn)行二次施工，施工長(zhǎng)度15 m。施工完成后，采用囊袋封孔的工藝進(jìn)行封孔，封孔深度15 m。將前端囊袋固定在封孔管前段，將后端囊固定在最后一根封孔管距孔口50 cm 處，管路鋪設(shè)完成后，連接注漿泵。注漿泵壓力表讀數(shù)逐漸增大至0.7 MPa，直至爆破閥自然爆破，壓力表讀數(shù)歸零。繼續(xù)注漿，此時(shí)開(kāi)始注兩囊袋之間的區(qū)域，直至返漿管有大量漿液返出，關(guān)閉回漿管繼續(xù)帶壓注漿。當(dāng)壓力表示數(shù)在1.2 MPa，表明兩個(gè)囊袋之間已注滿，立刻關(guān)閉注漿泵。鉆孔修復(fù)示意圖如圖3 所示。

圖3 鉆孔修復(fù)示意圖

修復(fù)鉆孔后，每天對(duì)每個(gè)抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行觀測(cè)，鉆孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)觀測(cè)結(jié)果如圖4 所示，由圖4 可以看出，實(shí)施鉆孔封孔修復(fù)后，抽采鉆孔內(nèi)的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為30%～40%。原先單純使用聚氨酯封孔，封孔長(zhǎng)度為10 m 時(shí)，抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為3%～8%。通過(guò)對(duì)比表明，鉆孔修復(fù)技術(shù)有效地減少了抽采鉆孔漏氣，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)施抽采鉆孔漏氣修復(fù)技術(shù)，大大提高了抽采鉆孔密封性，使得抽采鉆孔內(nèi)的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)由原來(lái)的3%～8%，提高到了35%。

（2）抽采鉆孔漏氣修復(fù)技術(shù)操作簡(jiǎn)單、高效，為礦井瓦斯抽采和煤層瓦斯利用提供了有力的支撐。

圖4 修復(fù)前、后鉆孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)觀測(cè)結(jié)果