宣德全， 黃應(yīng)利

(1.河南大有能源股份有限公司，河南 義馬 472300； 2.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

瓦斯預(yù)抽是防治瓦斯事故的主要技術(shù)手段，而封孔質(zhì)量是預(yù)抽的關(guān)鍵[1]。許多專家對封孔技術(shù)進行研究，提出了封孔器封孔、聚氨酯封孔、水泥砂漿封孔、“兩堵一注”封孔等多種封孔方法，其中“兩堵一注”封孔因其簡單方便且封堵效果較好而得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。

理論上，封孔嚴密的情況下，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葢?yīng)接近100%。然而，我國部分礦井的鉆孔在抽采初期瓦斯?jié)舛容^高，但在一個月甚至更短時間內(nèi)便降到很低的水平。以孟津煤礦為例，即便采用了“兩堵一注”封孔工藝，大多數(shù)穿層鉆孔的抽采濃度仍在不到一個月便衰減至10%以下，直接影響了瓦斯的治理效果乃至礦井的安全生產(chǎn)。針對上述問題，以孟津煤礦為背景，對穿層抽采鉆孔漏氣原因進行研究，采取減少漏氣的針對性措施，以提高抽采濃度和抽采效果。

1 研究背景

孟津煤礦位于孟津縣橫水鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a。礦井采用立井兩水平上下山開拓，中央并列式通風(fēng)，傾斜長壁采煤，全部垮落法管理頂板。所采煤層平均厚度為2.5 m，最大瓦斯壓力為3.1 MPa，最大瓦斯放散初速度Δp為5 586 Pa，堅固性系數(shù)f為0.11～0.65，突出危險性較大。為此，礦井采用在距離煤層15 m的底板巷布置穿層鉆孔并配以水力沖孔增透來預(yù)抽煤層瓦斯。封孔選用行業(yè)推薦的“兩堵一注”方法，并根據(jù)底板巷周圍裂隙分布、鉆孔有效抽采半徑等測算結(jié)果，將封孔深度、封孔長度、注漿壓力分別設(shè)定為18 m、6 m、1.2 MPa，用微膨脹高強度水泥制漿封孔。注漿流程如下：先將9個2 m/根的絲接式φ50 mm封孔管(前端第一、第三根分別帶里、外囊袋)依次連接并送入鉆孔后，利用注漿泵將攪拌好的水泥砂漿通過注漿管注入里、外囊袋，使其逐漸膨脹并與鉆孔壁壓合。漿液注滿囊袋并達到設(shè)計壓力(1.5 MPa)后，兩個囊袋間的注漿管上安設(shè)的爆破閥自動裂開,使?jié){液流入兩個囊袋與鉆孔壁壓合而形成的空間。當兩個囊袋之間的漿液壓力達到1.2 MPa時，注漿結(jié)束。改進前的封孔工藝結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 改進前的封孔工藝結(jié)構(gòu)Fig.1 Sealing process structure before improvement

為保證封孔效果，礦井安排專人負責(zé)，嚴格封孔作業(yè)管理，并加強對抽采管路的日常檢查及維護。然而即便如此，穿層抽采鉆孔的初始平均瓦斯?jié)舛热詢H為41.4%，1個月便衰減至5.3%，2個月衰減至2.3%，3個月衰減至1.2%，遠達不到瓦斯治理要求。為此，礦井嘗試了增加封孔深度、封孔長度、加大水泥型號及其與水的比例等辦法，但鉆孔的漏氣情況、抽采瓦斯?jié)舛鹊热晕吹玫矫黠@改善。

2 鉆孔漏氣原因分析

為了查找鉆孔漏氣原因，對井下封孔工作進行了現(xiàn)場調(diào)查及跟班寫實，發(fā)現(xiàn)鉆孔注漿時存在從鉆孔內(nèi)而不是返漿管返漿的異常情況。為此，把便于觀察的φ108 mm透明PVC管當作抽采鉆孔，在地面開展了3孔次的物理實驗(見圖2)。實驗時，先將兩根分別帶里、外囊袋的封孔管連接，一端用堵頭密封，另一端通過抽采連接管與空壓機相連；然后，在管路接口涂抹肥皂水，并用空壓機對封孔管注氣，觀察其漏氣情況；最后，將封孔管去掉堵頭并送入PVC管中，按井下流程注漿封孔。

圖2 地面封孔實驗Fig.2 Ground sealing test

3次實驗結(jié)果如下：第1次，封孔管路注氣壓力達到8 kPa時，封孔管接口處便開始冒泡，即出現(xiàn)漏氣；之后注漿時，封孔器爆破閥在爆破壓力為1.0 MPa時提前裂開，漿液在囊袋未完全脹起時便從爆破閥流出并越過囊袋從PVC管返出。第2次，當注氣壓力達到9.5 kPa時，封孔管接口開始漏氣；當漿液壓力為1.6 MPa時爆破閥自動裂開并使?jié){液流出對兩個囊袋之間的鉆孔段成功進行注漿。第3次，當注氣壓力達到10 kPa時，封孔管接口開始漏氣；當漿液壓力上升到2.6 MPa時，爆破閥還未裂開但外囊袋破裂，使得漿液卸壓并從PVC管流出。

造成抽采鉆孔漏氣的原因主要有封孔材料不致密、封孔段與鉆孔之間存在間隙、鉆孔松動圈未堵實，以及鉆孔封孔段未覆蓋巷道松動圈等[5-8]。孟津煤礦地面實驗表明礦井所用的封孔工藝存在連接管漏氣接口多、爆破閥可靠性差等缺陷并因此導(dǎo)致鉆孔漏氣。首先，封孔管路接口在8～10 kPa的內(nèi)外壓差下便開始漏氣，而井下的抽采負壓在13 kPa以上，1個鉆孔的封孔管有9個接口(封孔深度為18 m)，且其中7個在封孔段外，這些接口將使大量空氣在抽采負壓的作用下進入鉆孔而形成漏氣。其次，封孔器爆破閥可靠性差，3次實驗中有2次未能正常自動裂開而使囊袋欠壓未完全脹起或過壓破裂，造成漿液充注兩囊袋間的封孔段時未達設(shè)計壓力而難以進入并封堵鉆孔周圍裂隙，空氣會在抽采負壓的作用下通過這些未充分封堵的裂隙進入鉆孔而形成漏氣。

3 封孔工藝改進

針對封孔管接口多而導(dǎo)致漏氣的問題，將鉆孔帶里端囊袋以外的其他8個2 m/根的絲扣式封孔管及連接管改為整根PE通管。PE通管的一端直接與鉆孔帶里端囊袋封孔管用密封接頭連接，另一端直接與抽采支管連接，如此便將鉆孔的封孔管接口數(shù)量由原來的9個減少至1個，且該接口還位于難以漏氣的封孔段中。

同時，為了更便于運輸、操作及節(jié)省材料，并考慮到在抽采一段時間后將φ20 mm的疏通管送入封孔管對坍塌鉆孔進行修復(fù)的要求，將封孔管的直徑由原來的50 mm改為32 mm。管徑改小后的主要不利影響為在一定程度上增大了管內(nèi)氣體流動的阻力，降低了鉆孔內(nèi)的抽采負壓。根據(jù)流動力學(xué)相關(guān)理論，得到氣體在管內(nèi)流動過程中的沿程摩擦阻力損失

(1)

式中：l表示管長；d表示管子內(nèi)徑；v表示流速；λ表示沿程阻力系數(shù)；g表示重力加速度。

孟津煤礦單個穿層抽采鉆孔的封孔管及連接管總長度l為19～22 m；改進前的φ50 mm封孔管內(nèi)徑d為46 mm，改進后的φ32 mm封孔管內(nèi)徑為30 mm；流速v可根據(jù)平均單孔流量0.01 m3/s及管徑進行計算；沿程阻力系數(shù)λ與流體雷諾數(shù)Re、管道的當量直徑d和管道的粗糙度k有關(guān)。雷諾數(shù)Re是一個表征流體流動特性的無量綱數(shù)，當Re≤2 000時為層流，當2 000

(2)

式中：ρ、μ分別為流體的密度與黏性系數(shù)，在此分別取0.98 kg/m3、1.771×10-5；v為流體的流速，可根據(jù)流量和管徑求得；d為管道的當量直徑，在此取管道內(nèi)徑。

計算得到管徑改進前后孟津煤礦穿層鉆孔流體雷諾數(shù)Re>4 000，屬于紊流狀態(tài)?？紤]到聚氯乙烯材質(zhì)的封孔管長抽采時管壁上會沉積一定量的煤粉顆粒，粗糙度ks取0.002 mm，并按尼古拉茲紊流粗糙區(qū)公式計算：

(3)

代入式(3)計算可得：管徑改小前沿程阻力系數(shù)λ=0.067 12，沿程摩擦阻力損失hf=59.36 Pa；管徑改小后沿程阻力系數(shù)λ=0.082 17，沿程摩擦阻力損失hf=615.94 Pa。將封孔管管徑由50 mm改為32 mm后，沿程摩擦阻力損失最多增加556.58 Pa，即鉆孔內(nèi)的抽采負壓會降低556.58 Pa，相對于13 kPa以上的抽采負壓尚不到5%，影響很小，所以將封孔管直徑由原來的50 mm改為32 mm是完全可行的。

針對爆破閥可靠性差的問題，可通過增設(shè)一根注漿管去掉爆破閥解決。封孔時，先用原注漿管注兩個囊袋，再用增設(shè)的注漿管注兩個囊袋之間。同時，在靠近里端囊袋的封孔管上開設(shè)了兩個小孔，并用透氣而不透漿的高強度紗布包裹，以便向兩個囊袋間注漿時，其間的空氣可透過紗布和小孔從PE管流出。

圖3 改進后的封孔工藝結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved sealing process structure

4 現(xiàn)場應(yīng)用實驗及效果

為考察改進后通管“兩堵兩注”工藝的效果，在孟津煤礦外段已采用原工藝封孔350個的12070軌道底抽巷里段，進行了840個鉆孔的現(xiàn)場應(yīng)用實驗。封孔時，先根據(jù)所封鉆孔情況截取一定長度的PE管，一端套上外囊袋并固定在距端頭4 m位置處，與帶里囊袋的封孔管用密封接頭連接，連接固定好兩根注漿管后，送至孔內(nèi)18 m封孔深度。然后，對兩個囊袋注漿至漿液壓力達到1.5 MPa，再換另一注漿管對兩個囊袋之間的鉆孔段及其周圍的裂隙圈進行注漿，當注漿壓力達到1.2 MPa時結(jié)束。

由現(xiàn)場應(yīng)用實驗發(fā)現(xiàn)，改進后的通管“兩堵兩注”工藝較原工藝的封孔效果有顯著提升：鉆孔初始平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?1.4%提升至78.2%，抽采30 d時的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.3%提升至49.2%，抽采60 d時的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.3%提升至34.6%，抽采90 d時的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.2%提升至25.4%，抽采120 d時的平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.8%提升至18.1%。

圖4 封孔工藝改進前后鉆孔抽采濃度對比Fig.4 Comparison of borehole extraction concentration before and after the improvement

5 結(jié)論

針對孟津煤礦底板巷穿層抽采鉆孔漏氣而導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛鹊偷膯栴}，對漏氣原因進行了分析，并對封孔工藝做了有針對性的改進，形成了通管“兩堵兩注”工藝，并取得了良好的應(yīng)用效果，結(jié)論如下：(1)地面實驗發(fā)現(xiàn)，孟津礦原封孔工藝的管路接口在8～10 kPa的內(nèi)外壓差下便開始漏氣，且爆破閥可靠性差，容易造成漿液達不到設(shè)計壓力而難以進入并封堵鉆孔周圍的漏氣裂隙。(2)結(jié)合漏氣原因?qū)Ψ饪坠に囘M行了改進，將原來2 m/根的絲接式φ50 mm封孔管及連接管改為整根φ32 mm的PE通管，并通過增設(shè)一條注漿管去掉了爆破閥，形成了通管“兩堵兩注”封孔工藝。(3)將封孔管直徑由原來的 50 mm改為32 mm，對鉆孔內(nèi)抽采負壓的影響不足5%，是完全可行的。(4)現(xiàn)場應(yīng)用實驗的結(jié)果表明，改進后的封孔工藝顯著提升了封孔抽采效果。