王 帥

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

我國煤田瓦斯附存條件復雜，煤與瓦斯突出及瓦斯爆炸導致的重特大事故時有發(fā)生，嚴重制約了煤礦安全高效生產[1-3]。通過鉆孔進行煤層瓦斯預抽作為防治瓦斯突出及瓦斯治理的重要手段，在高瓦斯及瓦斯突出礦井進行了廣泛應用[4-5]。然而，由于瓦斯抽采鉆孔孔壁圍巖受巷道開挖、鉆孔施工以及瓦斯抽采等多重采動應力場影響，產生大量動態(tài)變化的節(jié)理與裂隙，造成鉆孔瓦斯抽采率低，抽采濃度衰減快，抽采效果不達標[6-8]。研究表明，我國近65%的工作面瓦斯預抽體積分數(shù)小于30%[9]，瓦斯抽采鉆孔封孔質量逐漸成為制約瓦斯抽采效果的主要因素。因此，國內外學者從瓦斯抽采鉆孔漏氣機理研究出發(fā)，對封孔材料、封孔參數(shù)以及封孔工藝上進行了優(yōu)化與創(chuàng)新[10-14]。在泥漿式封孔、機械式封孔、囊袋式封孔的基礎上，提出了基于“兩堵一注”帶壓封孔原理的系列封孔裝置[15]，并在我國各大高瓦斯及瓦斯突出礦井進行了廣泛應用。但目前“兩堵一注”封孔裝置主要由瓦斯抽采管、注漿管、出漿管（回水管）以及環(huán)形注漿囊袋組成，其中注漿管與出漿管外切于抽采管并置于環(huán)形注漿囊袋中心，待兩側端頭注漿囊袋膨脹打開后，3條管路與封孔囊袋間存在無法被完全充填的“三角區(qū)”，繼而出現(xiàn)跑漿、漏漿的情況，惡化作業(yè)環(huán)境的同時，降低了注漿壓力與裂隙充填效果?；诖?，在瓦斯抽采鉆孔應力與裂隙分布特征理論計算的基礎上，針對“兩堵一注”封孔裝置的不足，設計了1款新型瓦斯抽采鉆孔封孔裝置，并在川煤集團芙蓉公司新維煤礦順層瓦斯抽采中進行了應用。

1 瓦斯抽采鉆孔應力與裂隙分布特征

1.1 鉆孔軸向應力與裂隙分布特征

煤礦井下巷道開挖后，圍巖的初始應力狀態(tài)遭到破壞并進行重新分布，當巷道開挖而產生的集中應力大于煤體破壞強度時，巷道周邊的淺部煤體發(fā)生破裂而導致應力降低，應力集中峰值向深部轉移，由巷幫至圍巖深處依次形成應力降低區(qū)、應力集中區(qū)以及原巖應力區(qū)，即圍巖的二次應力狀態(tài)[16]。而巷道圍巖應力的變化勢必導致其裂隙分布的變化，根據(jù)巷道松動圈理論[17]，對應著應力σ分布狀態(tài)還可以將巷道圍巖分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)以及原巖應力區(qū)，巷道圍巖彈塑性區(qū)及應力分布如圖1。

由于煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工均位于巷道或硐室內，與巷道斷面相比，瓦斯抽采鉆孔孔徑較小，在討論鉆孔軸向應力分布時，忽略鉆孔施工對于巷道徑向應力分布的影響。因此，鉆孔的軸向應力分布與巷道的徑向應力分布一致，即卸壓區(qū)、應力集中區(qū)以及原巖應力區(qū)。瓦斯抽采鉆孔軸向應力分布如圖2。

其中，卸壓區(qū)內的煤體經歷了峰值應力由巷道表面向深部轉移的過程，導致煤體發(fā)生破碎，對應巷道破碎區(qū)；應力集中區(qū)按照集中應力的峰值位置，可以分為峰后應力集中區(qū)和峰前應力集中區(qū)，峰后應力集中區(qū)內的煤體經歷了峰值應力轉移后，煤體雖未破碎，但產生大量裂隙，對應巷道塑性區(qū)；峰前應力集中區(qū)的應力雖然增大，但未超過煤體的破碎極限，未產生明顯的宏觀裂隙，因此對應巷道彈性區(qū)；原巖應力區(qū)內的煤體未受擾動，裂隙分布無變化。因此，從鉆孔軸向應力與裂隙分布特征來看，鉆孔施工勢必穿過巷道圍巖的破碎區(qū)與塑性區(qū)，該區(qū)域由于宏觀裂隙最為發(fā)育，在鉆孔封孔時應盡量避免將封孔段設計在該區(qū)域內。

1.2 鉆孔徑向應力與裂隙分布特征

瓦斯抽采鉆孔可以看作是1個受采動影響后的微型煤層巷道，因此鉆孔徑向應力與裂隙分布特征可以借鑒巷道應力分布理論進行分析。鉆孔施工后，孔周煤體同樣形成破碎區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，鉆孔應力及裂隙分布示意圖如圖3。根據(jù)鉆孔周邊煤體裂隙分布特征可以看出，鉆孔徑向漏氣范圍主要在破碎區(qū)與塑性區(qū)內。

圖3 鉆孔應力及裂隙分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole stress and crack distribution

按照彈塑性支護理論的基本假設，軸對稱條件下的塑性區(qū)應力與塑性區(qū)半徑可表示為[18]：

從式（1）～式（3）可以看出，由于封孔支護力的存在，使得孔周煤體由二維受力狀態(tài)變?yōu)槿S受力狀態(tài)，鉆孔圍巖應力和塑性區(qū)半徑均與封孔支護力呈反比，隨著封孔支護力的提高，孔周煤體應力升高，部分裂隙被壓密閉合，漏氣半徑進一步縮小。因此，通過提高注漿封孔壓力可以有效提升封孔效果。

2 新型瓦斯抽采鉆孔保壓封孔方法

2.1“兩堵一注”封孔技術的不足

“兩堵一注”封孔方法是在早期囊袋式封孔的基礎上逐漸發(fā)展起來的1種帶壓封孔技術，該技術在原理上解決了封孔段注漿壓力低，漿液無法滲透進鉆孔塑性區(qū)的缺陷，并逐漸成為我國煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的主要封孔工藝?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪籽b置主要包括注漿管、回漿管、環(huán)形注漿囊袋以及爆破閥等，其中注漿管與2個環(huán)形注漿囊捆扎連接，2個注漿囊袋間的注漿管上安裝1個爆破閥，回漿管與注漿管平行布置，孔內一端的管口位于注漿段內。

“兩堵一注”封孔工藝的一般流程是：將封孔裝置套在瓦斯抽采管上一同送入鉆孔內，通過注漿管分別向2個環(huán)形囊袋中注漿，囊袋膨脹并充填抽采管與孔壁空間；注漿壓力繼續(xù)升高至爆破閥開啟，隨后漿液填充至2個囊袋之間的空隙，待回漿管返漿后關閉；保持注漿壓力并持續(xù)一段時間，使得高壓漿液可以有效滲透進圍巖裂隙，提供主動支護提升鉆孔密封效果。

但在“兩堵一注”封孔工藝的實際使用過程中，雖然在一定程度上提升了鉆孔瓦斯抽采濃度與負壓，但與理論預期存在較大差距。究其原因是由于“兩堵一注”封孔裝置的注漿管與出漿管外切于抽采管，注漿囊袋膨脹打開后，3條管路與孔口側的封孔囊袋間存在無法被完全充填的“三角區(qū)”，導致對2個囊袋間的封孔段進行注漿時出現(xiàn)跑漿、漏漿的情況，降低注漿壓力的同時，使得漿液無法有效滲透進鉆孔圍巖深部裂隙當中，進而影響封孔效果?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪籽b置示意圖如圖4。

圖4“兩堵一注”封孔裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of“two plugs and one injection”sealing device

2.2 新型保壓注漿封孔裝置

通過對瓦斯抽采鉆孔圍巖應力與裂隙分析，保障鉆孔封孔效果的關鍵在于提高封孔注漿壓力。針對現(xiàn)有“兩堵一注”封孔工藝的不足，設計研究了1款新型保壓注漿封孔裝置，新型抽采鉆孔保壓封孔裝置示意圖如圖5。裝置主要由多孔管抽采管、孔口囊袋、孔內囊袋、注漿閥、回水閥等部分組成。采用注漿管與出漿管內切與瓦斯抽采管的一體化設計，實現(xiàn)了“一管多用，多管合一”的目標，消除了三角區(qū)域的漏漿通道，提升了抽采管、封孔囊袋以及孔壁間的氣密性，最大程度上提高了封孔段的注漿壓力，使得漿液有效滲透進孔周裂隙，保障了封孔效果。

圖5 新型抽采鉆孔保壓封孔裝置示意圖Fig.5 Schematic diagrams of a new type of drainage borehole pressure maintaining and sealing device

2.3 注漿封孔工藝及原理

在對瓦斯抽采鉆孔封孔前，應根據(jù)煤層附存及抽采鉆孔施工技術條件，合理選擇封孔裝置及參數(shù)。多孔抽采管的直徑一般為鉆孔直徑的0.6～0.8倍，封孔囊袋膨脹后的直徑一般為鉆孔直徑的1.05～1.1倍；注漿封孔段長度及位置則需根據(jù)鉆孔施工巷道的塑性圈范圍進行綜合確定，囊袋長度為0.5 m，注漿段范圍盡量設計在巷道彈性區(qū)內，且長度不小于2 m。

采用該注漿裝置進行瓦斯抽采鉆孔封孔時，首先將封孔裝置送入孔內指定位置，而后在孔口一側的多孔抽采管連接專用注漿與回水連接頭，通過注漿管與囊袋間的單向截止閥向囊袋內進行注漿，當囊袋注滿后注漿壓力開始逐步升高，使得囊袋進一步膨脹，實現(xiàn)了對孔壁的第1次擠壓加固；當注漿壓力達到1.5 MPa時，2個囊袋間的閥門開啟并向注漿段注漿，注漿段內多余的空氣通過回水閥與回水管排出，當回水管中開始流出漿液時，說明注漿段內漿液已完全充滿；關閉孔口回水閥，繼續(xù)提高注漿壓力至2 MPa，保持10 min后關閉孔口注漿閥，封孔結束，通過高壓漿液對鉆孔圍巖裂隙的充填，實現(xiàn)了對孔壁的第2次裂隙充填加固；此外，注漿材料選擇具有微膨脹特性的特細水泥，在漿液凝固過程中產生膨脹力，實現(xiàn)了對孔壁及裂隙的第3次加固。通過封孔裝置給鉆孔提供的3次的主動支護力，有效封堵鉆孔塑性區(qū)裂隙，保障了封孔效果。

3 工程實踐

3.1 試驗工作面概況

新維煤礦新場井設計生產能力60萬t/a，平硐（主、副平硐）加暗斜井開拓方式，中央邊界式通風，+431 m水平以上劃分為1個盤區(qū)，采用傾斜長壁采煤法由上至下依次開采2#、3#以及8#煤層。3106綜采工作面位于新場井一盤區(qū)中部，走向長度178 m，傾斜長度485 m，東部為3104工作面采空區(qū)，西部為未開采的3018工作面。工作面開采的3#煤層瓦斯壓力0.35 MPa，瓦斯含量5.90 m3/t，透氣性系數(shù)0.877 3 m2/（MPa2·d）。3106綜采工作面回采前利用回風巷施工順層瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預抽。

3.2 封孔效果對比實驗

為檢驗新型保壓封孔裝置封孔效果，分別采用聚氨酯封孔、“兩堵一注”封孔以及新型保壓封孔等3種封孔方法進行對比試驗。在工作面回風巷內設計施工1組共15個水平鉆孔，鉆孔深度80 m，水平間距3 m，依次命名為1#～15#鉆孔。鉆孔施工完成后，每3個鉆孔為1組，分別采用3種不同的封孔方式進行封孔。

為合理選擇封孔參數(shù)，確保封孔深度位于巷道彈性區(qū)范圍內，采用煤鉆屑解吸指標法對巷道塑性圈進行測定；通過對15個鉆孔施工過程中鉆屑解吸指標統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在孔深10 m左右時，鉆屑指標出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，因此將封孔深度設定為10 m，封孔段長度為3 m；其中“兩堵一注”與新型保壓封孔裝置的囊袋長度均為0.5 m，注漿段長度均為2 m。封孔完成后，分別對采用相同封孔方式的5個鉆孔串孔連接抽采系統(tǒng)，并安裝測氣嘴與孔板流量計。

3.3 試驗結果

1組鉆孔投抽后，每天對鉆孔瓦斯抽采濃度與流量觀測1次。通過對每5 d的觀測數(shù)據(jù)進行取平均值，并按投抽時間繪制抽采濃度與瓦斯抽采純量的對比曲線，不同封孔方式瓦斯抽采濃度對比如圖6，瓦斯抽采純量對比曲線圖如圖7。

由圖6和圖7可以看出，在鉆孔投抽30 d后，聚氨酯封孔、“兩堵一注”封孔以及新型保壓封孔工藝的平均瓦斯抽采濃度分別為28.14%、33.43%、37.42%，平均抽采純量分別為0.17、0.21、0.25 m3/min。與聚氨酯封孔和兩堵一注封孔工藝相比，新型保壓封孔瓦斯抽采濃度分別提高32.98%和11.94%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高47.1%和19.05%。

圖6 不同封孔方式瓦斯抽采濃度對比Fig.6 Comparison of gas drainage concentration of different sealing methods

在鉆孔投抽60 d后，3種封孔工藝的平均瓦斯抽采濃度分別為16.77%、22.98%、34.54%，平均抽采純量分別為0.10、0.16、0.22 m3/min。與聚氨酯封孔和兩堵一注封孔工藝相比，新型保壓封孔瓦斯抽采濃度分別提高105.96%和50.30%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高120.0%和37.5%。

綜上所述，3種封孔方式的瓦斯抽采濃度與抽采純量均隨抽采時間呈逐漸衰減的趨勢，但新型保壓封孔工藝的衰減速度與其他2種封孔方式相比較為平緩，瓦斯抽采濃度在鉆孔投抽60 d后，仍能保持在30%以上，說明新型保壓封孔裝置密封性能更好，能有效減少漏氣通道和孔內負壓損失，提高鉆孔瓦斯抽采效率。

4 結語

1）通過對巷道與鉆孔圍巖應力與裂隙特征分析，提出瓦斯抽采鉆孔封孔的兩項基本原則，即將封孔位置選擇在巷道彈性區(qū)內以及提高鉆孔徑向封孔壓力，可有效提升封孔效果。

2）設計了1款新型保壓封孔裝置，通過將注漿管、回漿管以及瓦斯抽采管一體化設計，避免了“兩堵一注”封孔裝置存在漏漿三角區(qū)的問題，大幅度提高了注漿封孔壓力；同時，可根據(jù)實際需要調節(jié)封孔長度和封孔位置，滿足精細化封孔的要求。

3）現(xiàn)場工程實踐表明，與聚氨酯封孔和“兩堵一注”封孔工藝相比，新型保壓封孔工藝在瓦斯抽采鉆孔投抽30 d后，瓦斯抽采濃度分別提高32.98%和11.94%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高47.1%和19.05%；鉆孔投抽60 d后，抽采濃度分別提高105.96%和50.30%，鉆孔瓦斯抽采純量分別提高120.0%和37.5%。新型保壓封孔工藝在減少漏氣通道方面起到了良好效果，且投抽時間越長效果越顯著。