楊棟，孫玉寧，程偉，王志明，張鈞祥

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048012)

0 引 言

瓦斯是成煤過(guò)程中形成的一種伴生氣，以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于煤層中[1-2]。煤層瓦斯常常導(dǎo)致煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等災(zāi)害事故。瓦斯抽采不僅能夠解決煤礦井下瓦斯災(zāi)害事故，而且還可以合理利用瓦斯這種非常規(guī)天然氣。煤礦瓦斯抽采主要通過(guò)鉆孔實(shí)施，抽采鉆孔分為順層鉆孔和穿層鉆孔兩種基本形式[3]。

從源頭純化瓦斯是提高瓦斯體積分?jǐn)?shù)最直接有效、成本最低的一種方法，該方法要求提高鉆孔的密封質(zhì)量，同時(shí)將瓦斯抽采鉆孔的漏氣量降到最低[4-5]。選取合理的封孔工藝、封孔材料對(duì)于降低鉆孔漏氣量至關(guān)重要。為了提高鉆孔的密封質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多種封孔工藝和封孔材料。應(yīng)用比較多的封孔工藝包括“兩堵一注”封孔、動(dòng)態(tài)注漿封孔、“二次封孔”和封堵一體化等[5]。近年來(lái)，也報(bào)道了多種高性能封孔材料，如CF材料、PD材料、水泥基發(fā)泡高水材料、“二次膨脹”材料等[6-11]。一般地，“兩堵一注”封孔工藝不能二次注漿[12]；動(dòng)態(tài)封孔和二次封孔受初次封孔制約，故二次注漿壓力較低[13]。針對(duì)注漿封孔的局限性，周福寶等[14]提出利用鉆孔負(fù)壓將超細(xì)膨脹粉末顆粒吸入鉆孔周?chē)⑿×严兜亩畏饪追椒?；王兆豐等[15]提出“破孔重封”的二次封孔方法；時(shí)嵐[16]提出固液兩相膏體分時(shí)段封孔技術(shù)；楊赫[17]提出瓦斯抽采鉆孔分級(jí)管控，期望通過(guò)識(shí)別有問(wèn)題鉆孔進(jìn)行針對(duì)性封孔，從而提高總體瓦斯體積分?jǐn)?shù)，但瓦斯體積分?jǐn)?shù)衰減過(guò)快問(wèn)題依然沒(méi)有完全解決。

“三軟”煤層瓦斯含量高、透氣性差、構(gòu)造發(fā)育、煤體強(qiáng)度低、吸附性強(qiáng)[13]。該類(lèi)煤層的礦井瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)比較低，且廣泛存在鉆孔流量大，體積分?jǐn)?shù)低的漏氣現(xiàn)象，直接導(dǎo)致準(zhǔn)備工作面消突緩慢，采掘接替緊張。針對(duì)煤礦“三軟”煤層瓦斯抽采鉆孔封孔存在的問(wèn)題，本文擬研發(fā)一種高保壓二次注漿封孔工藝，并配套研制高膨脹性初次封孔材料(GPM)和聚氨酯基有機(jī)二次注漿材料(JEM)，提高瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)。

1 工程概況

鄭煤集團(tuán)公司超化煤礦位于河南省新密煤田西南部，該礦主采煤層為山西組二1煤層，厚度0.19～28.90 m，平均10.0 m。二1煤層在歷史上經(jīng)歷了數(shù)次地質(zhì)構(gòu)造作用，煤體破碎、松軟，屬典型的“三軟”不穩(wěn)定煤層。該煤層因埋藏條件較好，瓦斯富集。經(jīng)鑒定，該礦二1煤層為煤與瓦斯突出煤層，礦井為煤與瓦斯突出礦井。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為11.59 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為2.89 m3/t。近年來(lái)，隨著采深增加，瓦斯已經(jīng)成為阻礙該礦安全生產(chǎn)的首要因素。目前開(kāi)采單一厚煤層，無(wú)保護(hù)層可采，底抽巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯成為該礦主要區(qū)域防突措施。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

2 注漿封孔工藝

2.1 “兩堵一注”封孔工藝

超化煤礦底抽巷穿層注漿封孔工藝采用囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔，注漿材料為普通發(fā)泡水泥。鉆孔完成后，將多根抽采管插入鉆孔內(nèi)，煤段用花管，巖段用實(shí)管；待注漿材料攪拌均勻后，連接注漿管，開(kāi)始注漿；漿液由注漿管進(jìn)入兩端囊袋，當(dāng)囊袋注滿后，注漿壓力逐漸上升，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1～1.2 MPa時(shí)，兩囊袋中間爆破閥打開(kāi)，漿液流進(jìn)兩囊袋中間的空間；繼續(xù)注漿一段時(shí)間后，注漿泵自動(dòng)停止，注漿完成；注漿完成后，注漿泵繼續(xù)工作一段時(shí)間，使?jié){液充分進(jìn)入鉆孔周?chē)严叮缓蟠蜷_(kāi)泄壓閥，斷開(kāi)注漿管，清洗注漿泵，封孔完成。

2.2 高保壓二次注漿封孔工藝

針對(duì)松軟煤層瓦斯抽采封孔特點(diǎn)，提出高保壓二次注漿封孔工藝，如圖1所示。該新型工藝采用穿套式三囊袋封孔器，GPM和JEM。采用GPM密封鉆孔，利用該材料優(yōu)異的膨脹力進(jìn)行支護(hù)且壓密鉆孔，同時(shí)為二次注漿提供良好的保壓條件，隨著鉆孔圍巖失穩(wěn)，向二次注漿區(qū)域注入JEM，進(jìn)而充分充填鉆孔裂隙。

P1：初次封孔注漿管，P2：二次封孔注漿管，A-1和A-2：初次封孔注漿段，C：二次封孔注漿段

圖1中穿套式三囊袋封孔器(圖2為實(shí)物照)包括囊袋1、囊袋2、囊袋3、初次注漿管P1和二次注漿管P2；初次注漿管穿入3個(gè)囊袋并與之連通；二次注漿管在囊袋外部，其末端固定在囊袋2中部，囊袋2注漿后呈現(xiàn)“中間細(xì)，兩端粗”的形狀，構(gòu)建出二次注漿空間，如圖3所示。

圖2 封孔器照片F(xiàn)ig.2 Photos of hole sealing device

圖3 囊袋2捆扎示意Fig.3 Schematic of the binding of capsule 2

基于穿套式三囊袋封孔器的高保壓二次注漿封孔工藝操作流程包括以下步驟。

(1)初次注漿封孔：鉆孔成孔后，將抽采管從封孔器的3個(gè)囊袋間穿過(guò)，隨后圍繞抽采管將囊袋緊緊纏繞，并用膠帶或鐵絲將囊袋兩端固定在抽采管上。固定囊袋時(shí)，二次注漿管P2端部也要纏繞膠帶，以保證注漿完畢后形成一個(gè)圖3所示的二次注漿空間，然后將封孔器插入鉆孔指定深度，對(duì)鉆孔注入GPM，進(jìn)行初次注漿封孔。

(2)二次注漿封孔：瓦斯抽采一段時(shí)間后，對(duì)于瓦斯體積分?jǐn)?shù)衰減較快的鉆孔進(jìn)行漏氣處置，即二次注漿封孔。采用高壓注漿，通過(guò)裂隙封堵管，向圖3中預(yù)留的凹槽注入JEM，注漿材料在壓力作用下進(jìn)入鉆孔周?chē)严?，達(dá)到漏氣封堵的目的。

3 注漿堵漏材料

3.1 GPM

采用GPM對(duì)鉆孔進(jìn)行初次密封，起到支護(hù)鉆孔和壓密鉆孔裂隙的目的。該材料的成分包括硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏，輔助添加劑包括懸浮劑、發(fā)泡劑、增強(qiáng)劑等。

圖4為約束條件下GPM的膨脹力演化曲線。由圖4可以看出，GPM的膨脹力具有顯著的時(shí)效特性，即膨脹力隨時(shí)間先增加后逐漸趨于穩(wěn)定。材料水化30 h和100 h 后對(duì)外顯現(xiàn)的膨脹力分別為0.049，0.413 MPa，第168 h時(shí)，測(cè)得的膨脹力為0.672 MPa。這種膨脹力有助于壓密鉆孔圍巖，不僅可以減小鉆孔圍巖卸壓區(qū)的孔隙度，而且還能為二次注漿封孔創(chuàng)造良好的保壓條件。

圖4 GPM膨脹力-時(shí)間曲線Fig.4 Curves of swelling pressures versus time of GPM

3.2 JEM

選擇性能優(yōu)良的二次注漿材料是高保壓二次注漿封孔工藝實(shí)施成功的關(guān)鍵。本文選用的主要注漿材料為樹(shù)脂，配以苯酚聚合物、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和增韌劑。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，材料的料水質(zhì)量比是其黏度的主要影響因素，料水質(zhì)量比越低，漿液黏度越小，當(dāng)料水質(zhì)量比為1∶0.5時(shí)，黏度基本保持不變，最終確定料水比為1∶0.4，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔涌水情況適當(dāng)調(diào)節(jié)；苯酚聚合物添加量影響材料強(qiáng)度和凝膠時(shí)間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，苯酚聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%時(shí)，材料強(qiáng)度為12.67 MPa，且固化情況更好；交聯(lián)劑添加量是材料凝膠時(shí)間的主要影響因素，根據(jù)堵漏注漿需求，凝膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，凝膠時(shí)間為30 min；增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響材料的表觀黏度和收縮率，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)既能保障材料的表觀黏度，又能盡量減小材料收縮；發(fā)泡率添加量影響注漿材料的膨脹性，膨脹性過(guò)低不能有效封堵裂隙，膨脹性過(guò)高則可能把現(xiàn)有裂隙撐開(kāi)形成新的裂隙，綜合考慮，發(fā)泡劑添質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為1%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定該封孔材料各組分配比，即料水質(zhì)量比1∶0.4，苯酚聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%，增韌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%，發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%。JEM具有黏度低、可注性高、膨脹性適宜、凝固時(shí)間可調(diào)、密封性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足對(duì)鉆孔周?chē)后w裂隙的充填和密封要求。JEM固結(jié)體如圖5所示，該材料性能參數(shù)如表2所示。

圖5 JEM固結(jié)體Fig.5 Consolidated body of JEM

表2 JEM性能參數(shù)Tab.2 Parameters for JEM

3.3 高保壓二次注漿封孔原理數(shù)值模擬

采用GPM封孔，經(jīng)過(guò)GPM的支護(hù)-壓密作用后，鉆孔壁圍巖變形可表示為圖6。由圖6可知，封孔段圍巖發(fā)生了顯著壓縮，此處的裂隙減小，進(jìn)而改善了封孔段圍巖的致密性，并為囊袋2注漿空間的注漿壓力提供了保壓條件。

圖6 初次注漿封孔后封孔段圍巖位移Fig.6 Displacement of the coal rock around borehole sealed by GPM

對(duì)鉆孔進(jìn)行二次注漿可密封圍巖裂隙，達(dá)到再次提高瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)的目的。但二次注漿壓力較大，易發(fā)生漿液擠出。二次注漿壓力為1.0 MPa時(shí)，鉆孔圍巖中漿液分壓計(jì)算結(jié)果如圖7所示。封孔材料不對(duì)鉆孔壁施加壓力時(shí)，漿液能沿封孔段軸向流動(dòng)，最終漏入鉆孔(圖7(a))。這種漿液擠出行為不僅浪費(fèi)漿液，而且使注漿室不保壓，還限制了漿液的徑向運(yùn)移，減弱了注漿效果。封孔材料對(duì)鉆孔圍巖施加膨脹作用后，漿液沿徑向的運(yùn)移范圍大幅增大，使?jié){液擠出得到有效防治，注漿室獲得良好的保壓注漿環(huán)境(圖7(b))。

圖7 不同封孔材料封堵二次漿液的運(yùn)移Fig.7 Fracture-blockage slurry migration of different sealing materials

4 工程應(yīng)用

為了檢驗(yàn)該新型封孔工藝的實(shí)際應(yīng)用效果，在鄭煤集團(tuán)公司超化煤礦進(jìn)行高保壓二次注漿封孔工藝的應(yīng)用試驗(yàn)。在地質(zhì)條件盡可能相同的條件下采用高保壓二次注漿封孔30個(gè)，并與“兩堵一注”封孔30個(gè)對(duì)比，兩種封孔工藝交叉布置。

4.1 試驗(yàn)鉆孔布置

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在22051工作面1號(hào)橫貫1號(hào)鉆場(chǎng)，試驗(yàn)鉆孔穿層預(yù)抽鉆孔。二1煤層平均厚度 9.5 m，平均傾角20°，原始瓦斯含量4.66～9.27 m3/t，原始瓦斯壓力0.285～0.35 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)需布置抽采鉆孔60個(gè)，實(shí)際施工過(guò)程中 14 個(gè)鉆孔未完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為切實(shí)保證安全補(bǔ)充施工了 14個(gè)抽采鉆孔，實(shí)際施工抽采鉆孔 74 個(gè)。鉆孔孔徑95 mm，平均傾角33.8°，平均孔深58.4 m，見(jiàn)巖段長(zhǎng)度34.1 m，見(jiàn)煤段長(zhǎng)度24.3 m，鉆孔實(shí)際成孔情況如圖8所示。

圖8 鉆孔成孔示意Fig.8 Schematic diagram of drilling

4.2 效果分析

根據(jù)鉆孔所測(cè)數(shù)據(jù)，繪制體積分?jǐn)?shù)對(duì)比曲線，如圖9所示。

由圖9可以看出，使用高保壓二次注漿封孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)要明顯好于“兩堵一注”封孔的。初次封孔一段時(shí)間后，試驗(yàn)鉆孔和對(duì)比鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)一定程度的衰減，10月31日對(duì)該鉆場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行裂隙封堵，鉆孔裂隙封堵前后瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)由18.21%(10月29日測(cè)試)提高到25.87%(11月1日測(cè)試)，裂隙封堵后的瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)較裂隙封堵前提高了7.66%，漏氣封堵效果明顯。表明漏氣封堵過(guò)程中，漿液在高壓作用下進(jìn)入鉆孔周?chē)严?，阻斷了漏氣通道，有效提高了瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)。

圖9 1號(hào)橫貫1號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curves of gas extraction concentration in No.1 of cross 1 drilling field

自10月10日至12月30日預(yù)抽期內(nèi)，試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)為16.89%，礦方鉆孔為10.42%；12月30日試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)為15.61%，礦方鉆孔為9.95%。表明使用高保壓二次注漿封孔工藝能有效延長(zhǎng)鉆孔使用壽命。

5 結(jié) 論

(1)新型封孔工藝包括一次低壓注漿及二次高壓注漿2個(gè)階段：利用GPM優(yōu)異的膨脹性支護(hù)壓密鉆孔，同時(shí)堵塞鉆孔淺部圍巖漏氣通道；利用JEM良好的可注性，對(duì)鉆孔周?chē)⑿×严哆M(jìn)行注漿，通過(guò)材料固化充填、膠結(jié)作用密封裂隙，同時(shí)提高圍巖自承能力。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該封孔工藝配合GPM和JEM，能夠保障漿液在鉆孔圍巖充分?jǐn)U散，證明了該工藝的可行性。

(3)與超化煤礦“兩堵一注”封孔相比，高保壓二次注漿封孔工藝大大改善了瓦斯抽采效果，有效提高了瓦斯利用率，鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)衰減得到了有效控制。