徐鵬飛

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦目前主采8#煤層，厚度3.80～4.80 m，均厚約4.43 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a，礦井工業(yè)廣場(chǎng)位于山西省古交市西南15 km。18502工作面設(shè)計(jì)利用輔運(yùn)巷、皮帶巷施工順層鉆孔對(duì)該面進(jìn)行本煤層抽采，從巷道里程1190 m 開(kāi)始至里程110 m 結(jié)束，工作面傾斜長(zhǎng)度320 m，兩側(cè)巷道內(nèi)順層鉆孔長(zhǎng)度170 m，鉆孔直徑113 mm，鉆孔水平間距8 m，兩側(cè)鉆孔交替布置。工作面巷道布置及皮帶巷一側(cè)順層鉆孔布置詳情見(jiàn)圖1 所示。封孔工藝：采用袋裝聚氨酯封孔。鉆孔施工完畢后，鉆機(jī)及時(shí)向孔內(nèi)推入規(guī)格3 m4 寸PVC 套管（全程使用PVC 管，下套管深度以套管底端進(jìn)入穩(wěn)定巖層為準(zhǔn)），在套管距孔口0.5 m、3 m、5 m、7 m 處分別捆綁一道封孔膠，每道封孔膠不少于4 袋，封孔深度6.6 m。待封孔膠充分反應(yīng)后，在孔口200 mm 段用水泥砂漿進(jìn)行固孔。結(jié)合南五下組煤已采8#煤工作面抽采效果預(yù)測(cè)，采用袋裝聚氨酯封孔前期封孔效果良好，但是抽采約10 d 后，抽采濃度急速下降，導(dǎo)致抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)、需施工補(bǔ)充抽采鉆孔等問(wèn)題。

圖1 18502 巷道及順層鉆孔布置示意圖（m）

2 非凝固膏體材料封孔技術(shù)原理

參考相關(guān)研究成果[1]，非凝固膏體材料封孔技術(shù)實(shí)質(zhì)是在固體封孔基礎(chǔ)上加上液體封孔段，其技術(shù)原理如圖2。每個(gè)鉆孔通過(guò)三個(gè)固體封孔段+兩個(gè)非固體封孔段進(jìn)行封閉，三個(gè)固體封孔段形成兩個(gè)密閉空間A、B。首先注入可凝固封孔材料形成三個(gè)固體封孔段，然后在密閉空間A 中注入非凝固封孔材料，固體密封段兼具封堵瓦斯及非凝固膏體材料的作用。非凝固材料在壓力作用下向鉆孔周?chē)扑槊后w內(nèi)滲透，起到阻隔瓦斯?jié)B漏通路的效果。一次封孔完成后，即具備瓦斯抽采條件，抽采一段時(shí)間后，再向密閉空間B 內(nèi)注入非凝固封孔材料，起到二次封孔的效果。后續(xù)瓦斯抽采過(guò)程中，當(dāng)封孔效果下降時(shí)，可重復(fù)多次注入非凝固膏體材料，起到多次封孔的作用。

圖2 非凝固膏體封孔技術(shù)原理圖

3 膏體材料合理注漿壓力、黏度模擬研究

非凝固膏體材料封孔技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵影響因素包括封孔長(zhǎng)度、非凝固膏體材料滲透半徑、注漿壓力等[2-3]。為保證膏體封孔材料能夠滲透至鉆孔周?chē)后w內(nèi)破碎帶邊界，且避免膏體漿液流失過(guò)快，非凝固膏體材料既需要有良好的滲透性同時(shí)也需要具有一定的黏度。為選擇更適合馬蘭礦18502 工作面的封孔注漿壓力和漿液黏度，依據(jù)馬蘭礦8#煤層相應(yīng)物理參數(shù)利用COMOSL 仿真數(shù)值模擬軟件建立模型。為保證模擬方案的可行性，以一個(gè)鉆孔為研究對(duì)象，模型為高11 m、寬12 m 的矩形，模型四周邊界均為不透水邊界，煤層孔隙率0.08，滲透率2×10-10，煤層密度1350 kg/m3，圓形鉆孔界面位于模型中央，直徑113 mm，模型如圖3（a）。設(shè)計(jì)非凝固膏體材料黏度分別為0.05、0.01、0.015、0.03、0.05、0.075、0.1、0.13、0.16、0.2、0.25 Pa·s，組別編號(hào)為1～11 組?？紤]到馬蘭礦采用的袋裝聚氨酯封孔器耐壓小于2 MPa，設(shè)計(jì)注漿壓力為0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.5 MPa 四組，注漿時(shí)間為30 min，觀測(cè)漿液影響范圍，整理得到圖3（b）所示結(jié)果。

根據(jù)圖3（b）可以看出，隨著注漿壓力的增大，各黏度條件下漿液的影響半徑均呈增大趨勢(shì)。不同壓力條件下，黏度編號(hào)1～6 組漿液影響半徑存在明顯的差值，表明此時(shí)漿液黏度小，0.8～1.5 MPa 注漿壓力均滿(mǎn)足漿液滲流的需求；黏度編號(hào)7～11 組影響半徑基本無(wú)差異，說(shuō)明此時(shí)漿液黏度過(guò)大，注漿壓力均不滿(mǎn)足動(dòng)力條件。綜合考慮滲透效果、粘結(jié)效果、流失時(shí)間等因素，確定合理的漿液黏度為2～4 組，即0.01～0.03 Pa·s。對(duì)比分析不同壓力條件下各黏度組擴(kuò)散半徑提升幅度，0.8 MPa 與1.0 MPa影響半徑隨漿液黏度變化曲線(xiàn)僅在第二組黏度條件下存在明顯的差異，表面注漿壓力由0.8 MPa 提高至1.0 MPa，漿液擴(kuò)散效果提升不明顯；注漿壓力為1.2 MPa 時(shí)，相對(duì)于1.0 MPa 對(duì)應(yīng)黏度第1～3 組、5 組、6 組條件下的影響半徑均顯著增大，且增幅明顯大于注漿壓力1.5 MPa。綜合考慮注漿設(shè)備要求等現(xiàn)場(chǎng)施工因素，選取1.2 MPa 為最優(yōu)注漿壓力。

圖3 數(shù)值模型及模擬結(jié)果

4 實(shí)體煤幫破碎區(qū)深度實(shí)測(cè)

參閱相關(guān)研究成果可知[4]，回采巷道掘進(jìn)后，擾動(dòng)了巷道周?chē)后w內(nèi)的原始應(yīng)力分布平衡，實(shí)體煤幫由淺至深形成破碎區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。破碎區(qū)煤體破碎嚴(yán)重，該區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工時(shí)存在塌孔、堵孔的風(fēng)險(xiǎn)，且瓦斯抽采過(guò)程中存在漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，是導(dǎo)致抽采鉆孔瓦斯抽采濃度降低的重要因素，因此抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于破碎區(qū)深度。根據(jù)破碎區(qū)透氣性較好的特性，設(shè)計(jì)圖4（a）所示的測(cè)定原理，采用兩個(gè)密封囊袋在不同鉆孔深度形成封閉空間，在該空間注入等壓氣體，根據(jù)氣體注入量的變化來(lái)判斷煤體的破碎程度。在18502 輔運(yùn)巷施工3 個(gè)測(cè)試鉆孔，孔深16 m，直徑113 mm，深度每增加1 m 作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，密封膠囊內(nèi)注水壓力2.5 MPa，封堵空間內(nèi)氣體注入壓力0.5 MPa，通過(guò)流量計(jì)讀取氣體注入量，整理得到圖4（b）所示結(jié)果。

圖4 破碎區(qū)深度測(cè)試原理及結(jié)果

由氣體流量隨鉆孔深度變化曲線(xiàn)可以看出，三個(gè)鉆孔氣體流量均隨著深度增大呈減小趨勢(shì)。密閉空間中心深度由1.5 m 至5.5 m，氣體流量減小了20%，表明巷幫0～5.5 m 范圍內(nèi)煤體破碎程度高，透氣性較好；深度9.5 m 與5.5 m 相比，三個(gè)鉆孔的氣體流量平均減小72%，表明該區(qū)域煤體破壞程度逐漸降低，裂隙大小、數(shù)量均顯著減小，表明該區(qū)域?yàn)槠扑閰^(qū)至原巖應(yīng)力區(qū)的過(guò)渡帶；深度在10.5 m 及以上時(shí)，三個(gè)鉆孔氣體流量均保持在較低的水平，表明該區(qū)域煤體處于原巖應(yīng)力區(qū)。由此說(shuō)明大直徑瓦斯抽采鉆孔封孔深度應(yīng)不小于11 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固密封膏封孔技術(shù)的封孔效果，在馬蘭礦18502 輔運(yùn)巷進(jìn)行新封孔技術(shù)和傳統(tǒng)袋裝聚氨酯封孔的抽采效果對(duì)比分析。測(cè)試鉆孔布置如圖4，1#～5#鉆孔采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔技術(shù)，封孔長(zhǎng)度13 m，袋裝聚氨酯注入壓力為2 MPa。瓦斯抽采15 d 后，在第一個(gè)密封空腔內(nèi)注入非凝固膏體材料，壓力1.2 MPa，黏度0.02 Pa·s，抽采30 d 后再向第二個(gè)密閉空腔內(nèi)注入膏體材料，完成二次封孔。6#孔采用水泥密封，7#、8#孔采用袋裝聚氨酯封孔。監(jiān)測(cè)1#～8#抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，整理得到圖5 所示結(jié)果。

圖5 測(cè)試鉆孔布置示意圖（m）

由圖6 可以看出，抽采1～15 d，1#～8#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛然揪３衷?0%以上，各鉆孔間瓦斯?jié)舛炔町惒淮?；抽?5～30 d 期間，1#～4#鉆孔瓦斯?jié)舛染３衷?0%以上，6#鉆孔瓦斯?jié)舛冉抵?0%，7#、8#降至35%左右；抽采30～50 d 期間，1#～4#鉆孔瓦斯?jié)舛热员３衷?0%左右，6#鉆孔瓦斯?jié)舛缺３衷?0%，7#、8#鉆孔降至30%。抽采15 d 后，水泥封孔已基本失效，抽采15～30 d 期間，采用袋裝聚氨酯封孔效果迅速降低，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度不斷降低，無(wú)法滿(mǎn)足礦井瓦斯抽采濃度的要求。采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔效果良好，相對(duì)傳統(tǒng)封孔方式可有效提高瓦斯抽采濃度15%～40%，保障平均抽采濃度在50%以上，滿(mǎn)足工作面瓦斯抽采要求。

圖6 鉆孔瓦斯抽采濃度變化圖

6 結(jié)論

大直徑抽采鉆孔采用袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔技術(shù)可有效解決封孔效果迅速衰減的問(wèn)題，結(jié)合馬蘭礦18502 工作面地質(zhì)條件，非凝固膏體的合理黏度范圍為0.01～0.03 Pa·s，最佳注漿壓力1.2 MPa，巷幫煤體破碎區(qū)發(fā)育深度約為5.5 m，原巖應(yīng)力區(qū)深度為10.5 m，封孔長(zhǎng)度不應(yīng)小于11.0 m。袋裝聚氨酯封孔+非凝固膏體封孔鉆孔瓦斯抽采濃度衰減率低，封孔效果良好，抽采瓦斯?jié)舛缺３衷?0%以上，能夠滿(mǎn)足礦井瓦斯抽采的要求。