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        馬蘭礦大直徑瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)優(yōu)化研究

        2022-08-10 08:46:06徐鵬飛
        山東煤炭科技 2022年7期
        關(guān)鍵詞:袋裝膏體封孔

        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。

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