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        采煤工作面破碎圍巖底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

        2022-10-13 10:36:16劉紅星賈博宇
        山東煤炭科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:腔室封孔裂隙

        劉紅星 賈博宇

        (河南能源義煤集團(tuán),河南 義馬 472300)

        新義礦為煤與瓦斯突出礦井,目前所有工作面均采用底板巖巷穿層鉆孔(水力沖孔)預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施。但11090 工作面中部底板巷層位在二1 煤層底板下8~10 m 的泥巖層內(nèi),巖性破碎,打鉆施工困難,并且砂質(zhì)泥巖具有遇水易軟化的特性,導(dǎo)致鉆孔封孔時(shí)易出現(xiàn)塌孔、碎巖堵塞等現(xiàn)象,瓦斯抽采效果差。為解決該問(wèn)題,研究提出圍巖壁后注漿和均壓封孔聯(lián)動(dòng)技術(shù)[1-5],提高打鉆和封孔質(zhì)量,有效控制鉆孔漏氣通道,提高抽采效果。

        1 壁后注漿技術(shù)

        1.1 實(shí)施情況

        為降低鉆孔施工前漏風(fēng)通道,開(kāi)展壁后注漿試驗(yàn)。根據(jù)鉆孔封孔堵塞情況判斷該區(qū)域圍巖裂隙主要分布在二1 煤層底板以下2~4 m,為避免漿液進(jìn)入煤體影響注漿效果,設(shè)計(jì)注漿鉆孔終孔位置位于煤巖結(jié)合面以下3 m 處,主要對(duì)圍巖裂隙發(fā)育區(qū)和破碎帶進(jìn)行注漿充填加固。鉆孔按奇數(shù)和偶數(shù)呈雙排交叉布置,控制巷道輪廓線以外20 m 范圍。根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況,通過(guò)注漿鉆孔對(duì)裂隙進(jìn)行多輪次注漿,使?jié){液充分充填和膠結(jié)圍巖內(nèi)的裂隙,起到加固和堵漏作用,有效提高鉆孔瓦斯抽采效果。在11090 中部底板巷93~106 組鉆孔區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn),共施工117 個(gè)鉆孔,其中一次注漿鉆孔117 個(gè),二次注漿鉆孔117 個(gè),三次注漿鉆孔31 個(gè),四次注漿鉆孔15 個(gè),五次注漿鉆孔7 個(gè),六次注漿鉆孔3個(gè),七次注漿鉆孔1 個(gè),共注水泥18.8 t。11090 工作面及底板巷示意圖如圖1 所示,壁后注漿示意圖如圖2 所示。

        圖1 11090 工作面及底板巷示意圖

        圖2 壁后注漿鉆孔示意圖

        1.2 注漿流程

        (1)注漿鉆孔,每組間距6 m,每組9 個(gè)鉆孔。

        (2)施工鉆具采用MQT-130 錨索鉆機(jī)或YT-28 風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī),鉆頭Φ45 mm。

        (3)鉆孔封孔采用4 分注漿管(鋼管),長(zhǎng)度4 m,為一根2 m 長(zhǎng)實(shí)管和一根2 m 長(zhǎng)花管連接。

        (4)注漿管固管方式:4 分注漿管捆扎一根2 m 長(zhǎng)囊袋PE 注漿管一起送入孔內(nèi),孔口先用水泥封堵(一次固管),封堵長(zhǎng)度300 mm,4 分注漿管外露長(zhǎng)度150 mm,PE 注漿管進(jìn)入孔內(nèi)1000 mm。待一次固管施工24 h 后,進(jìn)行二次固管施工。利用封孔泵向孔內(nèi)注漿加固注漿管,水灰比0.8:1,直至注漿管內(nèi)返漿方可停止注漿固管施工。

        (5)二次固管注漿施工結(jié)束24 h 后,進(jìn)行圍巖裂隙注漿加固施工,漿液水灰比為1:0.8。

        (6)注漿壓力預(yù)設(shè)為3 MPa,注漿壓力持續(xù)穩(wěn)定2 min 后,注漿結(jié)束。

        1.3 效果分析

        壁后注漿實(shí)施后,2022 年1 月4 日—2 月29日,每7 d 分別對(duì)注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域巷道圍巖頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析發(fā)現(xiàn):未注漿巷道兩個(gè)月內(nèi)巷道頂板下沉量最大值17 mm,兩幫移近量最大值28 mm;壁后注漿段巷道下沉量最大值10 mm,兩幫移近量最大值16 mm,壁后注漿對(duì)巷道頂板下沉量和兩幫移近量均有減緩作用。注漿段鉆孔平均瓦斯初始濃度86.6%,抽采48 h 后平均瓦斯?jié)舛?2.4%,未注漿段平均初始瓦斯?jié)舛?2.6%,抽采48 h 后平均瓦斯?jié)舛?0.8%,并且鉆孔孔口漏氣由原來(lái)的每組3~4 個(gè)鉆孔下降至每組1~2 個(gè)鉆孔,鉆孔漏氣率降低21.6%,壁后注漿段鉆孔抽采效果提升顯著。通過(guò)鉆孔窺視儀觀測(cè)注漿前、后鉆孔發(fā)現(xiàn),注漿后鉆孔內(nèi)部較完整,裂隙發(fā)育減少,有效降低圍巖頂板下沉量和兩幫移近量,減少巖層裂隙,為施工穿層鉆孔提供有利條件。

        2 均壓封孔技術(shù)

        2.1 實(shí)施情況

        在實(shí)施圍巖壁后注漿后,雖然巖層裂隙有所控制,但傳統(tǒng)封孔工藝依然存在封孔不嚴(yán)等情況。為改進(jìn)封孔工藝,在11090 中部底板巷開(kāi)展117 個(gè)鉆孔均壓封孔試驗(yàn),與12030 中部底板巷第二評(píng)價(jià)單元中122個(gè)傳統(tǒng)封孔鉆孔(兩堵兩注)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。均壓封孔技術(shù)采用雙負(fù)壓進(jìn)行抽放,利用囊袋式封孔器在抽放鉆孔內(nèi)形成主、副抽放腔室,在主、副抽放腔室所產(chǎn)生負(fù)壓的共同作用下,裂隙內(nèi)的抽放負(fù)壓會(huì)二次分布,降低了主抽放腔室與外界的壓差,同時(shí)副抽放腔室所產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用,阻止空氣流向主抽放腔室,從而減少抽放過(guò)程中漏風(fēng),達(dá)到提高瓦斯抽采濃度的目的。鉆孔抽采時(shí)布置2趟抽放管路(主抽放管路、副抽放管路),首先采用兩堵兩注封孔工藝將封孔管連接主抽放管進(jìn)行抽采。兩堵兩注施工完成后,距離孔口2 m 處下一個(gè)活動(dòng)囊袋,囊袋要新穿入一根Φ40 mm 實(shí)管,并包裹原Φ40 mm 實(shí)管。囊袋注漿結(jié)束后,采用氣室注漿管對(duì)氣室密閉段進(jìn)行注漿填充密閉,避免封孔管間隙漏氣,氣室密閉段長(zhǎng)度不少于1 m。囊袋注漿壓力0.8~1.2 MPa,注漿頻率1次/秒,達(dá)到設(shè)定壓力,注漿頻率變緩(2~3 秒/次),方可停止注漿;注漿段注漿壓力0.7~1.2 MPa,原則上要達(dá)到1 MPa,提前出現(xiàn)反清水情況可根據(jù)實(shí)際壓力值情況勻速緩慢注漿,實(shí)管內(nèi)返清水和泵憋停方可停止注漿;漿液水灰比1:2;最低注漿量120 kg,現(xiàn)場(chǎng)以實(shí)際為準(zhǔn),不出現(xiàn)返清水和注漿頻率變緩現(xiàn)象,不得停止注漿。均壓抽放瓦斯封孔技術(shù)示意圖如圖3 所示,穿層鉆孔平面和剖面如圖4、圖5 所示。

        圖3 均壓抽放瓦斯封孔技術(shù)圖

        圖4 穿層鉆孔布置平面圖 (m)

        圖5 穿層鉆孔布置剖面圖(m)

        2.2 應(yīng)用效果

        鉆孔施工封孔連抽后,對(duì)瓦斯抽采濃度進(jìn)行了40 d 的跟蹤考察,分別對(duì)鉆孔封孔后的初始濃度、第48 小時(shí)濃度及10 d、20 d、30 d、40 d 瓦斯?jié)舛鹊钠骄颠M(jìn)行對(duì)比分析。采用傳統(tǒng)封孔工藝的鉆孔組當(dāng)月平均抽采濃度20.4%,純流量0.21 m3/min,瓦斯抽采量6 745.26 m3,各鉆孔平均初始濃度為65.6%,40 d 后平均瓦斯抽采濃度為14.8%,濃度衰減較快,表明在初始抽放時(shí)存在一定程度的漏風(fēng),而且隨著抽放時(shí)間的進(jìn)行,漏風(fēng)程度進(jìn)一步擴(kuò)大。采用均壓封孔工藝的鉆孔組當(dāng)月抽采濃度46.8%,純流量1.9 m3/min,瓦斯抽采量18 521.26 m3,平均初始瓦斯抽采濃度為76.2%,40 d 后平均瓦斯抽采濃度為27.8%,比傳統(tǒng)的封孔工藝瓦斯抽采濃度提高13%,瓦斯抽采各項(xiàng)指標(biāo)均明顯提升。

        3 結(jié)論

        (1)通過(guò)研究壁后注漿工藝和流程,在11090工作面中部底板巷對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行多輪次注漿,充填和膠結(jié)圍巖內(nèi)的裂隙,減少巖層裂隙和鉆孔施工前漏風(fēng)通道,為穿層鉆孔施工和后期沖孔、封孔等提供保障。

        (2)通過(guò)對(duì)比壁后注漿前后的各項(xiàng)瓦斯抽采數(shù)據(jù),注漿段鉆孔平均初始濃度86.6%,抽采48 h 后平均濃度72.4%,而未注漿段平均初始濃度72.6%,抽采48 h 后平均濃度60.8%,并且鉆孔孔口漏氣由原來(lái)的每組3~4 個(gè)鉆孔下降至每組1~2 個(gè)鉆孔,鉆孔漏氣率降低21.6%,壁后注漿段鉆孔抽采效果提升顯著。

        (3)在傳統(tǒng)兩堵兩注封孔工藝基礎(chǔ)上,試驗(yàn)均壓封孔技術(shù)。在主、副抽放腔室所產(chǎn)生負(fù)壓的共同作用下,裂隙內(nèi)的抽放負(fù)壓會(huì)二次分布,降低了主抽放腔室與外界的壓差,同時(shí)副抽放腔室所產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用,阻止空氣流向主抽放腔室,從而減少抽放過(guò)程中漏風(fēng)。

        (4)通過(guò)均壓封孔對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用均壓封孔工藝的鉆孔組當(dāng)月抽采濃度46.8%,純流量1.9 m3/min,瓦斯抽采量18 521.26 m3,平均初始瓦斯抽采濃度為76.2%,40 d 后平均瓦斯抽采濃度為27.8%,比傳統(tǒng)的封孔工藝瓦斯抽采濃度提高13%,瓦斯抽采各項(xiàng)指標(biāo)均明顯提升,有效提高封孔質(zhì)量。

        (5)兩種技術(shù)聯(lián)動(dòng)后,有效降低鉆孔施工前和封孔后兩類(lèi)漏風(fēng)通道,有效提高瓦斯抽采效果。

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