張佳龍

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

中國煤炭資源開采主要依靠井工開采[1-2]。煤層因其賦存條件伴生煤層氣(瓦斯),瓦斯既是一種能源資源亦是導(dǎo)致煤礦災(zāi)害的主要誘因之一?，F(xiàn)階段治理瓦斯的主要辦法是瓦斯抽采[3-4]。瓦斯抽采效果是評價(jià)瓦斯治理的主要指標(biāo)[5-7],瓦斯抽采效果受多因素支配,其中抽采鉆孔封孔質(zhì)量占比最高,而封孔不嚴(yán),封孔質(zhì)量差會(huì)造成抽采鉆孔漏氣、濃度低、流量小、抽不出瓦斯等一系列導(dǎo)致抽采效果差、瓦斯治理效果差的問題[8]。

因此,抽采鉆孔封孔質(zhì)量問題必須引起重視,從以前的聚氨酯封孔,水泥砂漿單堵頭封孔方式,到現(xiàn)階段的“兩堵一注”[9-11]。目前兩堵一注很盛行,但依然存在很多問題,如堵頭在注漿時(shí)發(fā)生脫落、注漿壓力不確定、爆破閥是否打開等問題仍然導(dǎo)致瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量差,瓦斯治理效果不好。許多學(xué)者根據(jù)“兩堵一注”工藝及原理不斷改進(jìn),形成了多種新型的封孔方式和設(shè)備[12-13],文中采用囊袋式新型兩堵一注一體化封孔器進(jìn)行封孔,并考察其效果。

1 概況

黃陵二號(hào)煤礦215工作面主采2號(hào)煤層,平均厚度2.8 m,屬侏羅系中統(tǒng)延安組。煤層為黑色塊狀,條痕黑色,弱瀝青光澤,參差狀斷口,以暗煤為主,亮煤次之,絲炭少量,屬半暗型煤,內(nèi)生裂隙發(fā)育,煤層無結(jié)構(gòu),煤層厚度2.1～3.1 m,煤層下部局部含夾矸。地質(zhì)構(gòu)造總體構(gòu)造格架是一個(gè)具有波狀起伏的傾向北西的單斜構(gòu)造,地層傾角一般為1°～5°。從切眼向停采線煤層底板標(biāo)高逐漸上升。215膠帶巷掘進(jìn)工作面位于井田二盤區(qū)東北部,西南至213工作面,南到北一1#輔運(yùn)大巷,東北部為未采區(qū),工作面走向方位為339°,煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

為提高黃陵二號(hào)煤礦瓦斯抽采效率,降低生產(chǎn)成本,提升礦井瓦斯治理水平,黃陵二號(hào)煤礦引進(jìn)囊袋式新型兩堵一注封孔器進(jìn)行封孔試驗(yàn),試驗(yàn)地點(diǎn)位于礦井北一采區(qū)215膠帶機(jī)巷,試驗(yàn)段共施工鉆孔15個(gè),均使用兩堵一注囊袋封孔器進(jìn)行封孔。

2 囊袋式新型兩堵一注封孔器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)原理

FKJW型兩堵一注封孔器由注漿管、返漿管,囊袋,單向閥及爆破閥組成,封孔器原理如圖1所示。

圖1 封孔器封孔原理

2.2 封孔工藝

封孔過程中,只需將囊袋固定在抽放管上,緩慢送入鉆孔即可。使用時(shí)先將封孔器固定在抽放管上推入鉆孔,注漿時(shí),漿液首先注滿囊袋,注漿壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí),爆破閥打開,開始中間注漿段注漿,直至漿液完全注滿空間,返漿管開始返漿;關(guān)閉返漿管,觀察注漿泵壓力表,達(dá)到指定注漿壓力時(shí)停止注漿。封孔器實(shí)物如圖2所示。

2.3 新型封孔材料

該產(chǎn)品具有膨脹性好、高強(qiáng)度、凝固時(shí)間可調(diào)、無收縮等技術(shù)優(yōu)勢。SCFK-1型無機(jī)封孔材料(膨脹型)、 SCFK-2型無機(jī)封孔材料(快凝型)及SCFK-3型無機(jī)封孔材料(快凝高膨脹型)如圖3所示。

圖3 黃陵二號(hào)煤礦采用的封孔注漿材料

封孔材料的優(yōu)點(diǎn):操作簡便,只需將封孔器固定在抽采管上,推入鉆孔即可;適用于瓦斯抽采鉆孔,不同用途鉆孔的封堵,同時(shí)適用于上行孔、順層孔、下行孔的封堵;爆破閥壓力可調(diào),囊袋耐壓強(qiáng)度高,封孔質(zhì)量好,可滿足鉆孔長期高效封堵的需要。鉆孔帶壓注漿,材料的高膨脹性可進(jìn)一步密封鉆孔周圍裂隙,持續(xù)性提高鉆孔的密封效果,提高單孔抽采濃度。

缺點(diǎn):各流程需嚴(yán)格把關(guān),對管理要求高?，F(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)掌握及封孔人員業(yè)務(wù)素質(zhì)把關(guān),對操作者要求高。封孔要求:煤層鉆孔封孔長度20 m;高位、頂板鉆孔封孔長度10 m;底板鉆孔封孔長度10 m。

SCFK封孔材料與普通425水泥性能對比見表2。

表2 SCFK封孔材料與普通425水泥性能對比

2.4 封孔步驟

①將安裝有封孔器的抽采管按順序送入鉆孔內(nèi),封孔器總長為14 m,分為4節(jié),前后兩節(jié)各固定有囊袋,孔口囊袋距孔口約500 mm。②注漿過程中,需要注意將封孔材料加入水中,邊加入邊攪拌漿液,水灰比控制在1∶1(質(zhì)量比),現(xiàn)場可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用手撈出漿液,不漏出皮膚即可。③注漿泵連接注漿管開始注漿,起始階段緩慢注漿(注漿泵閥門開到1/4),此時(shí)漿液注入2個(gè)囊袋內(nèi),漿液內(nèi)的水分通過囊袋過濾排出,緩慢注漿可保證囊袋內(nèi)的水分充分過濾排出。④爆破閥打開后,可加快注漿速度(完全打開注漿泵閥門),返漿管返漿后,對折關(guān)閉返漿管,繼續(xù)注漿(注漿泵閥門開1/4),注漿泵壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)(憋壓狀態(tài))停止注漿。⑤注漿泵使用后,用清水洗凈外表及其內(nèi)部,清洗干凈為止;整理現(xiàn)場,將各管路和設(shè)備合理歸置保存,沒用完的材料要放置在干燥通風(fēng)處,防止失效。

3 工程試驗(yàn)效果分析

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

煤層施工區(qū)域?yàn)?15膠帶巷切眼至停采線區(qū)域,共3 000 m,切眼向外2 034 m段每6 m施工1個(gè)煤層預(yù)抽鉆孔,設(shè)計(jì)鉆孔340個(gè);切眼向外2 034 m至切眼向外2 624 m段每10 m施工1個(gè)煤層預(yù)抽鉆孔,設(shè)計(jì)鉆孔59個(gè);切眼向外2 624 m至停采線段每15 m施工1個(gè)煤層預(yù)抽鉆孔,共施工27個(gè)本煤層預(yù)抽鉆孔,所有鉆孔孔深均為280 m,鉆孔與巷道中線夾角90°,考慮到施工時(shí)鉆頭下沉,施工傾角為1°～3°。鉆孔孔口位置距巷道底板1.5 m。工程試驗(yàn)選用其中的15個(gè)鉆,分成3組試驗(yàn)對象,主要為囊袋式新型兩堵一注封孔、普通兩堵一注封孔方式、水泥砂漿單堵頭封孔方式,如圖4所示。

圖4 對比試驗(yàn)鉆孔布置示意

3.2 配套裝備及工藝技術(shù)

鉆機(jī)采用CMSI-6500/75型履帶式鉆機(jī)和ZDY6000LD履帶式鉆機(jī),3NB-350/6-15型往復(fù)式泥漿泵,鉆頭為φ96 mm三翼內(nèi)凸鉆頭,鉆桿為φ73 mm刻槽鉆桿,當(dāng)鉆孔施工3 m后,安裝防噴孔裝置、連接抽采系統(tǒng)后正常施工鉆孔。

3.3 封孔效果分析

黃陵二號(hào)煤礦215膠帶機(jī)巷煤層鉆孔有試驗(yàn)孔15個(gè),封孔長度14 m,孔號(hào)(314、313、312、311、310)為囊袋式新型兩堵一注封孔方式,孔號(hào)(309、308、307、306、305)為普通兩堵一注封孔方式;孔號(hào)(304、303、302、301、300)為水泥砂漿單堵封孔方式;經(jīng)過2個(gè)月抽采,分析在不同負(fù)壓下瓦斯抽采濃度,結(jié)果見表3。

鉆孔抽采濃度對應(yīng)的點(diǎn)線圖如圖5所示。

由圖5可以看出,當(dāng)鉆孔抽采負(fù)壓為26 kPa時(shí),鉆孔抽采2個(gè)月后,濃度大于80%的有2個(gè),平均濃度在71%。當(dāng)鉆孔抽采負(fù)壓為24 kPa時(shí),試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛绕毡楦哂?6 kPa時(shí)的瓦斯抽采濃度,抽采負(fù)壓在15 kPa和30 kPa時(shí)濃度普遍較26 kPa和24 kPa低,也說明最優(yōu)抽采負(fù)壓為26 kPa。

當(dāng)鉆孔抽采負(fù)壓為24 kPa時(shí),鉆孔抽采2個(gè)月后,鉆孔309#～304#單孔濃度普遍在25%左右。鉆孔300#～303#由于在鉆場前進(jìn)行施工的鉆孔,鉆孔受原鉆場串孔的影響,鉆孔濃度普遍較低。

從圖4、圖5中可以看出,鉆孔孔口抽采負(fù)壓對鉆孔單孔濃度影響較大。隨著孔口負(fù)壓增大,鉆孔抽采濃度降低比較明顯。

經(jīng)現(xiàn)場鉆孔封孔技術(shù)指導(dǎo)后,掘進(jìn)準(zhǔn)備隊(duì)自行封孔,收集8個(gè)封孔觀測濃度見表4。

表4 試驗(yàn)鉆孔封孔后瓦斯?jié)舛茸兓闆r

由表4可以看出,經(jīng)過2個(gè)月的瓦斯抽采,新型封孔方式濃度大于70%的有4個(gè),平均濃度在65%,采用普通的封孔后,瓦斯?jié)舛却笥?0%的有3個(gè),平均濃度在57%。分析可知,試驗(yàn)對比孔的預(yù)抽濃度都隨著抽采時(shí)間呈波動(dòng)上升趨勢,濃度變化趨勢也不同,新型封孔方式下瓦斯抽采鉆孔濃度明顯高于普通封孔和水泥砂漿封孔。

在采用新型封孔方式后,巷道的試驗(yàn)孔預(yù)抽瓦斯抽采濃度都有明顯的提升,鉆孔抽采濃度是鉆孔封孔效果的主要評價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)孔平均瓦斯抽采濃度明顯高于對比孔,說明在采用改變封孔材料等措施,優(yōu)化封孔工藝后,封孔效果明顯提升,新型囊袋式封孔器效果更好,同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶壓注漿,有效保證了整體封孔效果,較好地解決了當(dāng)前瓦斯抽采鉆孔封孔存在的問題。

4 結(jié)論

(1)新型囊袋封孔器不僅簡化了封孔工藝,同時(shí)提高了鉆孔的抽采濃度,鉆孔平均濃度達(dá)到70%,大大提高了鉆孔抽采效果。

(2)工程試驗(yàn)可以看出,鉆孔抽采負(fù)壓增大容易導(dǎo)致鉆孔抽采濃度降低,建議預(yù)抽鉆孔抽采負(fù)壓按照26 kPa進(jìn)行控制。

(3)在封孔工藝優(yōu)化后,封孔接抽后鉆孔平均瓦斯抽采濃度在65%,改進(jìn)封孔工藝后的封孔效果明顯提升。