付 鑫

(汾西礦業(yè)雙柳煤礦,山西 柳林 033300)

我國煤礦瓦斯的賦存條件比較復(fù)雜,瓦斯突出及爆炸事故時有發(fā)生,直接影響著煤礦的生產(chǎn)安全。煤層瓦斯預(yù)抽可以有效防止瓦斯事故的發(fā)生,但在瓦斯抽采鉆孔施工過程中,受松動圈的影響,會出現(xiàn)抽采效果較差、抽采濃度衰減相對較快等問題。使用普通注漿水泥已不能滿足抽采鉆孔封孔現(xiàn)狀,急需研究新的鉆孔密封材料。

1 新型鉆孔密封材料介紹

環(huán)保型相變凝膠鉆孔密封技術(shù)主要以EPCG鉆孔密封材料和自適應(yīng)保壓式封孔器等產(chǎn)品為依托,從而實(shí)現(xiàn)鉆孔瓦斯高質(zhì)量抽采。

1.1 EPCG鉆孔密封材料

環(huán)保型相變凝膠(Environment-friendly Phase Change Gel,簡稱EPCG)是一種以綠色、環(huán)保、可降解的水溶性高分子為基料的復(fù)配型密封材料,利用物理化學(xué)改性方法精準(zhǔn)控制材料水溶液的凝膠化相變過程,使其在不同的時間段內(nèi)發(fā)生不同的物理相變反應(yīng),進(jìn)而適應(yīng)不同煤層鉆孔密封全過程中低阻注漿、低粘滲透、高粘膠結(jié)、動態(tài)密封及綠色降解的材料性能需求,有效保障瓦斯抽采鉆孔高質(zhì)量密封,并通過對密封材料降解,實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)抽采設(shè)備的回收,從根本上降低單孔密封成本。同時,該材料同比使用量僅為膨脹水泥材料的3%～5%,可極大減少現(xiàn)場施工人員的勞動量。該材料為智能化隨鉆密封技術(shù)的發(fā)展和煤礦井下鉆孔瓦斯抽采的“降本增效”提供了可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。

環(huán)保型相變凝膠鉆孔密封材料的主要性能指標(biāo)如下:①膠凝點(diǎn):20～30 min內(nèi)動態(tài)可調(diào);②凝膠點(diǎn)前粘度:<(30～50)MPa·s;③最終粘度(2%) :≥3×105MPa·s;④凝膠化時間:50～90 min;⑤凝膠材料料水質(zhì)量比: 0.02～0.04;⑥凝膠材料保質(zhì)期:≥2 a.

1.2 鉆孔自適應(yīng)保壓式封孔器

工作時,通過注漿管將低粘狀態(tài)的EPCG材料漿液注入到封孔器中進(jìn)行封孔,過程如下:注漿材料首先注入并逐漸充滿內(nèi)封堵囊袋,使內(nèi)封堵囊袋緊貼煤壁封堵鉆孔,注漿材料無法繼續(xù)注入內(nèi)封堵囊袋時開始產(chǎn)生注漿壓力,繼續(xù)注漿,注漿壓力上升,當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.15 MPa時,外封堵囊袋內(nèi)的單向逆止閥打開,注漿材料開始注入外封堵囊袋。注漿材料逐漸充滿外封堵囊袋,使外封堵囊袋貼緊煤壁封堵鉆孔,注漿材料無法繼續(xù)注入外封堵囊袋,繼續(xù)產(chǎn)生注漿壓力。當(dāng)注漿壓力升到0.5 MPa時,內(nèi)、外封堵囊袋之間的爆破閥爆破,注漿材料開始注入內(nèi)、外封堵囊袋之間的空間。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa時封孔完畢。通過保壓有效保障了EPCG材料在鉆孔圍巖裂隙中的滲透性、密封性和自適應(yīng)性,為瓦斯抽采鉆孔高效、低耗、綠色、環(huán)保密封提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[2]。鉆孔自適應(yīng)保壓式封孔器如圖1所示。

圖1 鉆孔自適應(yīng)保壓式封孔器產(chǎn)品

1.3 適用條件

環(huán)保型相變凝膠鉆孔密封技術(shù)具有鉆孔自適應(yīng)性和施工便捷的優(yōu)勢,適用于不同類型煤層和巖層賦存條件下的順層和穿層瓦斯抽采鉆孔,特別適用于直徑小于200 mm的鉆孔,且鉆孔施工過程中無需安裝其他附屬裝置。常規(guī)鉆孔密封的施工工藝是在鉆孔形成后,直接安裝抽采管及自適應(yīng)保壓式封孔器,通過注入EPCG材料實(shí)現(xiàn)目標(biāo)鉆孔的帶壓密封,其封孔工藝見圖2.

圖2 環(huán)保型相變凝膠鉆孔密封材料及使用工藝

2 試驗(yàn)工藝及實(shí)施過程

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次試驗(yàn)旨在測試EPCG產(chǎn)品的鉆孔密封效果,優(yōu)化其密封工藝并發(fā)現(xiàn)其可能存在的問題。以順層鉆孔為實(shí)驗(yàn)條件,對比分析EPCG產(chǎn)品和膨脹水泥兩種密封材料的密封效果、施工工藝、施工效率及密封成本,為EPCG產(chǎn)品優(yōu)化和鉆孔瓦斯高質(zhì)量抽采提供技術(shù)支持。

2.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1) 密封材料:EPCG鉆孔密封材料、礦用水泥基封孔材料、聚氨酯(安標(biāo));

2) 配套設(shè)備:注漿泵(標(biāo)準(zhǔn))、瓦斯流量及體積分?jǐn)?shù)測定裝置、抽采管、封孔囊袋及配套零件。

2.3 實(shí)施工藝

2.3.1 測試孔(EPCG自適應(yīng)保壓式封孔囊袋封孔法)

我校是一所貧困縣縣城小學(xué)，近年來生源劇增，學(xué)困生數(shù)量增多。為了提高辦學(xué)質(zhì)量，急需進(jìn)行學(xué)困生轉(zhuǎn)化工作，改變現(xiàn)狀。要改變這一局面，就要對“學(xué)困生”學(xué)習(xí)困難認(rèn)知特點(diǎn)及教學(xué)對策進(jìn)行調(diào)查、分析，才能有針對性地加以解決。學(xué)困生形成的原因是多方面的，歸結(jié)起來有以下幾種。

1) 安裝封孔器:將封孔器、注漿管與抽采管連接,確保注漿長度為12 m,其中外端封孔囊袋距煤壁0.5 m.

2) 注漿密封(包括專用封孔器注漿):將注漿桶盛滿水,開啟氣動攪拌器(快速),并將1袋EPCG材料加入注漿桶(100 L),待EPCG粉料完全潤濕,將攪拌器調(diào)至慢速,并持續(xù)攪拌3～5 min,待漿液粘度感明顯,開始實(shí)施注漿。

3) 清洗注漿系統(tǒng):注漿結(jié)束后,完成注漿管結(jié)扎,并清洗注漿泵、注漿桶及相關(guān)注漿管路。

2.3.2 對比孔(膨脹水泥+濾積式囊袋封孔法)

1) 安裝封孔囊袋:將封孔囊袋按日常程序固定于抽采管壁上,送入抽采鉆孔,其中外端封孔囊袋距煤壁0.5 m.

2) 注漿密封:將注漿桶盛滿水,開啟氣動攪拌器(快速),并將3袋礦用水泥基封孔材料加入注漿桶(100 L),待水泥基封孔材料完全潤濕,并持續(xù)攪拌3～5 min,開始實(shí)施注漿。

3) 清洗注漿系統(tǒng):注漿結(jié)束后,完成注漿管結(jié)扎,并清洗注漿泵、注漿桶及相關(guān)注漿管路。

2.3.3 安裝考察裝置

圖3 單孔并管方式示意

2.4 鉆孔施工參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施條件,本次施工試驗(yàn)鉆孔共計(jì)20個,其中采用膨脹水泥+濾積式囊袋封孔法密封鉆孔10個,采用EPCG自適應(yīng)保壓式封孔囊袋封孔法密封鉆孔10個。為確保測試結(jié)果對比有效,兩類封孔工藝施工過程中均采用相同鉆孔密封參數(shù)和抽采負(fù)壓,單孔瓦斯抽采參數(shù)測定過程中均采用相同的測試裝備和測試方式。

1) 鉆孔布置方法:在33(4)19運(yùn)巷,沿煤層傾向打順層鉆孔進(jìn)入本煤層中進(jìn)行瓦斯抽采。

2) 鉆孔的傾角:按照本煤層瓦斯預(yù)抽的方法,開孔位置距巷道底板為1.5 m.根據(jù)工作面煤層傾角標(biāo)高的變化,考慮到鉆桿施工過程中存在一定的彎曲下沉量,鉆孔傾角均沿煤層傾角施工,為3°～6°.

3) 鉆孔長度:110 m.

4) 鉆孔直徑:94 mm.

5) 鉆孔間距:根據(jù)抽采半徑設(shè)計(jì)鉆孔間距為6.5 m.

2.5 鉆孔施工要求

1) 鉆孔施工前,抽采區(qū)打鉆隊(duì)必須制定相應(yīng)的安全措施并貫徹落實(shí)。

2) 嚴(yán)格按照本設(shè)計(jì)的鉆孔參數(shù)進(jìn)行施工,深度誤差不大于±1 m,本煤層鉆孔傾角參照相鄰的鉆孔傾角,誤差控制在±1°內(nèi),鉆孔間距嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工。

3) 鉆孔在施工期間如果遇到無碳柱或其他地質(zhì)構(gòu)造,必須及時和地質(zhì)科聯(lián)系,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整鉆孔角度再進(jìn)行施工。

4) 在鉆孔施工期間,如果出現(xiàn)掉鉆桿的情況,打鉆隊(duì)必須詳細(xì)記錄掉鉆桿的方位、長度以及鉆桿的數(shù)量,并由地質(zhì)科、生產(chǎn)科記錄,確?；夭善陂g的作業(yè)安全。

5) 鉆孔在施工期間,必須進(jìn)行掛牌管理。在巷道口懸掛設(shè)計(jì)牌板、施工進(jìn)度牌板以及相關(guān)的安全管理牌板。

6) 本煤層鉆孔施工結(jié)束后,必須洗孔處理孔內(nèi)的煤渣,確保抽采效果。洗孔時,更換水窩內(nèi)的水,洗孔時間不得少于40 min.

7) 本煤層鉆孔施工結(jié)束后,必須及時封孔,確保封孔嚴(yán)密不漏氣,封孔質(zhì)量達(dá)到要求。

8) 鉆孔施工過程中,如掉鉆、卡鉆,施工不到位導(dǎo)致施工孔深與設(shè)計(jì)孔深不符,應(yīng)在原有鉆孔旁重新開孔施工,原鉆孔應(yīng)及時封堵。

9) 在施工鉆孔過程中,若發(fā)現(xiàn)煤巖松軟、片幫來壓或者鉆孔中水壓、水量突然增大和頂鉆等突水征兆時,立即停止鉆進(jìn),但不得拔出鉆桿,及時向調(diào)度室匯報(bào),采取安全措施,派相關(guān)人員妥善處理。在鉆孔施工前應(yīng)先完善施工地點(diǎn)的排水系統(tǒng)[3]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及對比分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

鉆孔密封完成后,開始測試記錄相關(guān)抽采數(shù)據(jù),測試考察周期平均為2個月 ,不同鉆孔密封工藝條件下,平均單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)及抽采瓦斯純量分布見圖4.

圖4 試驗(yàn)鉆孔平均單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)及抽采瓦斯純量分布

由圖4可知,在相同抽采條件下,與膨脹水泥基材料+濾積式囊袋式“兩堵一注”封孔工藝相比較,采用EPCG材料+自適應(yīng)保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝密封可使單孔平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高1.55～2倍,平均提高1.75倍;平均單孔瓦斯抽采純量可提高1.4～1.8倍,平均提高1.67倍,具有明顯的提濃效果。抽采2個月后,單孔平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍保持在34%以上,可大幅提高抽采瓦斯的可利用率。

3.2 成本對比

不同封孔工藝成本對比參數(shù)如表1所示。

表1 不同類型鉆孔密封工藝材料耗費(fèi)量成本對比

由表1可看出,與膨脹水泥基材料+濾積式囊袋式“兩堵一注”封孔工藝相比,采用EPCG材料+自適應(yīng)保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝可使單孔密封材料成本降低16%左右,且平均單孔注漿材料耗費(fèi)量平均為4 kg,僅為膨脹水泥基材料的2.75%,極大地降低了現(xiàn)場施工人員的勞動強(qiáng)度和材料運(yùn)輸成本。

4 結(jié) 語

通過在33(4)19運(yùn)巷開展EPCG材料+自適應(yīng)保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝和膨脹水泥基材料+濾積式囊袋式“兩堵一注”封孔工藝兩種鉆孔密封效果對比,可得出如下試驗(yàn)結(jié)果:

1) 相同試驗(yàn)條件下,采用EPCG材料+自適應(yīng)保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝密封可使單孔平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高1.75倍;平均單孔純量可提高1.67倍。抽采2個月后,單孔平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍保持在34%以上,可大幅提高抽采瓦斯的可利用率和煤層瓦斯抽采效率。

2) 相同密封參數(shù)條件下,采用EPCG材料+自適應(yīng)保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝可使單孔密封材料降低16%左右,有效促進(jìn)了煤礦實(shí)現(xiàn)“降本增效”目標(biāo)。

3) 相同密封參數(shù)條件下,EPCG材料單孔耗費(fèi)量平均為4 kg,僅為膨脹水泥基材料的3%～5%,極大地降低了運(yùn)輸成本和施工人員的勞動強(qiáng)度。