高瓦斯矿井合理封孔长度分析及囊袋带压封孔技术

王江龙,雷腾飞

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西 延安 727307)

0 引言

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害及保证矿井安全生产最有效的措施之一,顺层钻孔瓦斯抽采是矿井瓦斯预抽的关键环节[1]。据统计我国约有65%的回采工作面顺层钻孔的预抽瓦斯浓度低于30%,抽采浓度低、抽采周期短,抽采效果不理想[2]。

顺层瓦斯钻孔抽采效果的好坏通常由抽采钻孔的密封性决定。在影响钻孔密封效果的众多参数中,封孔长度尤其重要。巷道施工完毕后,在巷道周边会形成卸压带、应力集中带和原岩应力带,其中破坏区孔隙裂隙发育,如果封孔深度小于该区深度,则有可能在抽采负压的作用下,钻孔通过裂隙和巷道中的空气形成回路循环,降低瓦斯抽采浓度和抽采负压[3]。煤矿安全相关文件中对封孔长度也有相关规定,例如,《防治煤与瓦斯突出规定》要求顺层钻孔的封孔段深度不得小于8 m[5]。国内外学者运用理论分析、数值模拟和物理实验研究多种手段开展大量研究[6-8]。以上研究通常认为封孔长度应超过卸压带而不超过应力峰值点,但由于矿井地质条件的复杂性导致封孔长度问题很难定量分析,所以仍需进一步深入研究。

1 顺层钻孔应力状态特征及封孔长度分析

1.1 顺层钻孔应力状态分布特征

由于煤岩巷道的采动影响,打破原始煤体的应力平衡状态,使围岩产生损伤,巷道周边煤(岩)体受应力改变影响产生孔隙、裂隙[9]。煤岩巷道掘进完成后,由于地应力重新分布,巷道周边裂隙逐渐发育、贯通,最终巷道周边煤体根据应力状态的不同呈现“三带四区”的特征;而煤巷两帮施工的顺层瓦斯预抽钻孔呈现同样的应力状态特征,如图1所示。应力“三带”指Ⅰ(卸压带)、Ⅱ(应力集中带)及Ⅲ(原岩应力带)。而应力“四区”指代Z1(应力降低区),Z2(峰后应力升高区),Z3(峰前应力升高区),Z4(原岩应力区)[10]。

图1 顺层瓦斯抽采钻孔应力状态分布特征Fig.1 Stress state distribution characteristics of gas extraction boreholes along the seam

1.2 顺层钻孔封孔长度分析

巷道采掘活动打破原有的平衡状态,引发围岩应力重新分布,邻近巷道的煤岩体应力降低,如图1中的Ⅰ(卸压带),使得应力向深部转移,出现应力集中即图1中的Ⅱ(应力集中带),“三带”中由于应力的变化所引起的钻孔裂隙状态表现如下。

(1)在卸压带内,煤岩经历峰值应力,应力呈现降低状态,发生塑性变形,如图1中Z1。钻孔周围产生大量宏观裂隙且相互贯通,裂隙网络发育充分。若钻孔封孔段处于此带内,在封孔长度无法完全覆盖此区域的情况下,极易造成钻孔漏风,从而导致瓦斯抽采效果不佳。

(2)在应力集中带中,煤岩应力状态包含Z2(峰后应力升高区)和Z3(峰前应力升高区)2种状态。峰后应力升高区内,煤岩所受应力超过其极限强度,但还具有一定的残余强度,处于塑性变形阶段。钻孔周围产生大量微裂隙并逐渐扩展贯通。而峰前应力升高区内,煤岩所受应力未达到极限强度,并逐渐增大,处于弹性变形阶段。钻孔周围的原生裂隙受到挤压而闭合并伴随少量的微裂隙产生。若钻孔封孔长度达到此带内,能够覆盖Z2,Z3,则可以很好地保证瓦斯抽采效果,但封孔的成本也会相应大幅度提高。

综合考虑封孔成本和瓦斯抽采效果双重因素,顺层钻孔的最佳封孔长度应达到峰后应力升高区而不超过峰值应力,才能实现抽采效果与投入成本的平衡,达到利益最大化。

1.3 顺层钻孔最佳封孔长度的确定

在Kastner公式的基础上,考虑岩体应变软化的变形特性,推导Z1(应力降低区)半径Rb和Z2(峰后应力升高区)半径Rp的求解公式[11]

(1)

Rb=tRp

(2)

式(1)、(2)中,B0,t,Kp为3个中间参数,表达式见式(3)、(4)、(5)。

(3)

(4)

(5)

由上式可知,封孔长度受巷道半径、初始地应力、支护应力及煤体本身力学特性等因素的影响。对矿井的煤体参数进行测定,结果见表1。

表1 试验矿井基础参数

将矿井的基本参数代入式中,得到钻孔峰后应力升高区半径Rp为11.22 m。考虑到一定的安全余量,则确定顺层钻孔的最佳封孔长度为12 m。

2 双囊袋一体化带压封孔技术

2.1 双囊袋封孔器组成及工作原理

组成:双囊袋封孔器由注浆管、回浆管、瓦斯抽采管、囊袋、爆破阀、单向阀等几部分组成,具体结构如图2所示。其中,注浆管中部的爆破阀控制着封孔器的注浆顺序,保证浆液先注入囊袋后流向2个囊袋之间的中部空间,从而实现一次注浆,自动封孔的一体化工艺。而囊袋中的单向阀起止流作用,保证注入囊袋的浆液无法反方向回流。

图2 双囊袋封孔器结构组成Fig.2 Structural composition of double-bag hole sealer

工作原理:双囊袋封孔器的注浆管与注浆泵相联通,囊袋中注浆管段上开有小孔。浆液因为注浆压力迅速进入2个囊袋,使其迅速膨胀,使得囊袋外层紧固在顺层钻孔内壁,内层紧固在瓦斯抽采管外壁,从而将封孔器两端封闭,形成中部注浆空间。当囊袋被注满,注浆管中浆液压力值逐渐升高,达到爆破阀爆破阈值,爆破阀开始爆破,浆液将2个囊袋的中间空间填满,并向煤岩破裂缝隙中流动,从而实现一体化多层带压式密封。注入浆液完全凝固后,通过瓦斯抽采管进行顺层瓦斯抽采。

2.2 封孔步骤

在实施封孔之前,根据设计封孔长度计算得出封孔所需的浆液体积V,计算公式如下

(6)

式中,l为封孔长度,m;r1为瓦斯抽采钻孔直径,m;r2为瓦斯抽采管直径,m;V0为单个囊袋体积,m3;a为损耗补偿系数。

检查钻孔,清除抽采钻孔封孔段内的大块煤渣,确认钻孔符合施工要求。

将封孔器前端囊袋套在第一根封孔管上,并用喉箍固定囊袋两端(防囊袋脱落),依次连接封孔管至最后一根,将后端囊袋套在最后一根封孔管距孔口50 cm处。同样固定囊袋两端,整体送入钻孔内至最后一根封孔管距孔口15～50 cm,管路铺设部分完成。

连接注浆泵,启动注浆泵向孔内注浆,注浆初始阶段先用小功率注入,之后可逐渐开大。观察孔口,囊袋先过滤大量浑水,之后逐渐变清变小,注浆泵压力表读数逐渐增大至0.7 MPa,直至爆破阀自然爆破,压力表读数归零。继续注浆,此时开始注两囊袋之间的区域,直至返浆管有大量浆液返出,关闭回浆管继续带压注浆。当压力表示数达到1.2 MPa,说明2个囊袋之间所封区间已注满,立刻关闭注浆泵。

折弯注浆管扎紧,取下注浆头,清洗注浆泵。

3 应用效果

3.1 矿井概况

以陕西黄陵二号煤矿210采煤工作面为实验工作面,开采深度465～707 m。该工作面主采侏罗系中统延安组的2号煤层,平均厚度3.0 m,煤层倾角0°～4°,属于近水平煤层;瓦斯压力0.65 MPa,瓦斯含量3.02～4.54 m3/t。在煤层煤巷掘进期间采用顺层钻孔预抽的方式防治煤与瓦斯突出,其中顺层预抽钻孔采用聚氨酯封孔,未进行合理封孔的深度研究,钻孔封孔长度6～8 m,单孔抽采瓦斯浓度4%～15%,抽采负压23 kPa左右。钻孔抽采浓度低、抽采量少,导致预抽钻孔封孔效果不理想。

3.2 抽采效果

该矿采煤工作面施工顺层瓦斯抽采钻孔6个,钻孔长度100 m,倾角1°～5°,1、2、3号钻孔采用传统聚氨酯封孔,4、5、6号钻孔采用双囊袋一体化带压注浆封孔,封孔长度统一设置为12 m。封孔完成后对抽采效果进行持续跟踪监测,瓦斯抽采浓度变化如图3所示。

图3 顺层钻孔瓦斯平均抽采浓度Fig.3 Average extraction concentration of borehole gas along the seam

双囊袋带压一体化注浆技术抽采浓度远高于传统聚氨酯封孔。60 d监测期内,3个双囊袋封孔的平均抽采浓度为30.2%,而聚氨酯封孔的平均抽采浓度为14.2%,双囊袋封孔后钻孔瓦斯抽采浓度高出2倍之多。

双囊袋带压一体化注浆技术稳定性远好于传统聚氨酯封孔。1、2、3号钻孔初始抽采浓度分别为46.3%、34.9%、27.5%,3个钻孔抽采浓度极差占平均浓度的51.9%。而4、5、6号钻孔初始抽采浓度分别为55.7%,63.2%,49.6%,3个钻孔抽采浓度极差只占平均浓度的10.9%。双囊袋带压注浆技术的稳定性比聚氨酯高出5倍左右。

双囊袋带压一体化注浆技术抽采浓度衰减速度低于传统聚氨酯封孔。截止抽采周期30 d的数据显示,4、5、6号钻孔抽采浓度降为21.9%～36%,平均抽采浓度28.9%;1、2、3号钻孔的抽采浓度降为10.2%～17.1%,平均抽采浓度13%,分别衰减为初始平均浓度的35.8%和51.5%。最后在抽采时间50d左右抽采浓度趋于稳定,双囊袋带压一体化注浆抽采浓度维持在13.6%～19%,而聚氨酯封孔抽采浓度则降为3.4%～13.3%。

综上,基于理论计算值所得封孔长度,实施双囊袋带压一体化注浆技术取代传统聚氨酯封孔,瓦斯抽采浓度提高2倍,稳定性提高5倍,最终稳定抽采浓度在15%左右,瓦斯抽采效果显著提升。

4 结论

(1)煤岩巷道掘进完成后,地应力重新分布,顺层瓦斯预抽钻孔应力状态呈现“三带四区”特征,即:卸压带、应力集中带、原岩应力带;应力降低区、峰后应力升高区、峰前应力升高区、原岩应力区。

(2)根据陕西黄陵二号煤矿具体地质条件,应用巷道弹塑性软化模型公式,计算出瓦斯抽采钻孔应力降低区半径和峰后应力升高区半径,最终确定顺层钻孔的最佳封孔长度为12 m。

(3)依据理论计算出的顺层钻孔最佳封孔长度,在该矿实施双囊袋一体化带压注浆封孔技术代替传统聚氨酯封孔,瓦斯抽采浓度提高2倍,最终稳定抽采浓度维持在15%左右,抽采效果提升显著。