固体粉料二次封孔技术应用

张泽敏

(余吾煤业有限责任公司)



固体粉料二次封孔技术应用

张泽敏

(余吾煤业有限责任公司)

摘要针对煤层钻孔抽放瓦斯后煤层孔隙发育，致使瓦斯浓度下降,钻孔有效抽放期缩短的技术难题,提出了固体粉料二次封孔技术。介绍了固体粉料二次封孔技术原理、施工工艺，以某高瓦斯矿井为例，对固体粉料二次封孔工艺及封孔效果进行了试验。根据试验结果，对固体粉料二次封孔的合理性与可行性进行了客观分析，并提出了改进措施，为钻孔抽采后期瓦斯抽采浓度的提高提供了新思路。

关键词瓦斯抽采二次封孔固体粉料

瓦斯抽采是治理矿井瓦斯和防治煤与瓦斯突出最有效的方法之一[1]。钻孔的抽采效果主要取决于煤层的透气性，而钻孔施工完并联网抽采后，其抽采质量主要取决于钻孔封孔段周边的漏气率，漏气率直接影响钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采量和抽采寿命。

当前国内外采用的封孔技术主要有机械注水泥砂浆封孔、发泡聚合材料封孔、封孔器封孔。现有的瓦斯抽放钻孔的封孔方法都还局限于一次封孔阶段, 未涉及到如何提高后期瓦斯抽放浓度[2]。对于顺层钻孔, 即使初期瓦斯抽放浓度较高, 但钻孔抽采一段时间后，钻孔周围会产生微裂隙或裂纹网络，随着煤层瓦斯压力降低，巷道内空气会通过煤层裂隙缓慢渗透到煤层深部，并与煤层中瓦斯一起进入抽采钻孔而被抽出，导致单孔浓度出现不同程度的下降。缩短了钻孔的有效抽采寿命，降低了钻孔的利用率[3]。

针对钻孔抽采瓦斯过程中，瓦斯浓度和纯流量大幅度降低的技术难题[4]，提出了固体粉料二次封孔工艺，即利用固体粉料对低浓度钻孔周围漏气裂隙进行封堵，以减少钻孔漏气，提高瓦斯抽采浓度。

1　矿井及工作面概况

余吾煤业主采3#煤，煤层平均厚6 m，为近水平煤层，煤层原始瓦斯含量约10 m3/t。以该矿N1205工作面回风顺槽为试验地点，其东侧为实体煤、西侧为N1203工作面采空区，巷道内施工的钻孔为N1205工作面采前预抽孔。钻孔直径120 mm，设计深度161 m，开孔高度1.8 m，开孔倾角-5°。由于N1205回顺曾施工钻孔预抽约5 a，区域煤体残余瓦斯含量相对较低，加之受N1203工作面采动影响，区域煤体裂隙相对发育。据不完全统计，目前巷道内新施工的采前预抽钻孔中，有超过50%以上的钻孔瓦斯抽采浓度低于10%，钻孔瓦斯抽采浓度普遍较低。

2　技术原理

固体粉料二次封孔技术是在单孔浓度较低的钻孔周边施工小直径修护孔，并通过固体粉料输送机正压及抽采钻孔负压的共同作用，将固体粉料输送至钻孔周边漏气通道对其封堵，以减少钻孔漏气量，提高钻孔抽采浓度。其技术原理如图1所示。

图1　固体颗粒二次封孔技术原理

2.1修护孔布置

在试验孔周边用风钻施工3个φ42 mm、孔深5 m 的修护钻孔，修护孔均匀分布在抽采孔的周围，且与抽采孔的间距1.2～1.25 m。修护孔与抽采孔相对位置如图2所示。

2.2固体粉料输送

固体粉料是由黏土、水泥及多种添加剂制成，具有颗粒小、流动性强、微膨胀、遇水呈黏稠状特性。

图2　修护孔与抽采孔相对位置

向修护孔内输送固体粉料是该项技术的核心，修复孔施工完成后，将φ20 mm的输送管伸入孔底，并在孔口用透气棉纱进行封堵，修护孔孔口封堵如图3所示。

图3　固体颗粒运移示意

固体粉料输送基本原理为：动力源(压缩空气)经进气口流入环形腔后，在空腔中心产生一低压区，由于压差的作用，吸料口附近的固体粉料及大量的空气被吸入，固体粉料及大量空气汇合后就形成高速、高容量的气固两相流从空气增强器流出，并通过输入管进入修护孔内。携带有固体粉料的高速空气经输送管进入孔底后，经修护孔向孔外流动，此时大部分固体颗粒附着在钻孔孔壁，少部分固体颗粒被气流带出到孔外巷道中。

3　试验效果分析

N1205工作面受N1203工作面采动影响，50%以上钻孔单孔浓度低于10%，2015年8月15—18日在N1205回顺选取80#～120#钻孔中无串孔异常的钻孔，进行固体颗粒二次封孔试验30孔次。

试验前观测30个试验孔的单孔浓度，并在每个试验孔的周围按图2布置施工修护孔，修护孔施工完毕后立即用输送机向孔内输送固体粉料，输送风压为0.5 MPa，单孔输送量为2 kg。待粉料输送完毕，钻孔稳定抽采1 d后，再次观测钻孔单孔浓度，通过对比试验前后单孔浓度变化，评价固体颗粒二次封孔试验效果。喷吹封孔粉料前后钻孔平均单孔浓度对比分析如图4所示。

图4　试验前后钻孔单孔浓度对比分析 □—试验前；■—试验后

固体颗粒二次封孔后，30个试验孔中仅8个钻孔单孔浓度提升效果较为明显，其余钻孔单孔浓度变化不大或略有下降，没有明显的统计规律，二次封孔试验未到达预期的效果。

4　技术可行性分析

本次二次封孔试验虽未达预期的浓度提升效果，但仍有27%钻孔浓度得到一定的提升，说明该技术仍有一定的可行性。造成试验效果不理想的主要原因如下：

(1)试验区域瓦斯抽采时间长达5 a之久，煤体残存瓦斯含量已经很低，煤层解析瓦斯较少，虽对钻孔周围部分漏气通道进行封堵，巷道内的空气依然会透过煤层微小孔隙缓慢渗流入钻孔内，造成钻孔浓度很难明显提高。

(2)试验区域受工作面回采动压影响，巷道煤体破碎，裂隙发育，钻孔漏气裂隙网可能为钻孔周围数米大的裂隙范围，而修护孔数量、修护范围有限，不能对所有漏气通道进行封堵。

(3)固体粉料若要进入孔壁裂隙，需修护孔壁裂隙与钻孔漏气裂隙导通，即有气流流动，当其不导通时，孔壁裂隙内便不会发生气流流动。本次二次封孔试验的修护孔距离钻孔间距为1.2～1.25 m，部分钻孔漏气裂隙可能在距钻孔更近或更远的区域，修护孔不在钻孔漏风裂隙区内，固体粉料未能进入钻孔漏气裂隙，无法对钻孔漏气通道进行封堵。

(4)输送固体颗粒的风压动力约0.5MPa，且随着输送距离的延长，孔口出风压力约0.1MPa，低速风流很难携带粉料颗粒运移到孔壁裂隙内及在裂隙内长距离运移而封堵整个裂隙网。

5　结论及改进

(1)固体粉料二次封孔具有一定的可行性，但目前技术尚不成熟，仅27%的钻孔抽采浓度得到提升，技术效果尚未达到预期水平。

(2)在煤层瓦斯含量极低、煤体破碎的非实体煤区域，采用固体粉料二次封孔技术提高钻孔抽采浓度，从目前技术水平来看，可行性较差。

(3)在下一步试验过程中，选择瓦斯含量较高的实体煤区域进行试验。同时对于低浓度钻孔，预先分析其浓度较低的原因，探究钻孔主要漏气位置，并将修护孔布置在钻孔主要漏气区域，使用大功率、高压力粉料输送机喷吹粉料，尽可能多的将粉料输送至漏气裂隙内，增加封孔效果。

参考文献

[1]张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术[M]．北京:煤炭工业出版社，2001．

[2]周福宝，李金海，昃玺，等．煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究[J]．中国矿业大学学报，2009，38(8):764-768．

[3]孙培德，万华根．煤层气越流固—气耦合模型及可视化模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(7):1179-1185．

[4]周福宝，夏同强，刘应科，等.二次封孔粉料颗粒输运特性的气固耦合模型研究[J]．煤炭学报，2011，36(6):953-958．

(收稿日期2016-05-10)

张泽敏(1986—)，男，助理工程师，551000 山西省长治市。