顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度及注浆参数研究

牛心刚，国林东

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

我国煤炭资源丰富、分布范围广泛、赋存条件复杂，高瓦斯矿井数量占比较大，其煤层主要呈现地应力高、瓦斯含量高、瓦斯压力高、渗透性低的特征，煤层瓦斯治理难度大[1-3]。据统计，我国煤矿中约有2/3数量的瓦斯抽采钻孔密封性差，影响了煤层瓦斯抽采效果，给矿井生产带来安全隐患[4-6]。

众多学者围绕提升钻孔密封质量进行深入研究，对封孔工艺进行优化，形成了“两堵一注”封孔[7]、囊袋式封孔[8]、二次封孔[9]、封隔一体化封孔[10]及高效综合封孔等工艺[11]。陈宾[12]采用FLAC3D数值模拟软件并结合封孔质量检测仪判断钻孔漏气位置，确定了合理的封孔深度；娄振等[13]采用钻屑指标法分析巷道裂隙“三带”分布情况，并进行不同封孔深度的对比试验确定了最佳封孔深度；乔元栋等[14]建立了顺层钻孔漏气模型并运用COMSOL软件分析钻孔“三带”分布及主要漏气通道；倪冠华等[15]利用扫描电子显微镜分别对聚氨酯、PD复合材料的渗透扩散形式进行了微观分析，结果表明选用PD复合材料能够达到较好的密封效果；翟成等[16]研发了柔性膏体材料，确定了最佳料水比，提高了封孔材料的膨胀性及密封性，从而提升了钻孔封孔效果。

钻孔密封效果主要受封孔深度及注浆参数影响，确定合理的封孔深度及注浆参数是确保钻孔封孔质量的关键因素[17-19]。笔者拟通过相关研究，为提高钻孔封孔质量提供指导。

1 工程概况及钻孔漏气分析

1.1 工程概况

贵州五轮山煤矿首采层8#煤层的煤体最高破坏类型为Ⅲ类，瓦斯含量为18.58 m3/t，最大瓦斯压力为3.0 MPa，最小煤体坚固性系数f值为0.52，ΔP=16.4，透气性系数λ=0.000 2～0.106 1 m2/(MPa2·d)，8#煤层属于较难抽放煤层。抽采瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)为30%左右，百米顺层钻孔抽采瓦斯纯流量为0.01～0.05 m3/min。抽采瓦斯浓度衰减较快，抽采效果较差，钻孔封孔漏气现象严重。

1.2 钻孔漏气影响因素分析

抽采瓦斯钻孔封孔段存在漏气通道是造成抽采瓦斯浓度、抽采效率降低的主要原因，煤体特征、巷道及钻孔施工情况、封孔设备及参数等因素共同影响钻孔封孔质量[20]。

封孔段漏气主要分为巷道裂隙带漏气、钻孔裂隙带漏气、孔壁边缘漏气、封孔段材料漏气4类，钻孔漏气通道示意图如图1所示。

1—巷道裂隙带漏气；2—钻孔裂隙带漏气；3—孔壁边缘漏气；4—封孔段材料漏气。

1811回采工作面运输巷道为煤巷且断面较大，顺层抽采瓦斯钻孔封孔段处于巷道应力影响范围区，产生巷道裂隙带漏气。由于煤体属于软煤且亲水性较高，在钻孔施工过程中钻孔塌孔现象严重，导致钻孔孔壁发生离层变形，周围易产生钻孔裂隙带漏气。钻孔封孔采用传统的“两堵一注”方式，两端堵头为聚氨酯封孔材料，封孔材料为水、水泥、滑石粉，其质量配比为10∶8∶2，封孔注浆压力为1.2 MPa。由于封孔压力较低，同时封孔材料中缺少膨胀剂、保水剂等配剂，封孔段注浆不充分及封孔材料性能不足易造成孔壁边缘及封孔段材料内部漏气。

2 钻孔应力分布规律研究

2.1 理论分析

抽采瓦斯钻孔封孔的关键技术是封孔深度的确定及对煤体裂隙的密封。钻孔周围应力分布如图2所示。

p0—原岩应力；σθ—切向应力；σr—径向应力；pi—支护阻力；R0—孔洞半径;Rs—卸压区半径；Rp—塑性区半径；Re—弹性区半径。

钻孔在轴向及径向分别受到巷道及自身开挖应力的影响，因此需确定钻孔轴向及径向上应力的影响范围，以确定封孔参数。

依据岩石力学强度理论，煤体破坏服从Mohr-Coulomb强度准则，其应力本构解析方程为：

(1)

式中：fs为应力解；σ1为主应力，MPa；σ3为水平应力，MPa；φ为内摩擦角，(°)；C为黏聚力，MPa。

为了简化钻孔应力区影响范围计算公式，依据岩石弹塑性力学模型将三维应力状态转化为平面问题进行分析。

由岩石弹塑性力学模型可知岩石的应力平衡方程，见式(2)：

(2)

式中r为应力影响半径，m。

在弹塑性区边界处煤体达到塑性破坏条件，见式(3)：

(3)

结合应力本构方程、平衡方程、塑性方程，可求得塑性区半径，见式(4)：

(4)

根据文献[21]所述卸压区与塑性区边界条件，求得卸压区半径，见式(5)：

(5)

在工程实践中，认为孔洞开挖后围岩内应力相较于原岩应力的变化影响范围约为±5%原岩应力。由图2可以看出，在弹性区边界有σr=σθ，即：

(6)

根据式(6)计算弹性区影响半径，见式(7):

Re=5R0

(7)

依据8#煤层物理力学特征参数，可分别求得巷道卸压区半径Rs=2.06 m、塑性区半径Rp=4.14 m、弹性区半径Re=10.00 m，钻孔卸压区半径Rs=0.17 m、塑性区半径Rp=0.25 m、弹性区半径Re=0.34 m。

2.2 数值模拟研究

以8#煤层为地质背景，建立巷道及钻孔开挖数值分析模型。8#煤层埋深约450 m，顶底板岩性物理力学参数如表1所示。巷道模型顶部采用上覆岩层自重压力边界，侧压系数为0.8，其余边界设为固定支座约束边界。钻孔模型采用等围压应力。

巷道施工后，其周围煤岩体会发生不同程度的塑性破坏。由于巷道断面尺寸较大，其塑性破坏范围呈蝴蝶状分布，左右两帮破坏范围较大且呈对称分布，顶底板发生破坏范围较小，如图3所示。

图3 巷道围岩塑性破坏云图

在等围压应力状态下钻孔施工后，其周围煤岩体发生塑性破坏的形态为圆形，破坏范围在钻孔径向方向上均匀分布，如图4所示。

图4 钻孔塑形破坏云图

为了更好地确定巷道及钻孔的应力影响范围，在数值分析模型中心布置监测线，提取监测数据并绘制应力—位移变化曲线，如图5、图6所示。

图5 巷道应力—位移监测曲线

图6 钻孔应力—位移监测曲线

由图5可知，巷道煤壁向围岩内部延伸，总应力值呈现由低到高再缓慢降到稳定值的变化趋势。在距巷道壁2.0 m范围内总应力呈现缓增，超过2.0 m到3.3 m范围内总应力急剧上升至最大峰值21.9 MPa，随后在15.0 m处降到原岩应力，约为15.3 MPa。另外，水平应力及垂直应力变化亦呈现相似分布特征。巷道周围煤体总位移在煤壁处达到最大值 13.50 mm，延伸至4.0 m处总位移急剧下降至最小值0.80 mm，随后总位移有所增加再渐缓下降，在超过15.0 m后总位移处于稳定状态。由此可大致判断，距离巷道2.0 m范围内为卸压区、超过2.0 m至4.0 m范围内为塑性区、超过4.0 m至15.0 m范围内为弹性区，超过15.0 m范围内为原岩应力区。

由于钻孔尺寸较小，其周围应力可被视为等围压状态，仅监测煤体的总应力及总位移即可。由图6可知，在煤层中施工钻孔后，钻孔总应力在0.14 m处达到最大值20.1 MPa，在0.40 m处总应力下降至19.3 MPa，在0.50 m后其总应力趋于稳定；总位移在卸压区由最大值1.90 mm骤降至0.60 mm，随后缓慢降至0.10 mm。由此，可确定距钻孔孔壁0.20 m范围内为卸压区、超过0.20 m至0.40 m范围内为塑性区、超过0.40 m至0.50 m范围内为弹性区，超过0.50 m范围为原岩应力区。

2.3 钻屑量分析

采用钻屑量分析法分析煤层巷道围岩内煤体的破碎范围，以确定封孔深度。在煤层巷道中部布置 6个试验钻孔(S1#～S6#)，钻屑量效检钻孔采用直径为42 mm的煤电钻施工，深度为15 m。记录钻进过程的排渣量，绘制曲线图，如图7所示。

图7 单位进尺钻孔钻屑量统计曲线

由图7可知，各试验钻孔的单位进尺排渣量统计曲线与应力分布特征相近似，呈现先增大后减小的趋势。由钻屑量拟合曲线可知，在0～2 m内煤体破碎严重，钻屑量较少，为卸压区。单位进尺平均煤屑量在2～6 m内升至最大值，约为6.3 kg/m；在超过6 m至15 m范围内线性降低，至15 m处趋于稳定。由此可判断巷道弹性区范围为6～15 m。

综合分析，可确定钻孔的封孔深度及注浆扩散半径应当超过开挖孔洞周围的塑性区，达到弹性区，即封孔深度应为10～15 m，合理注浆扩散半径为0.40～0.50 m。

3 封孔注浆参数研究

3.1 封孔材料优化

目前，抽采瓦斯钻孔封孔材料普遍采用水泥砂浆材料，尽管该类材料成本低，但其性能方面存在不足。因此，遵循封孔材料应具备膨胀性、抗压性、保水性及流动性原则，对封孔材料进行优化，在封孔材料中添加膨胀剂、保水剂等成分以确保钻孔密封效果。新型封孔材料质量配比如表2所示。

表2 新型封孔材料质量配比

为了验证新型封孔材料的性能，分别对水泥砂浆(A)、新型封孔材料(B)在水灰质量比8∶10条件下的力学强度、膨胀性、黏度、终凝时间4个关键指标进行测试对比。封孔材料性能对比如图8 所示。

图8 封孔材料性能对比图

由图8可知，新型封孔材料的抗压强度提升了20 MPa，膨胀率增加了20%，黏度降低了23%，终凝时间缩短5 h。试验表明，新型封孔材料具有较好的抗压性、膨胀性及流动性，有效缩短凝固时间，可有效提升封孔的密封性。

3.2 注浆压力研究

基于达西公式推导封孔料浆在一定注浆压力下的柱面扩散公式，见式(8)：

(8)

H=p/(ρgg)

(9)

式中：rg为注浆扩散半径，m；k为煤体渗透系数，m/s；H为浆液深度，m；t为注浆时间，s；q为煤体孔隙率，%；β为浆液与水的黏度比；rmax为最大扩散半径，m；r1为注浆管半径，m；p为注浆压力，MPa；ρg为浆液密度，kg/m3;g为重力加速度，g=9.8 N/kg。

蒋伟成等[22]基于柱面扩散理论，建立了注浆扩散的时间计算公式，见式(10)：

(10)

依据现场注浆实践经验，结合注浆柱面扩散理论，建立注浆压力与孔径、注浆扩散半径的经验公式，见式(11)：

(11)

式中：pg为钻孔注浆压力，MPa；γ为注浆修正系数，取1.2；ψ为裂隙张开度，取0.05 cm。

合理的注浆压力既可确保封孔浆液对周围煤体裂隙的封堵，又可防止封孔压力过高导致漏浆造成封孔材料浪费。依据公式(11)计算，得到合理的注浆压力为1.5 MPa。

3.3 注浆量计算

通过计算得到合理注浆量，有利于避免封孔时依靠现场经验判断造成的材料浪费，可节省钻孔封孔成本。钻孔封孔注浆空间主要由封孔段空间及钻孔周围裂隙注浆体积两部分构成，得到注浆量理论计算公式，见式(12):

(12)

式中：Vg为注浆量，m3；Φ为注浆冗余系数，取1.2；Vk为封孔段注浆空间，m3；Vl为钻孔破碎带注浆空间，m3；L为封孔段长度，m；rc为抽采管半径，取0.025 m。

经计算钻孔注浆量约为0.3 m3。

4 现场试验

4.1 试验方案

基于上述研究，确定合理封孔深度为10～15 m、合理注浆压力为1.5 MPa、注浆量为0.3 m3。选择在1811回采工作面运输巷道对工作面施工顺层抽采瓦斯钻孔，进行封孔工业性试验。试验钻孔布置如图9所示。

图9 试验钻孔布置示意图

本次试验共选取16个试验钻孔，孔深为100 m、钻孔直径为113 mm，共分为4组。F1组为矿方采用原有的封孔方法作为对照组。F2、F3、F4组钻孔为试验组，具体封孔参数见表3。

表3 封孔试验参数

试验钻孔采用“两堵一注”式封孔工艺，如图10所示。

图10 封孔工艺示意图

封孔段两端采用FKJW-230/1.6型囊袋式封孔器，囊袋长度为1 m。依据表3中封孔参数，使用注浆设备以指定压力将封孔材料压注到封孔空间，完成钻孔密封。待封孔浆液凝固后，将抽采管并入抽采网路抽采煤层瓦斯。

4.2 试验结果分析

本次试验采集了各组试验钻孔连续45 d的抽采瓦斯浓度数据并绘制拟合曲线，以更好地对比分析不同参数条件下的钻孔封孔效果。试验钻孔抽采瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)变化曲线如图11所示。

(a)F1组钻孔

由图11可知，F1、F2组试验钻孔在考察期间的抽采瓦斯浓度前期衰减速率较快，下降幅度较大，大约30 d后其抽采瓦斯浓度趋于稳定并且保持在10%左右；F3、F4组试验钻孔在考察期间的抽采瓦斯浓度下降幅度为20%左右，其衰减速率相比于F1、F2组试验钻孔较小，30 d后其抽采瓦斯浓度仍保持在40%左右。

由数据分析可知，F1、F2、F3、F4组试验钻孔其日平均抽采瓦斯浓度分别为32.0%、25.0%、56.4%、57.6%。为了进一步对比各试验钻孔的封孔效果，绘制了各组试验钻孔的平均抽采瓦斯浓度对比图，如图12所示。

图12 各试验组钻孔平均抽采瓦斯浓度变化曲线

由图12可知，F3、F4组钻孔相较于F1、F2组钻孔抽采瓦斯浓度显著提升，抽采瓦斯浓度提升约30%，衰减速率较小。

综上分析，F3、F4组试验钻孔密封性较好，抽采瓦斯浓度较高且衰减速率较小。综合考虑封孔经济因素，F3组试验钻孔较F4组试验钻孔封孔深度短 5 m，封孔成本较低。因此，封孔深度为15 m，注浆压力为1.5 MPa参数条件下，钻孔密封性较好。

5 结论

1)根据贵州五轮山煤矿8#煤层赋存特征及原有封孔方式，分析了封孔质量影响因素，并将钻孔漏气形式划分为巷道裂隙带漏气、钻孔裂隙带漏气、孔壁边缘漏气、封孔段材料漏气4类。

2)采用岩石力学理论分析、数值模拟、现场试验的方法，对钻孔周围应力分布规律开展研究，确定 8#煤层的合理封孔深度为10～15 m，合理注浆扩散半径为0.40～0.50 m。

3)对封孔材料进行优化，新型封孔材料相较于水泥砂浆封孔材料其抗压强度提升了20 MPa，膨胀率增加了20%，黏度降低了23%，终凝时间缩短5 h。确定合理的注浆压力为1.5 MPa，注浆量为0.3 m3。

4)现场工业性试验表明，顺层抽采瓦斯钻孔合理封孔深度为15 m、注浆压力为1.5 MPa、注浆量为0.3 m3。钻孔日平均抽采瓦斯浓度提升约30%，衰减速率明显降低。