瓦斯抽采钻孔孔内二次注浆堵漏技术应用

2023-11-10刘业忠

江西煤炭科技 2023年4期

刘业忠

（山煤国际能源集团股份有限公司，山西太原 030006）

霍尔辛赫煤业开采3 号煤层。3 号煤层具有瓦斯含量高、透气性差、较松软、高衰减等特点，目前通过本煤层钻孔预抽为主的方式进行瓦斯抽采。然而，在瓦斯抽采过程中，经常出现封孔失效、动力扰动而导致瓦斯抽采钻孔漏气、抽采瓦斯浓度较低等问题，在连续采集封孔管底部不同深度位置处瓦斯浓度的基础上，已判定得出钻孔具体串孔、漏气位置（钻孔封孔段以里4～6 m，即孔深16～20 m 处存在“漏气区域”）。因此，需进一步通过二次注浆技术手段对瓦斯抽采钻孔进行堵漏处理，以提升本煤层钻孔中瓦斯抽采的浓度，进而保证抽采效果。

1 工程概况

1.1 矿井基本情况

霍尔辛赫煤业隶属于山西焦煤集团，地处山西省长治市长子县，距离县城约5 km，交通便利。井田面积71.394 7 km2，矿井产能4.0 Mt/a，属高瓦斯矿井。3 号煤层具有瓦斯含量高、透气性差、较松软、高衰减等特点，煤层瓦斯含量7.95～11.99 m3/t，煤的孔隙率3.38%～3.97%，煤层瓦斯压力0.42～0.48 MPa，瓦斯放散初速度△P 为13.0～15.1，煤的坚固性系数0.51～1.0，残存瓦斯含量2.30～2.58 m3/t，煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅲ类。

2.1 瓦斯抽采情况

目前，霍尔辛赫煤业矿井瓦斯治理措施以本煤层钻孔预抽为主，在现场瓦斯抽采过程中，经常出现封孔失效、动力扰动而导致钻孔漏气、瓦斯浓度较低等问题。在连续采集封孔管底部不同深度位置处瓦斯浓度的基础上，分析得出孔内浅孔区瓦斯浓度变化情况，进而精确判定出了钻孔具体串孔、漏气位置（钻孔封孔段以里4～6 m，即孔深16～20 m 处存在“漏气区域”）。

2 孔内二次注浆堵漏提浓技术

2.1 孔内二次注浆堵漏提浓技术机理

采用专用注浆设备，把浆液直接注进瓦斯钻孔内封孔段的漏气通道，注入的浆液可以流入漏气裂隙内起到充填和凝固的作用，达到封堵孔内漏气通道的作用。二次注浆封堵后，钻孔外部空气若进到孔内时所受阻力会增大甚至无法进到孔内，以降低孔内空气比重，达到增大瓦斯抽采浓度的效果[1]。

如图1 所示，把气囊2 置入瓦斯钻孔内预定位置处，以使漏气区域能够处在两个气囊之间，再向气囊内注入一定量的气体使其膨胀，气囊1 能够起到封堵瓦斯抽采管道端部的作用，气囊2 可以起到封堵抽采钻孔的作用。这样，两个气囊之间的煤壁成为封堵区域，再通过注浆管对封堵区域实施带压注浆，当浆液充满封堵区域之后可以涌到钻孔周边裂隙漏气通道内，从而可以封堵孔内漏气通道，达到提升瓦斯抽采浓度的效果[2]。

2.2 孔内二次注浆堵漏技术流程

（1）关闭与低浓度瓦斯抽采钻孔相串孔的其他钻孔

对低浓钻孔进行孔内二次注浆前，若该钻孔与其他钻孔串孔，且已排查清楚具体和哪个钻孔串孔，则关闭附近与之串孔的抽采钻孔，防止注浆浆液被相邻钻孔抽走。

（2）连接推送注浆装置

根据漏气位置测量分析结果，依次连接封孔气囊（里）→双通道连接管（默认3 根，特殊情况需要增加封孔深度时可增加1～2 根）→封孔气囊（外）→双通道连接管顺序依次连接注浆装置并推入孔内，使得里端气囊位于钻孔主要漏气位置以里区域，外端气囊位于PVC 封孔管内。若在漏气位置测量后无需退杆便可进行注浆操作，则省去此步骤[3]。

（3）封孔气囊打压封孔

现场施工中先把压风管与注气管连接牢固，再开启二次注浆堵漏装置的注气阀门，向两个气囊实施注气作业使其膨胀，在注气压力达0.35～0.45 MPa 范围时，停止注气作业，并观察压力表数值能否处于稳定状态，如果压力数值稳定且不漏气，则可进入下一操作环节；如果压力数值出现逐步下降，那么表明整个注气系统具有轻微漏气情况，要将注气阀门保持开启状态，并通过适时调节注气阀门，使压力数值稳定于0.4 MPa 左右；如果压力数值出现迅速下降，那么表明整个注气系统具有严重漏气情况，则关闭整个装置并对其气密性重新进行检查后再重复之前操作[4]。

（4）配置注浆液

把注浆泵与压风管联系，先将60 kg 清水注入注浆泵中，按照1.2∶1 水灰比来配置注浆浆液，再采用边搅拌边逐渐倒入的方式，将50 kg 封孔水泥逐渐加入到注浆泵当中。

（5）封孔注浆

在注浆浆液充分搅匀之后，将试验装置的注浆管与注浆泵进行连接，再开启注浆阀门进行注浆作业，并通过注浆压力表实时观察孔内注浆压力变化情况，若注浆压力超过0.5 MPa 时，要适当降低注浆速度，并逐步向孔内加压注浆直至注浆压力达1 MPa 或者憋泵停注。

（6）卸压洗孔

当注浆作业完成之后，首先关闭注浆阀门并将压力保持2 min 后再进行卸压作业；此后再开启试验装置孔外气囊的充气阀门，并对其进行卸压作业。完成卸压后再通过试验装置的注浆管向孔内注入清水，整个过程约2 min，以达到稀释孔内封孔段浆液的目的[5]。

（7）退出注浆装置

洗孔结束后，清洗注浆泵，并将孔内装置逐根退出并清洗干净。

（8）恢复钻孔抽采

注浆装置全部退出后，更换孔口弯头，恢复钻孔正常并网状态，并暂不抽采，待24 h 后，恢复二次注浆孔及附近相邻钻孔带抽状态，抽采稳定后利用光学瓦检仪检查钻孔内的瓦斯浓度变化情况。

3 现场工业应用及效果

2022 年2 月21 日～6 月25 日，对霍尔辛赫煤业3502 进风顺槽开展工业应用试验，试验钻孔均为抽采3 个月以上的低浓度钻孔，封孔管直径50 mm，封孔深度18 m，并通过观测单孔瓦斯浓度和抽采纯量对二次注浆堵漏提高瓦斯抽采浓效果进行检验。二次注浆试验钻孔提高瓦斯抽采浓效果如表1 所示。

表1 二次注浆试验孔瓦斯抽采浓度提高效果

通过表1 可以得出，16 个试验钻孔在注浆后钻孔抽采瓦斯浓度普遍上升，二次注浆前钻孔平均瓦斯抽采浓度8.68%，二次注浆后钻孔平均瓦斯抽采浓度33.54%，提高幅度1.5～102 倍，平均提高3.86 倍，其中瓦斯浓度超过40%的有5 个钻孔，瓦斯浓度超过30%有8 个钻孔，瓦斯浓度超过10%的有11 个钻孔。

二次注浆试验钻孔提高瓦斯抽采纯量提升效果如表2 所示。

表2 二次注浆试验孔瓦斯抽采纯量提升效果

通过表2 可以得出，16 个试验钻孔在二次注浆后钻孔抽采纯流量普遍上升，二次注浆前钻孔平均抽采纯量0.009 5 m3/min，二次注浆后钻孔平均抽采纯量0.038 8 m3/min，提高幅度1.3～26.8 倍，平均提高4.08 倍，其中抽采纯流量提升超过10 倍的有4 个钻孔，抽采纯流量超过2 倍的有11 个钻孔。