大直径钻孔高压保压封孔技术研究

霍晶晶

(潞安化工集团 寺家庄公司,山西 晋中 045300)

瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯问题的根本途径,选取合理的封孔工艺、封孔材料对降低钻孔漏气量至关重要。为提高钻孔的密封质量,国内外学者研发了多种封孔工艺和封孔材料。应用比较多的封孔工艺包括“两堵一注”封孔、动态注浆封孔、“二次封孔”和封堵一体化等[1]。针对注浆封孔的局限性,周福宝等[2]提出利用钻孔负压将超细膨胀粉末颗粒吸入钻孔周围微小裂隙的二次封孔方法;王兆丰等[3]提出“破孔重封”的二次封孔方法;时岚[4]提出固液两相膏体分时段封孔技术;杨赫[5]提出瓦斯抽采钻孔分级管控,通过识别有问题钻孔进行针对性封孔,从而提高总体瓦斯体积分数,但瓦斯体积分数衰减过快问题依然没有完全解决。

我公司本煤层顺层抽采钻孔采用囊袋式“两堵一注”水泥砂浆封孔方式,封孔管为直径63 mm、壁厚6 mm的PE管,连接部位及管件必须能承受不小于2 MPa的压力;注浆封孔长度不少于12 m,封孔深度位于距孔口8～16 m处。抽采钻孔必须有单孔观测装置,钻孔孔口负压不得低于13 kPa,以8～10个孔为一组,进行标准化连孔,实现分组计量,但由于采用的是“固封气”技术原理,依然普遍存在浓度衰减快、抽采率低、瓦斯抽采达标周期长的问题,瓦斯抽采钻孔封孔效果不尽人意,主要原因在于:①注浆压力偏低;②注浆过程不能保压;③封孔材料凝固析水形成“水线”;④封孔材料凝固后收缩等。

1 高压保压封孔装备研发

1.1 高压保压封孔囊袋材料及工艺研发

抽采钻孔直径由113 mm增加至400 mm,原来的封孔囊袋由于无法承受大直径抽采钻孔的封孔材料重量和注浆压力,大部分破裂,无法保障封孔效果。因此,需要对大直径抽采钻孔的封孔囊袋材料进行研发。本研究拟采用市售的不同直径和不同密度的棉线编织的织物材料制作封孔器材的注浆囊袋,如图1所示。

图1 4种不同的试样材料

采用 JF-100P 微电脑拉力试验机对有效测试尺寸为 100 mm×25 mm 的布条试样进行拉伸实验,记录实验过程中布条的拉伸长度、拉力及变形破坏情况;此外,采用砂轮对织物的弯曲耐磨度进行测试,记录磨损1 min后织物的残余质量,并进一步计算织物的磨损率;最后通过滤浆实验检测不同织物的浆液过滤性能,并观测所过滤的浆液。从图2可以看出,试样1、试样2、试样3、试样4的极限拉力分别为1 122 N、723 N、860 N、515 N,这表明试样1具备更高的抗拉强度,试样1制作的囊袋会更具有稳定性。

图2 各试样的破坏拉力

从图3中可以看出,试样在不同状态下的拉伸率,试样1、试样2、试样3、试样4的极限拉伸率分别为35.5%、25%、41%、39%.这表明在试样发生破坏之前,试样3所发生的拉伸最大。由于囊袋中存在一定的浆液,所以较大的拉伸率可能导致渗出较多浆液,这不利于充分利用浆液。从图4中可以看出,不同试样对于浆液的滤水效果不同,其中试样3、试样4的拉伸率最大,导致渗出较多浆液,不利于瓦斯封孔,试样1、试样2可以保留较多浆液,有利于瓦斯封孔。另外,其中试样4的滤水效果较差,试样1、试样2可以过滤出浑浊的液体。

图3 各试样的极限拉伸率

根据上述结果,可以选择试样1作为囊袋的原材料,同时,囊袋与封孔管的连接对封孔效果至关重要,将钢环下设置柔性衬垫时,固定结构的极限承受力达到1 800 N以上。因此,在进行囊袋与封孔管固定的时候,应该采用压制磨倒角钢环的形式,并且倒角钢环与囊袋之间应设置柔性衬垫。

图4 各试样滤水性能测试

1.2 高压保压封孔管优化

抽采钻孔直径由113 mm增加至400 mm,原来的封孔管由于无法承受大直径抽采钻孔的注浆压力,大部分破裂,无法保障封孔效果。因此,需要对大直径抽采钻孔的封孔管进行研发。通过与厂家实验,将封孔管壁厚由原来的6 mm增加至8 mm,封孔管材料从PE管改进为PVC管(见图6)。优化后,封孔管承压能够达到4 MPa以上。

2 高压保压封孔参数研究

2.1 合理注浆压力确定

为了确定合理的注浆压力,利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行注浆压力与扩散半径的分析。抽采钻孔围岩内分布着大量的裂隙,可以用多孔介质来表示,浆液在岩体中的扩散可以看作是液体在多孔介质中的扩散过程。以钻孔为中心,抽采钻孔的直径400 mm,模型尺寸为20 m×20 m建立二维平面注浆模型并进行网格划分。为提高计算的效率,划分网格时将模型划分为多个区域。此次模拟在固定岩层裂隙分布下,对不同注浆压力下浆液的径向封堵效果进行分析。注浆压力为相对压力,以P0表示,参考计算结果,注浆压力的范围选为1～3 MPa,梯度为0.5 MPa递增。模型的边缘区域定义为无限远且此处压力为0.主要参数如表1所示。

图6 大直径钻孔封孔管

表1 数值模拟的主要参数

模拟过程使用达西定律与稀物质进行耦合计算,以浆液的浓度分布情况表示其扩散情况,体积分数为0的区域可表示为未扩散区域,以此来确定浆液的扩散距离。模拟结果可以用多种形式表现,由此可得到浆液分布的等值图与分布云图,为突出扩散距离,以等值线图为主进行表示,各个注浆压力下的结果如图7所示。对数值模拟的结果进行分析,对比各个压力下浆液的扩散范围云图,可知扩散的深度与注浆压力的关系呈正相关,特别是根据压力在1 MPa与2 MPa下,扩散距离的等值线图对比可进一步得知,压力越大,浆液的径向扩散深度越大。提取注浆压力与扩散距离数据,如图8所示。

图7 各注浆压力浆液的扩散云图

图8 注浆压力浆液扩散距离分布图

从图8中可以看出,随着注浆压力的增大,浆液扩散距离逐渐增加,当注浆压力由1 MPa增加到3 MPa,扩散距离由380 mm增加到1 225 mm,但增加幅度逐渐减小,注浆压力为2.5 MPa时,扩散距离达到1 195 mm,能够满足现场注浆需求,因此确定合理的注浆压力为2.5 MPa.

2.2 合理封孔深度确定

封孔深度是瓦斯抽采的重要参数之一,直接影响抽采效果和抽采成本。封孔深度太短会导致抽采钻孔“短路”,巷道内的空气经卸压带的贯穿裂隙被抽入钻孔,降低瓦斯浓度;封孔深度过长不但会造成封孔材料的浪费,也会造成封孔段部分成为瓦斯抽采的“盲区”,如图9所示。因此,确定预抽钻孔的合理封孔深度,具有安全效益和经济效益。

图9 封孔深度对瓦斯抽采效果影响示意

煤矿井下开采作业破坏了原始地层的应力平衡状态,使采掘工作面煤壁前方煤体承受的应力重新分布。一般情况下,煤壁前方在较短时间内就会形成应力重新分布,首先在煤壁附近形成较高的集中应力,当集中应力值达到煤体的轻度极限后,这部分煤体首先发生屈服变形,使集中应力向煤体深部转移。经过一定时间后,形成卸压带,应力集中带和原始应力带,简称为巷道应力“三带”,如图10所示。

图10 煤壁前方煤体应力带分布示意

由于瓦斯含量大小能综合反映煤体的瓦斯压力、透气性、瓦斯排放等情况,因此,巷帮“三带”分布可以通过测定不同深度煤体的原始瓦斯含量来确定,煤体应力“三带”分布规律如图11所示。

图11 瓦斯含量随钻孔变化情况

从图11中可以看出,0～10 m为卸压区,10～23 m为应力集中区,大于23 m为原始应力区,因此,合理的始封深度为10 m,合理的封孔段长度为10～23 m.

3 高压保压封孔工艺效果

为提高本煤层顺层钻孔封孔质量,在15115工作面进风巷第8抽采单元试验顺层钻孔高压保压封孔技术。钻孔封孔采用“两堵一注”定点定长带压封孔工艺,同时压力表、封孔泵、注浆管、快速接头、囊袋爆破阀等配件同步配套,囊袋承压从2 MPa提升至3 MPa,封孔管承压从2 MPa提升至4 MPa,高压稳压时长不小于30 min.钻孔封孔管长度为30 m,封孔器1号囊袋距孔口27 m,2号囊袋距孔口为15 m,封孔深度13.5 m,封孔段长度为12 m.如图12所示。

图12 大直径顺层钻孔封孔器安装示意(单位:mm)

装备改造主要是在进气侧安装气源控制器。气源控制器的安装实现了注浆压力的精准控制,注浆压力表的更换解决了水泥砂浆直接作用于压力表造成的频繁损坏问题,实现了注浆压力可视化、精准化。

现场统计了采用高压保压封孔方式和普通封孔方式的抽采体积分数及流量,如图13、表2所示。可以看出,采用普通封孔方式的抽采体积分数为8.7%～51%,平均26.3%,采用高保压封孔方式的抽采体积分数为35%～68%,平均为46.6%,提高了0.77倍;采用普通封孔方式的抽采纯量为0.019 4～0.135 m3/min,平均为0.053 m3/min,采用高保压封孔方式的抽采纯量为0.119～0.243 m3/min,平均为0.165 m3/min,提高了2.1倍;为工作面的高产高效创造先决条件。

图13 不同封孔方式抽采效果考察

表2 一组抽采钻孔抽采效果对比

4 结 语

1) 优选了囊袋的原材料及加工工艺,囊袋与封孔管固定的时候采用压制磨倒角钢环,并且倒角钢环与囊袋之间应设置柔性衬垫,将囊袋密封边线由两道增加为三道,囊袋承压能力能够达到3 MPa以上;将封孔管壁厚由原来的6 mm增加到8 mm,封孔管材料从PE管改进为PVC管,优化后,封孔管承压能够达到4 MPa以上。

2) 确定了合理的大直径抽采钻孔封孔参数。合理的注浆压力为2.5 MPa,扩散距离达到1 195 mm.巷道周围0～10 m为卸压区,10～23 m为应力集中区,大于23 m为原始应力区。抽采钻孔合理的始封深度为9 m,合理的封孔段长度为10～23 m.

3) 对比普通封孔方式和高保压封孔方式的抽采效果,抽采体积分数提高了0.77倍,抽采纯量提高了2.1倍。