“三堵两注”新型带压封孔工艺现场试验

赵永刚

(潞安化工集团 环保能源开发股份有限公司王庄煤矿,山西 长治 046100)

随着开采深度的逐渐加深以及特殊的地质条件,深部开采煤层瓦斯含量大、压力高、强吸附、高衰减等特征更加明显[1]. 煤矿瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量,防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施。王庄煤矿瓦斯治理目前主要是本煤层钻孔预抽,受地质和瓦斯赋存条件的影响,钻孔施工过程中存在钻孔工程量大、塌孔现象严重,且成孔后抽采浓度低、纯量小等问题,封孔质量的好坏直接影响了瓦斯抽采效果[2]. 现行的封孔技术没有达到完全密封隔绝效果,对于多次扰动的本煤层瓦斯抽采钻孔,瓦斯抽采钻孔漏气问题更加突出,因此研究煤层瓦斯抽采钻孔失效机理、优化封孔工艺,对实现瓦斯高效抽采是非常有意义的。

1 三堵两注新型封孔设计

1.1 三堵两注封孔原理及布置

由于煤层受巷道掘进影响导致煤体上的应力发生重新分布现象,由巷帮向内依次可分为卸压区、应力集中区和原始应力区。卸压区煤岩体与应力集中区煤体存在较为严重的漏气现象。而处在原始应力区的煤体仍保持着原始状态,这种情况封孔效果较好。因此,钻孔封孔段的位置最好布置在原始应力区内[3-4].

“三堵两注”封孔工艺的核心技术原理是将原传统封孔工艺中的一段注浆段分割成里、外两段,外段注浆主要实现充填钻孔的作用,一定程度上实现小范围封堵。而里段封孔空间受地应力活动影响较小,裂隙发育较少,便于实现高压带压注浆封孔,能更好的对钻孔周围裂隙实现有效封堵。

综合考虑王庄煤矿封孔现状,提出“三堵两注”新型带压封孔工艺的布置情况,见图1.

1—瓦斯抽采管;2—外段注浆封孔段;3—里段注浆封孔段;4—封孔膨胀囊袋;5—瓦斯气流;6—空气流;7—煤体裂隙;8—注浆后被封堵裂隙图1 “三堵两注”封孔示意图

1.2 三堵两注封孔器设计

“三堵两注”囊袋新型封孔器设计参数见图2. 该装置由3个囊袋、一长一短两根注浆管及爆破阀构成,装置总长18.5 m,其中3个囊袋设计长度均为0.8 m,外布囊与中布囊间隔7 m,中布囊与里布囊间隔8 m,爆破阀位于中布囊与里布囊中间位置,设计爆破压力0.5 MPa,长注浆管穿过3个布囊,在该注浆管上开有出浆孔可向囊袋内部注浆使之膨胀,短注浆管长2 m,从外布囊内部穿过,可通过该注浆管向外段注浆空间注浆封孔。

图2 三堵两注封孔器设计图

1.3 三堵两注新型封孔器特点

与传统“两堵一注”相比,该工艺的技术特点主要有以下几个方面:

1) 有两段注浆空间。里、外两段封孔注浆空间相结合,增强钻孔密封性。

2) 封孔深度更深。该工艺设计封孔深度20 m,能保证在卸压区以里进行钻孔封孔,里段封孔段受煤体应力变化影响也相对较小。

3) 注浆压力更高。采用带压封孔工艺,封孔浆液在注浆压力的作用下流动至钻孔周围煤岩体裂隙中,随着浆液的凝固,漏气通道被封堵,有效提升钻孔瓦斯抽采效果。

2 试验前期准备

2.1 试验地点及钻孔的确定

选择王庄煤矿3#煤层的9106外风巷及91-208运巷进行现场试验。9106外风巷是二级瓦斯区域,瓦斯含量小于8 m3/t,巷道设计长度1173 m,从该巷道540 m处开始施工钻孔,共施工钻孔310个。目前已施工250个钻孔,钻孔设计长度165 m;91-208运巷为高瓦斯巷道,巷道设计长度2471 m,目前已施工700个钻孔,钻孔设计长度120 m.

2.2 钻孔漏气位置检测

1) 在试验地点预先准备好设备和材料。封孔注浆设备:高压气动注浆泵1台、φ19 mm高压注浆管1根、φ19 mm高压风管1根、φ19 mm水管1根,皆为10 m/根;试验材料:封孔水泥5袋/孔(25 kg/袋)、光学检测仪、抽气筒。

2) 选择巷道内浓度低于15%的采前预抽钻孔为检测对象,利用光学瓦检仪进行钻孔浓度复测,对于实测浓度低于15%的钻孔,确定为试验钻孔。

3) 钻孔漏气位置检测。选择91-208运巷453、463、473、475、477、487号钻孔为漏气检测试验孔,对钻孔漏气位置进行检测,巷道内空气受负压作用流入孔内的具体区域可通过钻孔内区域前后瓦斯浓度的变化情况进行分析判断,通过对钻孔内不同位置的浓度变化趋势分析,即可得出钻孔具体严重漏气位置。漏气位置检测原理见图3.

图3 漏气位置检测原理图

钻孔漏气位置瓦斯实测浓度检测数据见图4,分析可知,试验的6个钻孔中,487号钻孔抽采浓度曲线无明显变化且在20 m处最大瓦斯抽采浓度仅为9.4%左右,可以说明该钻孔漏气位置主要不在16～20 m. 其余5个钻孔在20 m处浓度相对较高,瓦斯浓度均达到了40%以上,钻孔漏气量相对较少,而起始段浓度较低,且曲线中有明显的折点,表示钻孔在12～20 m内漏气严重,折点位置附近为漏气最严重点。

图4 钻孔漏气位置实测浓度变化曲线图

3 三堵两注现场试验

3.1 试验流程

1) 确定钻孔封孔最佳深度为18～20 m.

2) 成孔后,根据钻孔封孔深度,下入合适数量的封孔管,并将“三堵两注”封孔器捆绑在抽采管上送入孔内。

3) 注浆前按照1∶1水灰质量比配置注浆液,注浆时先对3个封孔囊袋进行注浆,形成2个注浆空间段,同时注浆压力达到0.5～0.8 MPa时,将里段封孔段爆破阀打开,开始向里段注浆空间注浆,观测压力表变化,在压力达到1～1.5 MPa时停止注浆,注浆结束后将初次注浆管折弯保压,一次注浆结束。

4) 将注浆泵与二次注浆管连接进行二次注浆,即向外段封孔空间注浆,观测压力表变化,注浆压力达到0.5～1 MPa时停止注浆,注浆完成后将二次注浆管折弯保压,二次注浆结束。

5) 待封孔结束后,安装孔口三通与负压抽采系统连接,开始并网抽采,并定期考察“三堵两注”工艺带压封孔钻孔抽采浓度。

3.2 试验钻孔施工数据

“三堵两注”囊袋带压封孔工艺共试验6个钻孔。9106外风巷施工顺层钻孔设计深度165 m,开孔倾角2°～6°,属于仰孔。91-208运巷施工顺层钻孔设计深度120 m,开孔倾角3°,属于仰孔。

3.3 试验钻孔封孔下管情况

“三堵两注”囊袋封孔下管时皆选用5根4 m长、外径75 mm、内径62 mm的PVC抽采管,用管箍或者铁丝将囊袋固定在抽采管上,送入钻孔内,下管深度20 m,里布囊位置距孔口17～18 m处,中布囊距孔口8～9 m处,外布囊距孔口0～1 m处,完成钻孔下管工作。

4 试验结果及分析

4.1 试验钻孔封孔注浆情况

“三堵两注”囊袋封孔工艺现场注浆情况见表1. “三堵两注”囊袋封孔工艺共有里、外两封孔注浆区域,为保证封孔质量,注浆时对两段注浆区域均完成注浆。

表1 钻孔封孔注浆参数表

分析表1数据可知,在注浆初始阶段首先对3个囊袋注浆,注浆量保持在25～37.5 kg;在进行里段空间注浆时,340号孔注浆137.5 kg,未出现注浆压力;386号孔注浆过程中出现抽采管内轻微漏浆返浆情况,遂停止注浆,注浆压力保持在1～1.5 MPa;548、599、600号孔均实现带压注浆,注浆量在50 kg左右,注浆压力保持在1～1.5 MPa.

在进行外段空间注浆时,340、356号孔注浆量保持在50～62.5 kg,注浆压力保持在0.2～1.0 MPa,无注浆异常情况;386号孔外段注浆时注浆量137.5 kg,无注浆压力;600号孔外段注浆时出现孔口段位置与599号孔串孔情况,浆液从599号孔流出。

综上所述,“三堵两注”封孔装置囊袋注浆量保持在25～37.5 kg;里段注浆空间注浆量保持在50 kg以上,注浆压力在1～1.5 MPa,裂隙较为发育钻孔即使无注浆压力,注浆量最高也达到了137.5 kg;外段注浆空间注浆量保持在37.5 kg以上,注浆压力在0.2～1.0 MPa,裂隙较为发育钻孔即使无注浆压力,注浆量最高也达到了137.5 kg.

4.2 注浆效果检验

由于9106外风巷与91-208运巷的瓦斯赋存规律、地质条件、应力分布及钻孔施工参数不同,“三堵两注”封孔工艺及原封孔工艺在两个巷道的封孔效果均存在差异,因此在对三堵两注封孔工艺效果进行考察时,要分别对两个巷道试验钻孔的封孔效果进行对比分析。

钻孔封孔并网抽采后,为考察“三堵两注”新型封孔工艺试验效果,对试验钻孔及试验钻孔周边孔前40 d的瓦斯抽采浓度进行跟踪监测,见图5.

图5 新工艺与原工艺封孔浓度对比分析图

1) 9106外风巷钻孔封孔效果对比分析。

9106外风巷“三堵两注”试验钻孔与原封孔工艺钻孔的瓦斯抽采浓度对比分析数据见图5(a). 由图5(a)可以看出,“三堵两注”工艺封孔钻孔除344号孔存在孔口塌孔导致封孔效果不佳之外,其余钻孔封孔效果均明显提升。试验钻孔单孔初始最大抽采浓度可达42.4%,单个“三堵两注”封孔钻孔初始抽采浓度保持在25%以上,抽采前20 d抽采浓度仍能保持在20%以上,而原工艺封孔钻孔初始最大抽采浓度仅为6.2%,其余钻孔初始抽采浓度均在3%以下,有些钻孔在抽采过程中甚至出现了浓度为0,封孔效果较差,钻孔漏气情况严重,难以实现瓦斯有效抽采。可以看出,“三堵两注”封孔工艺密封效果明显增强,钻孔瓦斯抽采浓度得到了大幅提升,更具优越性。

随着抽采时间的延长,“三堵两注”试验钻孔的瓦斯抽采浓度均有一定的衰减,抽采40 d后,瓦斯最大衰减浓度达到了20.4%,单个实验钻孔浓度衰减均在10%以上,经研究分析有以下3个主要原因:a) 该巷为小煤柱巷道,地压活动频繁,在应力作用下,卸压区范围变大,在钻孔20 m以里裂隙仍较为发育,导致抽采浓度衰减严重。b) 该巷受地应力活动影响,煤层裂隙在抽采过程中仍存在动态发育,导致钻孔周围煤岩体产生了新的漏气通道,造成钻孔抽采浓度存在衰减现象。c) 钻孔封孔注浆段在抽采过程中出现蠕变变形或断裂破坏,与煤壁接触面出现空隙,形成漏气通道,导致瓦斯抽采浓度出现衰减情况。

2) 91-208运巷钻孔封孔效果对比分析。

91-208运巷“三堵两注”试验钻孔及原封孔工艺钻孔的瓦斯抽采浓度对比分析数据见图5(b). 600号孔存在孔口与599号孔串孔情况,注浆时出现浆液从599号孔流出现象,封孔质量较差,导致瓦斯抽采浓度较低,试验效果不佳。

由图5(b)可以看出,由于91-208运巷为高瓦斯巷道,“三堵两注”工艺封孔钻孔及原封孔工艺钻孔初始瓦斯抽采浓度相差不大,“三堵两注”工艺封孔钻孔初始最大瓦斯抽采浓度为84.4%,原封孔工艺钻孔初始最大瓦斯抽采浓度为86.2%. 但随着抽采时间的延长,原封孔工艺钻孔出现了浓度大幅衰减情况,钻孔最大衰减浓度达到了19.4%,其余钻孔也均出现了不同程度的衰减。“三堵两注”工艺封孔钻孔瓦斯抽采浓度随抽采时间的延长虽出现了一定的波动,有少量衰减,但整体上仍能保持较高较稳定的抽采浓度。

5 结 论

1) 提出了“三堵两注”囊袋新型带压封孔工艺,并设计研发了“三堵两注”新型封孔装备。设计封孔深度20 m,有里、外两段注浆空间,注浆过程中保持带压注浆,不仅能使钻孔内注浆空间更完全的充满浆液,还能保证浆液流动至钻孔周围裂缝中,提高钻孔密封性。

2) “三堵两注”囊袋新型带压封孔工艺相对于常规“两堵一注”封孔工艺具有两段注浆空间、封孔深度更深、注浆压力更高的技术优势。但在施工时应特别注意需保持带压注浆,即使在裂隙较为发育的钻孔无注浆压力的情况下,也要保证足够的注浆量。

3) 9106外风巷“三堵两注”封孔工艺试验钻孔封孔效果良好,试验钻孔单孔最大瓦斯抽采浓度42.4%,除注浆异常钻孔之外,其余试验钻孔抽采浓度均达到25%以上,较原封孔工艺抽采浓度提升了4.2～6.8倍,瓦斯抽采浓度提升明显。

4) 91-208运巷“三堵两注”封孔工艺试验钻孔单孔最大瓦斯抽采浓度为84.4%,除注浆异常钻孔之外,其余试验钻孔瓦斯抽采浓度均达到60%以上,与原封孔工艺相比,“三堵两注”封孔工艺试验钻孔抽采浓度衰减慢,能保持钻孔长时间高效抽采。