瓦斯抽采钻孔新型注浆封孔方法研究

2024-02-27陈杰

山东煤炭科技 2024年1期

陈杰

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西大同 037003）

煤峪口矿井下主采煤层为山西组二煤层，煤层的平均厚度为9.6 m，煤层的平均倾斜角为3.6°。该区域煤层破碎度较高，而且煤层、顶板、底板均为软弱岩层的“三软”不稳定性煤层，煤层所处位置的地质条件稳定性差且瓦斯集中。在开采过程中瓦斯的绝对涌出量达到了10.66 m³/min，瓦斯的相对涌出量也达到了2.77 m³/t，在开采过程中发生过一次煤与瓦斯突出现象，因此属于典型的瓦斯突出型矿井。随着综采作业的不断进行，综采深度不断加大，在综采过程中的瓦斯突出已经成为影响井下综采作业效率和安全性提升的关键因素。

煤峪口矿现有的“两堵一注”井下瓦斯抽采封孔技术效率低、封孔可靠性差，造成瓦斯抽采体积分数较小，无法满足井下瓦斯抽采效率和安全性的需求。针对井下的实际情况，煤峪口矿提出了高保压二次注浆封孔技术，利用高膨胀性注浆料和二次注浆料对瓦斯抽采孔进行双重堵漏。根据实际应用表明，新的注浆技术，能够将封孔效率提升7.6%，将抽采体积分数提高6.66%，瓦斯抽采效果得到了显著的提升。

1 注浆工艺技术

对原瓦斯抽采钻孔封孔注浆工艺技术进行分析，针对存在的问题，进行针对性优化。

1.1 原封孔技术分析

煤矿井下现有的瓦斯孔封孔工艺主要是“两堵一注”带压封孔[1]，封孔时所采用的封孔料是普通的发泡水泥。当瓦斯孔钻进完成后，在钻孔中插入多个瓦斯抽采管，首先将注浆料搅拌均匀并稀释后，将注浆泵和注浆管连接，然后开始注浆，浆液随着注浆管进入到两端的囊袋内。待注浆压力达到1.2 MPa 后中间位置的爆破阀开启，注浆液从两侧进入到囊袋中间的位置，完成注浆[2]。当注浆完成后注浆泵需要持续开启2 h 以上，保证注浆液能够在压力的作用下渗入到钻孔四周的裂隙内，提高封孔的可靠性。

该注浆方式虽然整体相对简单，但在松软和不稳定地质条件下对注浆时候的压力控制和注浆流速控制要求较高，整个注浆周期达到了6 h 以上，因此注浆效率较低。而且由于采用单一注浆液，导致对不同区域的封孔效果难以达到最佳，因此封孔的一致性和合格率较低[3]。井下主要岩层的参数如表1 所示。

表1 井下煤岩物理参数汇总表

1.2 新型高保压二次注浆封孔

结合煤峪口矿井下地质条件松软的情况，项目组提出了高压二次注浆封孔的工艺。该工艺采用了穿套式的三囊袋封孔装置[4]，根据封孔位置的不同选用了高膨胀性一次注浆料和聚氨酯基有机二次注浆材料。在钻孔浅部围岩处采用高膨胀性一次注浆料密封，能够利用其膨胀力大的特点进行支护并压实钻孔，在抽采后期则利用聚氨酯基有机二次注浆料对钻孔缝隙进行渗透密封加固[5]。高保压二次注浆结构如图1 所示，图中A-1 和A-2 表示一次注浆封孔段，C 表示二次注浆封孔段。

图1 高保压二次注浆结构示意图

由图1 可知，下侧的管路P 为一次注浆管，该注浆管连通A-1、A-2 两个注浆空间；上侧的管路P为二次注浆管，该注浆管连通注浆空间C。注浆封孔工艺流程可表示：

1）一次注浆封孔。在注浆孔完成后，把抽采管从封孔器的3 个注浆空间内穿过，然后围着抽采管把注浆囊袋缠绕并用细扎丝把囊袋两端扎紧在抽采管上[6]。在对囊袋进行固定时，二次注浆管的端部也需要用扎丝固定，从而形成一个密封的二次注浆空间，最后再把封孔器插入到孔内，进行高膨胀性一次注浆料的注浆和封堵。二次注浆空间结构如图2 所示[7]。

图2 二次注浆空间结构示意图

2）二次注浆封孔。在对井下瓦斯抽采一段时间后，再根据监测情况对瓦斯体积分数衰减较快的钻孔进行二次注浆，减少在抽采过程中的漏气。注浆时注浆压力为2 MPa，注浆位置在图2 所示两个囊袋中间的小凹槽内，持续向里注入聚氨酯基有机二次注浆料[8]。注浆料在注浆压力的作用下逐步渗入到钻孔周围的裂隙内，从而实现对注浆孔严密封堵的目的。

2 钻孔密封料的选择

2.1 密封材料选择

注浆料直接决定了对注浆孔封堵的可靠性，高膨胀性一次注浆料的主要作用是对钻孔进行首次密封，达到保护钻孔并把钻孔裂隙压实的目的[5]。在对多种密封料性能进行对比后选择了莱芜高膨胀灌浆料厂家的灌浆料[9]。其在30 h 后的膨胀力达到了0.05 MPa，在100 h 后的膨胀力达到了0.68 MPa，能够高效、可靠地将钻孔周围的缝隙压实，降低钻孔周围的孔隙度，为二次注浆封孔提供高可靠性的保压条件。其膨胀力随时间的变化曲线如图3（a）所示。

图3 注浆料性能示意图

二次注浆料主要作用是对注浆孔周围裂隙进行封堵，因此对其流动性和凝结后的强度要求较高，但流动性好的话一般会导致凝结速度降低[10]，不利于提高封孔效率和可靠性。在对多种材料进行分析后，选择了改性树脂注浆料，配合各类苯酚聚合物、发泡剂、交联剂等[11]。其中苯酚聚合物的质量分数设置为7.5%，交联剂的质量分数为2.7%，增韧剂的质量分数为3.4%，发泡剂的质量分数为0.9%。该材料具有黏度低、可注性高等特点。其黏度为74.5 MPa·s，固化后的结构强度达到了13.2%，凝固时间为29 min，膨胀率约为27.7%，能够在保证流动性的情况下提高固化速度和固化强度。凝结后的结构如图3（b）所示。

2.2 注浆料注浆封孔模拟

采用高膨胀灌浆料进行封孔，在封孔以后经过灌浆料的支护-压密[12]，钻孔四周的围岩变化情况如图4 所示。

图4 初次注浆后钻孔四周围岩变化情况

通过分析可知，在封孔后封孔段四周的岩壁发生了显著的压缩变形，该位置的裂隙显著降低，有效地提升了封孔段四周围岩的密实性，同时为囊袋2 注浆空间的注浆提供了保压基础。

对井下钻孔进行二次注浆能够进一步对钻孔周围的岩石裂隙进行密封，从而实现提升瓦斯抽采体积分数的目的。但在二次注浆时由于注浆压力很大，因此传统的注浆料极易发生浆液挤出[13]的问题，影响二次注浆效果。假设注浆的压力为1 MPa，此时钻孔四周围岩中注浆料的压力分布如图5 所示。

图5 不同注浆料情况下的扩散情况

当采用传统的注浆料时，浆液会沿着钻孔段进行轴向流动，进而都流入到钻孔中，这样不仅会导致注浆料的严重浪费，而且注浆室也无法保压[14]，降低了注浆密封的效果。当采用新的高膨胀灌浆料以后，注浆后能够迅速对钻孔四周的围岩进行膨胀加压，使注浆料沿着径向运动的区域迅速增加，减少了注浆料的挤出，不仅减少了注浆料使用，而且提升了注浆密封效果。

3 工程应用分析

目前该新型注浆封孔技术已经在煤峪口矿井下进行应用，在相同地质条件下利用新型注浆封孔技术打了30 个注浆孔，利用传统的“两堵一注”技术同样打了30 个注浆孔并进行封堵，而且两种注浆工艺采用了交叉分布的结构，确保对比的可靠性。

3.1 井下钻场布置

井下煤层选择了2204 综采面，其煤层平均厚度为9.6 m，煤层的平均倾斜角为3.6°，该区域煤层破碎度较高，井下的平均瓦斯含量达到了8.43 m³/t，井下平均瓦斯压力为0.3 MPa。根据井下实际情况共需要布置60 个注浆孔，但在实际作业过程中有8个孔不满足打孔要求，因此又补打了8 个孔，共设置68 个。每个注浆孔的直径为95 mm，注浆孔的深度为60.4 m，注浆孔的平均倾斜角为34.1°。井下注浆孔实际布置情况如图6 所示。

图6 井下钻孔布置结构示意图

3.2 对比效果分析

对抽采过程中的情况进行全面监测，将从2021年10 月17 日—2022 年1 月5 日内所获取的数据绘制成体积分数对比曲线，如图7 所示。

图7 不同注浆封孔工艺对比图

由实际对比结果可知，采用新型封孔方案后在各个阶段的瓦斯抽采体积分数均要大于传统的“两堵一注”封孔技术。当一次注浆封孔后一段时间各个瓦斯抽采孔的体积分数均开始下降。在2021 年10 月31 日开始进行二次封孔，瓦斯抽采的平均体积分数由17.9%提升到了25.7%，表明新的封堵方案能够实现快速阻断瓦斯泄漏的通道，提高瓦斯抽采效率和稳定性。

自2021 年11 月1 日后，采用新的瓦斯孔封孔技术下，瓦斯抽采的平均体积分数达到了15.77%，而同等条件下原封孔技术瓦斯抽采的平均体积分数仅9.11%，瓦斯抽采的平均体积分数具有显著的提升。该技术的应用，证明了高保压二次注浆封孔技术的可靠性。而且由于采用了凝固速度更快的注浆料，其整体封孔效率比优化前提升了7.6%。