一种新型钻孔密封材料的研究与应用

2024-04-10付鑫

煤 2024年4期

付鑫

(汾西矿业双柳煤矿,山西柳林 033300)

我国煤矿瓦斯的赋存条件比较复杂,瓦斯突出及爆炸事故时有发生,直接影响着煤矿的生产安全。煤层瓦斯预抽可以有效防止瓦斯事故的发生,但在瓦斯抽采钻孔施工过程中,受松动圈的影响,会出现抽采效果较差、抽采浓度衰减相对较快等问题。使用普通注浆水泥已不能满足抽采钻孔封孔现状,急需研究新的钻孔密封材料。

1 新型钻孔密封材料介绍

环保型相变凝胶钻孔密封技术主要以EPCG钻孔密封材料和自适应保压式封孔器等产品为依托,从而实现钻孔瓦斯高质量抽采。

1.1 EPCG钻孔密封材料

环保型相变凝胶(Environment-friendly Phase Change Gel,简称EPCG)是一种以绿色、环保、可降解的水溶性高分子为基料的复配型密封材料,利用物理化学改性方法精准控制材料水溶液的凝胶化相变过程,使其在不同的时间段内发生不同的物理相变反应,进而适应不同煤层钻孔密封全过程中低阻注浆、低粘渗透、高粘胶结、动态密封及绿色降解的材料性能需求,有效保障瓦斯抽采钻孔高质量密封,并通过对密封材料降解,实现瓦斯抽采钻孔孔内抽采设备的回收,从根本上降低单孔密封成本。同时,该材料同比使用量仅为膨胀水泥材料的3%～5%,可极大减少现场施工人员的劳动量。该材料为智能化随钻密封技术的发展和煤矿井下钻孔瓦斯抽采的“降本增效”提供了可靠的物质基础[1]。

环保型相变凝胶钻孔密封材料的主要性能指标如下:①胶凝点:20～30 min内动态可调;②凝胶点前粘度:<(30～50)MPa·s;③最终粘度(2%) :≥3×105MPa·s;④凝胶化时间:50～90 min;⑤凝胶材料料水质量比: 0.02～0.04;⑥凝胶材料保质期:≥2 a.

1.2 钻孔自适应保压式封孔器

工作时,通过注浆管将低粘状态的EPCG材料浆液注入到封孔器中进行封孔,过程如下:注浆材料首先注入并逐渐充满内封堵囊袋,使内封堵囊袋紧贴煤壁封堵钻孔,注浆材料无法继续注入内封堵囊袋时开始产生注浆压力,继续注浆,注浆压力上升,当注浆压力达到0.15 MPa时,外封堵囊袋内的单向逆止阀打开,注浆材料开始注入外封堵囊袋。注浆材料逐渐充满外封堵囊袋,使外封堵囊袋贴紧煤壁封堵钻孔,注浆材料无法继续注入外封堵囊袋,继续产生注浆压力。当注浆压力升到0.5 MPa时,内、外封堵囊袋之间的爆破阀爆破,注浆材料开始注入内、外封堵囊袋之间的空间。当注浆压力达到1.5 MPa时封孔完毕。通过保压有效保障了EPCG材料在钻孔围岩裂隙中的渗透性、密封性和自适应性,为瓦斯抽采钻孔高效、低耗、绿色、环保密封提供了关键结构基础[2]。钻孔自适应保压式封孔器如图1所示。

图1 钻孔自适应保压式封孔器产品

1.3 适用条件

环保型相变凝胶钻孔密封技术具有钻孔自适应性和施工便捷的优势,适用于不同类型煤层和岩层赋存条件下的顺层和穿层瓦斯抽采钻孔,特别适用于直径小于200 mm的钻孔,且钻孔施工过程中无需安装其他附属装置。常规钻孔密封的施工工艺是在钻孔形成后,直接安装抽采管及自适应保压式封孔器,通过注入EPCG材料实现目标钻孔的带压密封,其封孔工艺见图2.

图2 环保型相变凝胶钻孔密封材料及使用工艺

2 试验工艺及实施过程

2.1 试验目的

本次试验旨在测试EPCG产品的钻孔密封效果,优化其密封工艺并发现其可能存在的问题。以顺层钻孔为实验条件,对比分析EPCG产品和膨胀水泥两种密封材料的密封效果、施工工艺、施工效率及密封成本,为EPCG产品优化和钻孔瓦斯高质量抽采提供技术支持。

2.2 试验材料及设备

1) 密封材料:EPCG钻孔密封材料、矿用水泥基封孔材料、聚氨酯(安标);

2) 配套设备:注浆泵(标准)、瓦斯流量及体积分数测定装置、抽采管、封孔囊袋及配套零件。

2.3 实施工艺

2.3.1 测试孔(EPCG自适应保压式封孔囊袋封孔法)

我校是一所贫困县县城小学，近年来生源剧增，学困生数量增多。为了提高办学质量，急需进行学困生转化工作，改变现状。要改变这一局面，就要对“学困生”学习困难认知特点及教学对策进行调查、分析，才能有针对性地加以解决。学困生形成的原因是多方面的，归结起来有以下几种。

1) 安装封孔器:将封孔器、注浆管与抽采管连接,确保注浆长度为12 m,其中外端封孔囊袋距煤壁0.5 m.

2) 注浆密封(包括专用封孔器注浆):将注浆桶盛满水,开启气动搅拌器(快速),并将1袋EPCG材料加入注浆桶(100 L),待EPCG粉料完全润湿,将搅拌器调至慢速,并持续搅拌3～5 min,待浆液粘度感明显,开始实施注浆。

3) 清洗注浆系统:注浆结束后,完成注浆管结扎,并清洗注浆泵、注浆桶及相关注浆管路。

2.3.2 对比孔(膨胀水泥+滤积式囊袋封孔法)

1) 安装封孔囊袋:将封孔囊袋按日常程序固定于抽采管壁上,送入抽采钻孔,其中外端封孔囊袋距煤壁0.5 m.

2) 注浆密封:将注浆桶盛满水,开启气动搅拌器(快速),并将3袋矿用水泥基封孔材料加入注浆桶(100 L),待水泥基封孔材料完全润湿,并持续搅拌3～5 min,开始实施注浆。

3) 清洗注浆系统:注浆结束后,完成注浆管结扎,并清洗注浆泵、注浆桶及相关注浆管路。

2.3.3 安装考察装置

图3 单孔并管方式示意

2.4 钻孔施工参数

根据现场实施条件,本次施工试验钻孔共计20个,其中采用膨胀水泥+滤积式囊袋封孔法密封钻孔10个,采用EPCG自适应保压式封孔囊袋封孔法密封钻孔10个。为确保测试结果对比有效,两类封孔工艺施工过程中均采用相同钻孔密封参数和抽采负压,单孔瓦斯抽采参数测定过程中均采用相同的测试装备和测试方式。

1) 钻孔布置方法:在33(4)19运巷,沿煤层倾向打顺层钻孔进入本煤层中进行瓦斯抽采。

2) 钻孔的倾角:按照本煤层瓦斯预抽的方法,开孔位置距巷道底板为1.5 m.根据工作面煤层倾角标高的变化,考虑到钻杆施工过程中存在一定的弯曲下沉量,钻孔倾角均沿煤层倾角施工,为3°～6°.

3) 钻孔长度:110 m.

4) 钻孔直径:94 mm.

5) 钻孔间距:根据抽采半径设计钻孔间距为6.5 m.

2.5 钻孔施工要求

1) 钻孔施工前,抽采区打钻队必须制定相应的安全措施并贯彻落实。

2) 严格按照本设计的钻孔参数进行施工,深度误差不大于±1 m,本煤层钻孔倾角参照相邻的钻孔倾角,误差控制在±1°内,钻孔间距严格按照设计施工。

3) 钻孔在施工期间如果遇到无碳柱或其他地质构造,必须及时和地质科联系,根据现场实际情况调整钻孔角度再进行施工。

4) 在钻孔施工期间,如果出现掉钻杆的情况,打钻队必须详细记录掉钻杆的方位、长度以及钻杆的数量,并由地质科、生产科记录,确保回采期间的作业安全。

5) 钻孔在施工期间,必须进行挂牌管理。在巷道口悬挂设计牌板、施工进度牌板以及相关的安全管理牌板。

6) 本煤层钻孔施工结束后,必须洗孔处理孔内的煤渣,确保抽采效果。洗孔时,更换水窝内的水,洗孔时间不得少于40 min.

7) 本煤层钻孔施工结束后,必须及时封孔,确保封孔严密不漏气,封孔质量达到要求。

8) 钻孔施工过程中,如掉钻、卡钻,施工不到位导致施工孔深与设计孔深不符,应在原有钻孔旁重新开孔施工,原钻孔应及时封堵。

9) 在施工钻孔过程中,若发现煤岩松软、片帮来压或者钻孔中水压、水量突然增大和顶钻等突水征兆时,立即停止钻进,但不得拔出钻杆,及时向调度室汇报,采取安全措施,派相关人员妥善处理。在钻孔施工前应先完善施工地点的排水系统[3]。

3 试验结果及对比分析

3.1 试验结果

钻孔密封完成后,开始测试记录相关抽采数据,测试考察周期平均为2个月 ,不同钻孔密封工艺条件下,平均单孔抽采瓦斯体积分数及抽采瓦斯纯量分布见图4.

图4 试验钻孔平均单孔抽采瓦斯体积分数及抽采瓦斯纯量分布

由图4可知,在相同抽采条件下,与膨胀水泥基材料+滤积式囊袋式“两堵一注”封孔工艺相比较,采用EPCG材料+自适应保压式封孔器式“两堵一注”封孔工艺密封可使单孔平均抽采瓦斯体积分数提高1.55～2倍,平均提高1.75倍;平均单孔瓦斯抽采纯量可提高1.4～1.8倍,平均提高1.67倍,具有明显的提浓效果。抽采2个月后,单孔平均抽采瓦斯体积分数仍保持在34%以上,可大幅提高抽采瓦斯的可利用率。