平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實踐

任保紅+郝延坤

【摘 要】預抽煤層瓦斯可以降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，達到消除煤與瓦斯突出危險性的目的。通過對平寶公司傳統本煤層順層鉆孔瓦斯抽采工藝進行分析，找出缺點并提出了改進措施。將改進后的封孔工藝和傳統封孔工藝進行對比分析，發現改進工藝在瓦斯抽采濃度和有效瓦斯抽采時間上都大幅度提高。

【關鍵詞】安全技術；煤與瓦斯突出；瓦斯抽采；鉆孔封孔

0 引言

近年來，河南煤炭淺部資源日益減少，礦山相繼進入深部開采狀態，煤與瓦斯突出礦井的數量越來越多，平頂山煤業集團公司東部礦區煤與瓦斯突出災害尤為嚴重。特別是2007年11月份以來平煤十礦、十三礦均發生煤與瓦斯突出傷人事故。而位于平頂山東部礦區的平寶公司，根據瓦斯鑒定結果，己組煤層瓦斯壓力為1.38MPa、瓦斯含量最大為19m3/t，具有煤與瓦斯突出危險性。

煤與瓦斯突出是地應力、煤層瓦斯壓力和煤的物理力學性質共同作用的結果。開采解放層和預抽煤層瓦斯壓力是治理煤與瓦斯突出事故的兩種區域措施。對平寶公司來說，目前預抽煤層瓦斯是消除突出危險性最根本的手段，通過抽放可以降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，達到消除煤與瓦斯突出的目的。預抽煤層瓦斯措施中本煤層順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯一直是個難點問題。平寶公司主采煤層埋藏較深（平均800m以上）地應力較大、在煤層較軟（f﹤0.2）、煤層透氣性較低（λ=0.085）的情況下，本煤層順層瓦斯抽采鉆孔施工難度大，封孔質量不高，鉆孔封孔后存在不同程度的漏氣現象，影響了瓦斯抽采效果。因此提高封孔質量，保證鉆孔瓦斯抽放效果就顯得尤為重要。

1 存在問題及分析

1.1 傳統封孔工藝及存在問題

傳統的本煤層封孔工藝采用？覫50mm，長度20m封孔管，用6組共12袋礦用封孔藥進行封孔，每組藥之間相隔0.8m，其中封孔管末端篩管的長度為4m。全長20m的封孔管，除去封孔管末端的4m篩管長度還剩余16m，6組封孔藥的位置處于10—15m范圍內，封孔位置處于煤體裂隙發育的區域。鉆孔封孔后存在不同程度的漏氣現象，抽放負壓大量浪費，很難有效將煤體深部的瓦斯抽放出來。另外由于受高地應力及巷道周圍集中應力的影響，在瓦斯抽采一定時間后 鉆孔封孔管存在不同程度的擠扁現象，煤體深部的鉆孔變形垮塌甚至被重新壓實，煤層深部的瓦斯很難被有效抽采出來，很難徹底消除煤層突出危險性。

1.2 問題分析

巷道開掘后，周圍煤體的原始應力分布遭到破壞，周圍煤體的應力將向巷道周圍轉移，進行重新分布，巷道周圍煤體的變形區域及垂直應力分布如圖1所示[1]。

在圖1中，曲線1為巷道周圍煤體發生彈性應變的應力曲線，曲線2為巷道周圍煤體發生彈塑性應變的應力曲線。區域Ⅰ—煤體破裂區，區域Ⅱ—塑性區，區域Ⅲ—彈性區應力升高部分，區域Ⅳ—原始應力區。

巷道開掘后，引起應力重新分布，巷道上方的垂直應力將向兩幫轉移，首先在高應力作用下，巷道兩幫煤體將發生彈性形變。根據實驗測定結果，平寶公司煤層硬度系數f值一般在0.3以下，煤質較軟。巷道周圍的煤體在高應力作用下達到極限強度后，由彈性形變轉變為塑性形變，之后將遭到破壞，煤體破裂，破裂區域不能支撐巷道上方轉移過來的應力，高應力繼續向煤體深部轉移。實際上，受巷道開掘的影響，巷道周圍煤體不可能只發生彈性形變，即曲線1不存在或者只存在很短時間，巷道開掘應力重新分布穩定后，實際存在的將是曲線2，巷道周圍煤體發生破壞，應力逐漸向煤體深部轉移，最后達到穩定狀態，應力分布趨于穩定，煤體破裂區域之后是煤體發生塑性形變區域，之后是煤體發生彈性形變區域，再之后是煤體原始應力區域。

在煤體區域Ⅰ和區域Ⅱ內，煤體發生破裂和塑性形變，裂隙比較發育，及圖1-1中x0區域內，煤體裂隙比較發育，在區域Ⅲ和區域Ⅳ內，煤體只發生彈性形變或者沒有發生形變，煤體比較致密，裂隙不發育。

一般情況下，順層鉆孔施工長度普遍大于70m，傳統封孔管長度為20m，除去封孔管末端篩管的長度，鉆孔封孔段的位置一般停留在圖1-1中的x0區域內，該區域內應力高，煤體裂隙發育，鉆孔封孔密封性差，封孔管易壓扁變形，x0區域以里的鉆孔極易垮塌壓實，使得煤體深部的瓦斯很難有效抽采。因此準確確定圖1-1中x0區域的長度并采取相應措施，就顯得尤為重要。

2 巷道周圍塑性區的寬度確定

運用巖體的極限平衡理論[2]，塑性區的寬度，即支撐應力峰值與煤體邊緣之間的距離x0為[1]：

其次，及時鉆孔封孔段區域避開煤體裂隙發育區域位于15m以里，也不可避免煤體內仍有裂隙的存在，從而造成封孔不嚴，抽采效果差，因此必須保證封孔段區域鉆孔周圍煤體裂隙充分封閉，將原先的聚氨酯藥袋封孔改為膨脹水泥帶壓注漿封孔，充分封閉鉆孔周圍煤體裂隙，提高密封效果。

第三，為解決鉆孔深部容易垮塌變形甚至被壓實的情況，必須增加鉆孔封孔管的長度，即將封孔管的長度由原來的20m增加至和鉆孔深度相同的長度（不低于70m）。

第四，鉆孔封孔管長度增加以后，會穿過如圖1-1中所示的區域Ⅱ和區域Ⅲ的應力升高部分，該部分由于應力集中，聚乙烯封孔管在高應力作用下受煤體內較高溫度的影響極易發生擠壓變形，影響到鉆孔瓦斯抽采效果。因此，以封孔管15m為中心點向外5m、向里10m范圍內增加封孔管的抗壓強度，在封孔管內置“十字型”支撐骨架，提高封孔管擠壓性能。

3 現場實驗應用

3.1 實驗方案

選取部分鉆孔，封孔管長度由20m增加至50m，將封孔段區域移至15～20m范圍內，采用膨脹水泥帶壓封孔，并將鉆孔封孔管10～25m范圍區域內增加內置“十字型”支撐骨架。按照該方案要求在平寶公司己15-17—12061機巷進行實驗，選取144#、146#、148#三個鉆孔連續測定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時間為1個月。與之相鄰鉆孔三個鉆孔143#、145#、147#按照傳統封孔工藝進行封孔，連續測定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時間為1個月，然后計算144#、146#、148#三個鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，同時計算143#、145#、147#三個鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，并將以上兩個平均值進行對比分析。

3.2 實驗數據分析

按照上述實驗方案，將改進封孔工藝后的三個鉆孔33天瓦斯抽采濃度和傳統封孔工藝的三個鉆孔33天瓦斯抽采平均濃度進行相互對比，對比情況如圖2所示。

從圖2中可以明顯看出兩種不同封孔工藝瓦斯濃度隨時間變化的情況。傳統封孔工藝封孔后從42.5%的初始瓦斯抽采濃度，經過一天后驟減至19%，經過三天后迅速衰減至10%以下，然后長期穩定在3%左右，瓦斯抽采效果較差，很難有效抽放煤體深部的瓦斯。按照改進后的封孔工藝，瓦斯抽采初始濃度可以高達90%以上，經過10天后，鉆孔瓦斯抽采濃度穩定在20%以上，然后緩慢衰減，長期穩定在10%以上，大大提高了鉆孔瓦斯抽采濃度和有效抽放周期。

改進后的封孔工藝增加了封孔管的長度，有效降低鉆孔垮塌變形對瓦斯抽采的不利影響；封孔段區域向煤體深部移動，用膨脹水泥封孔，有效減少煤體裂隙對封孔的影響，提高了鉆孔密封效果；在封孔管10～25m范圍內進行加固，減少了封孔管受擠壓變形對煤體深部瓦斯抽采的影響。改進后的封孔工藝和傳統封孔工藝相比提高了瓦斯抽采濃度，延長了鉆孔瓦斯有效抽采時間，對鉆孔深部煤體瓦斯抽采更加有效，消除煤與瓦斯突出危險性的效果大幅度提高。

4 結論

通過以上分析可以容易得到以下結論：

1）順層鉆孔封孔段區域避開煤體裂隙發育區域并用膨脹水泥注漿對鉆孔封孔可以有大幅度減少煤體的裂隙，提高鉆孔的密封性，提高鉆孔瓦斯抽采濃度和延長鉆孔有效瓦斯抽采時間。

2）通過延長鉆孔封孔管，并對鉆孔應力增高部分對應的封孔管進行加固，提高其抗壓性能，減少封孔管受擠壓變形，可以延長鉆孔的有效抽采時間，提高對鉆孔深部煤體瓦斯抽采效果。

3）本文提出的改進封孔工藝相比之前的傳統封孔工藝在瓦斯抽采濃度和有效瓦斯抽采時間上都大幅度提高，可以在平寶公司大力推廣。

【參考文獻】

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]華安增.礦山巖石力學基礎[M].北京：煤炭工業出版社，1980.

[責任編輯：王偉平]