固體粉料二次封孔技術應用

張澤敏

(余吾煤業有限責任公司)

?

固體粉料二次封孔技術應用

張澤敏

(余吾煤業有限責任公司)

摘要針對煤層鉆孔抽放瓦斯后煤層孔隙發育，致使瓦斯濃度下降,鉆孔有效抽放期縮短的技術難題,提出了固體粉料二次封孔技術。介紹了固體粉料二次封孔技術原理、施工工藝，以某高瓦斯礦井為例，對固體粉料二次封孔工藝及封孔效果進行了試驗。根據試驗結果，對固體粉料二次封孔的合理性與可行性進行了客觀分析，并提出了改進措施，為鉆孔抽采后期瓦斯抽采濃度的提高提供了新思路。

關鍵詞瓦斯抽采二次封孔固體粉料

瓦斯抽采是治理礦井瓦斯和防治煤與瓦斯突出最有效的方法之一[1]。鉆孔的抽采效果主要取決于煤層的透氣性，而鉆孔施工完并聯網抽采后，其抽采質量主要取決于鉆孔封孔段周邊的漏氣率，漏氣率直接影響鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采量和抽采壽命。

當前國內外采用的封孔技術主要有機械注水泥砂漿封孔、發泡聚合材料封孔、封孔器封孔。現有的瓦斯抽放鉆孔的封孔方法都還局限于一次封孔階段, 未涉及到如何提高后期瓦斯抽放濃度[2]。對于順層鉆孔, 即使初期瓦斯抽放濃度較高, 但鉆孔抽采一段時間后，鉆孔周圍會產生微裂隙或裂紋網絡，隨著煤層瓦斯壓力降低，巷道內空氣會通過煤層裂隙緩慢滲透到煤層深部，并與煤層中瓦斯一起進入抽采鉆孔而被抽出，導致單孔濃度出現不同程度的下降。縮短了鉆孔的有效抽采壽命，降低了鉆孔的利用率[3]。

針對鉆孔抽采瓦斯過程中，瓦斯濃度和純流量大幅度降低的技術難題[4]，提出了固體粉料二次封孔工藝，即利用固體粉料對低濃度鉆孔周圍漏氣裂隙進行封堵，以減少鉆孔漏氣，提高瓦斯抽采濃度。

1　礦井及工作面概況

余吾煤業主采3#煤，煤層平均厚6 m，為近水平煤層，煤層原始瓦斯含量約10 m3/t。以該礦N1205工作面回風順槽為試驗地點，其東側為實體煤、西側為N1203工作面采空區，巷道內施工的鉆孔為N1205工作面采前預抽孔。鉆孔直徑120 mm，設計深度161 m，開孔高度1.8 m，開孔傾角-5°。由于N1205回順曾施工鉆孔預抽約5 a，區域煤體殘余瓦斯含量相對較低，加之受N1203工作面采動影響，區域煤體裂隙相對發育。據不完全統計，目前巷道內新施工的采前預抽鉆孔中，有超過50%以上的鉆孔瓦斯抽采濃度低于10%，鉆孔瓦斯抽采濃度普遍較低。

2　技術原理

固體粉料二次封孔技術是在單孔濃度較低的鉆孔周邊施工小直徑修護孔，并通過固體粉料輸送機正壓及抽采鉆孔負壓的共同作用，將固體粉料輸送至鉆孔周邊漏氣通道對其封堵，以減少鉆孔漏氣量，提高鉆孔抽采濃度。其技術原理如圖1所示。

圖1　固體顆粒二次封孔技術原理

2.1修護孔布置

在試驗孔周邊用風鉆施工3個φ42 mm、孔深5 m 的修護鉆孔，修護孔均勻分布在抽采孔的周圍，且與抽采孔的間距1.2～1.25 m。修護孔與抽采孔相對位置如圖2所示。

2.2固體粉料輸送

固體粉料是由黏土、水泥及多種添加劑制成，具有顆粒小、流動性強、微膨脹、遇水呈黏稠狀特性。

圖2　修護孔與抽采孔相對位置

向修護孔內輸送固體粉料是該項技術的核心，修復孔施工完成后，將φ20 mm的輸送管伸入孔底，并在孔口用透氣棉紗進行封堵，修護孔孔口封堵如圖3所示。

圖3　固體顆粒運移示意

固體粉料輸送基本原理為：動力源(壓縮空氣)經進氣口流入環形腔后，在空腔中心產生一低壓區，由于壓差的作用，吸料口附近的固體粉料及大量的空氣被吸入，固體粉料及大量空氣匯合后就形成高速、高容量的氣固兩相流從空氣增強器流出，并通過輸入管進入修護孔內。攜帶有固體粉料的高速空氣經輸送管進入孔底后，經修護孔向孔外流動，此時大部分固體顆粒附著在鉆孔孔壁，少部分固體顆粒被氣流帶出到孔外巷道中。

3　試驗效果分析

N1205工作面受N1203工作面采動影響，50%以上鉆孔單孔濃度低于10%，2015年8月15—18日在N1205回順選取80#～120#鉆孔中無串孔異常的鉆孔，進行固體顆粒二次封孔試驗30孔次。

試驗前觀測30個試驗孔的單孔濃度，并在每個試驗孔的周圍按圖2布置施工修護孔，修護孔施工完畢后立即用輸送機向孔內輸送固體粉料，輸送風壓為0.5 MPa，單孔輸送量為2 kg。待粉料輸送完畢，鉆孔穩定抽采1 d后，再次觀測鉆孔單孔濃度，通過對比試驗前后單孔濃度變化，評價固體顆粒二次封孔試驗效果。噴吹封孔粉料前后鉆孔平均單孔濃度對比分析如圖4所示。

圖4　試驗前后鉆孔單孔濃度對比分析 □—試驗前；■—試驗后

固體顆粒二次封孔后，30個試驗孔中僅8個鉆孔單孔濃度提升效果較為明顯，其余鉆孔單孔濃度變化不大或略有下降，沒有明顯的統計規律，二次封孔試驗未到達預期的效果。

4　技術可行性分析

本次二次封孔試驗雖未達預期的濃度提升效果，但仍有27%鉆孔濃度得到一定的提升，說明該技術仍有一定的可行性。造成試驗效果不理想的主要原因如下：

(1)試驗區域瓦斯抽采時間長達5 a之久，煤體殘存瓦斯含量已經很低，煤層解析瓦斯較少，雖對鉆孔周圍部分漏氣通道進行封堵，巷道內的空氣依然會透過煤層微小孔隙緩慢滲流入鉆孔內，造成鉆孔濃度很難明顯提高。

(2)試驗區域受工作面回采動壓影響，巷道煤體破碎，裂隙發育，鉆孔漏氣裂隙網可能為鉆孔周圍數米大的裂隙范圍，而修護孔數量、修護范圍有限，不能對所有漏氣通道進行封堵。

(3)固體粉料若要進入孔壁裂隙，需修護孔壁裂隙與鉆孔漏氣裂隙導通，即有氣流流動，當其不導通時，孔壁裂隙內便不會發生氣流流動。本次二次封孔試驗的修護孔距離鉆孔間距為1.2～1.25 m，部分鉆孔漏氣裂隙可能在距鉆孔更近或更遠的區域，修護孔不在鉆孔漏風裂隙區內，固體粉料未能進入鉆孔漏氣裂隙，無法對鉆孔漏氣通道進行封堵。

(4)輸送固體顆粒的風壓動力約0.5MPa，且隨著輸送距離的延長，孔口出風壓力約0.1MPa，低速風流很難攜帶粉料顆粒運移到孔壁裂隙內及在裂隙內長距離運移而封堵整個裂隙網。

5　結論及改進

(1)固體粉料二次封孔具有一定的可行性，但目前技術尚不成熟，僅27%的鉆孔抽采濃度得到提升，技術效果尚未達到預期水平。

(2)在煤層瓦斯含量極低、煤體破碎的非實體煤區域，采用固體粉料二次封孔技術提高鉆孔抽采濃度，從目前技術水平來看，可行性較差。

(3)在下一步試驗過程中，選擇瓦斯含量較高的實體煤區域進行試驗。同時對于低濃度鉆孔，預先分析其濃度較低的原因，探究鉆孔主要漏氣位置，并將修護孔布置在鉆孔主要漏氣區域，使用大功率、高壓力粉料輸送機噴吹粉料，盡可能多的將粉料輸送至漏氣裂隙內，增加封孔效果。

參考文獻

[1]張鐵崗．礦井瓦斯綜合治理技術[M]．北京:煤炭工業出版社，2001．

[2]周福寶，李金海，昃璽，等．煤層瓦斯抽放鉆孔的二次封孔方法研究[J]．中國礦業大學學報，2009，38(8):764-768．

[3]孫培德，萬華根．煤層氣越流固—氣耦合模型及可視化模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(7):1179-1185．

[4]周福寶，夏同強，劉應科，等.二次封孔粉料顆粒輸運特性的氣固耦合模型研究[J]．煤炭學報，2011，36(6):953-958．

(收稿日期2016-05-10)

張澤敏(1986—)，男，助理工程師，551000 山西省長治市。