基于膨脹劑的二次封孔裝置設計方案

李登平,張嘉勇,王晟碩, 牛寶云,許 慎,高 山

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院,河北 唐山 063210;2.唐山學院,河北 唐山 063000)

1 封孔工藝研究現(xiàn)狀

瓦斯抽采鉆孔的封孔質(zhì)量直接影響瓦斯抽采效果,也決定著瓦斯治理措施的成敗,因此,國內(nèi)外煤炭行業(yè)也在不斷改進和優(yōu)化抽采鉆孔封孔工藝。如德國的魯爾礦,研制了具有良好膨脹性和流動性的新型混合水泥;俄羅斯通過對封孔器的優(yōu)化改進,研制了橡膠封孔器、水力膨脹封孔器和摩擦式封孔器等。為了適應高負壓瓦斯抽采系統(tǒng),德國、日本等廣泛采用聚氨酯進行封孔。另外還有英國的樹脂及橡膠圈封孔器、澳大利亞的銅管注漿封孔、美國的水泥機械裝置封孔等,保證了高負壓條件下封孔區(qū)域的嚴密性,提高了瓦斯抽采量,確保瓦斯治理措施的高效性[1-5]。

國內(nèi)學者在第一次封孔的基礎上,提出了二次封孔工藝,二次封孔是抽采鉆孔經(jīng)歷兩次封孔,兩個抽采階段。第一次封孔并連接瓦斯抽采管路進行抽采,待瓦斯抽采量或濃度明顯下降后,利用氣壓或水壓等將微細顆粒物或漿液送入封孔段圍巖裂隙內(nèi),形成二次封孔。微細顆粒物或漿液能否進入圍巖裂隙是二次封孔的關鍵,同時也直接影響二次抽采的效果。有效的二次封孔不僅能夠提高抽采負壓,增加瓦斯抽采量,而且能夠大大延長抽采鉆孔的服務周期,降低鉆孔施工工程量[6-9]。

第一次封孔是鉆孔施工完成后,進行普通聚氨酯或水泥砂漿封孔,可根據(jù)鉆孔圍巖特征調(diào)整封孔深度(8 m～9 m)和封孔長度(3 m～4 m),然后檢查封孔質(zhì)量,并連接抽采管路進行瓦斯抽采。

待瓦斯抽采量或濃度降低到一定量后,進行第二次封孔。通過壓力將一定配置比例的微細粉料或漿液壓入抽采鉆孔周邊的微裂隙中,當漿液凝固或粉料充滿鉆孔后再密封鉆孔孔口,完成二次封孔[9-11]。

采用二次封孔技術可顯著提高鉆孔瓦斯抽采濃度,延長抽采鉆孔服務周期,降低瓦斯治理費用,確保礦井安全、高效生產(chǎn)。

通過對二次封孔技術的對比分析,論文擬探討一種基于膨脹劑的二次封孔工藝,設計一套封孔裝置,拓展瓦斯抽采鉆孔二次封孔技術,降低封孔成本,提高瓦斯抽采效率。

2 基于膨脹劑的二次封孔裝置設計

通過對上述鉆孔封孔工藝的優(yōu)化改進,設計了一套基于膨脹劑的二次封孔裝置。設計裝置示意圖如圖1所示。

裝置由獨立空腔、注水膨脹膠囊、膨脹劑膠囊組成。獨立空腔為鍍鋅鋼管,前段為進氣花管,花管與外部氣壓表連通;注水膨脹膠囊外部與防塵供水管路連通,注水后形成第一次封孔;膨脹劑膠囊與乳化液泵高壓供水管路連通,注水后形成第二次封孔。膨脹劑膠囊袋上設置限壓閥門片,當膨脹劑與水混合后,達到一定壓力,閥門片自動打開,膨脹劑進入封堵空間,封堵鉆孔周圍裂隙,堵塞封孔區(qū)域圍巖裂隙,形成第二次封孔,減少瓦斯泄露,極大地提高瓦斯抽放效果。

圖1 基于膨脹劑的鉆孔二次封孔裝置示意圖Fig.1 Secondary sealing device based on expansion agent

3 膨脹材料的配比

在水泥化學中,能發(fā)生水化反應使其體積增大的主要有三種化合物,包括無水硫鋁酸鈣、高溫煅燒的氧化鈣和氧化鎂。實驗測試三種礦物水化反應形成固相體積增加率,如表1所示。

表1 各種礦物水化反應形成固相體積增加率Table 1 Increment rate of solid phase volume in mineral hydration reactions

無水硫鋁酸鈣中氧化鈣的含量大約為24.6%,產(chǎn)生膨脹能較小,并且其水化速率緩慢,生成結(jié)晶體結(jié)構(gòu)復雜,生成速度也越加緩慢,不適合作為煤層鉆孔致裂的膨脹材料。由于氧化鎂的相對分子量比氧化鈣小,反應活性較大,反應速率不易控制。當氧化鎂的煅燒溫度較低時,與水混合后立即溶解,反應較快;當煅燒溫度升高時,氧化鎂的表面晶體尺寸增大,水化速度極慢,所以不適合作為煤層鉆孔膨脹材料。經(jīng)過高溫煅燒的氧化鈣水化速率可控性較強,自由膨脹率高(反應前后固體的體積增加97%),反應后產(chǎn)生的膨脹能量高,并且具備資源豐富、制造成本低的特點,適宜做膨脹材料的膨脹源,因此在膨脹材料研究中氧化鈣是首選膨脹源。

因此,研究采用的膨脹材料(北京宇翼特種水泥廠HSCA-3)中f-CaO的含量是產(chǎn)生膨脹壓力的主要因素;膨脹材料中要有一定數(shù)量的強度組分,在水化反應過程中,對煤層鉆孔起到一定封孔作用,保證較高的膨脹壓;為起到緩凝的效果,熟料中加入適當比例的二水石膏、減水劑和木鈣共同研磨制成膨脹劑。

由于煤層賦存情況不同(圍巖壓力、煤體強度、節(jié)理發(fā)育等),對膨脹劑的適應性也會有較大差別。因此,需要依據(jù)煤體特征配比適合的二次封孔膨脹劑。

4 結(jié)論

由于抽采鉆孔的封孔質(zhì)量會受到圍巖移動變形的影響,導致抽采鉆孔圍巖裂隙發(fā)育,產(chǎn)生導氣的微裂隙或裂紋網(wǎng)絡,降低瓦斯抽采效率。有效的二次封孔不僅能夠提高抽采負壓,增加瓦斯抽采量,而且能夠大大延長抽采鉆孔的服務周期,降低鉆孔施工工程量。

基于膨脹劑的鉆孔二次封孔裝置,通過注水膨脹膠囊形成第一次封孔,膨脹劑膠囊注水后形成第二次封孔,延長了鉆孔有效抽采時間,提高了瓦斯抽采量。該工藝技術條件簡單、封孔效果好,瓦斯抽采率高,便于現(xiàn)場推廣應用。