深部首采關鍵保護層預抽鉆孔高效封孔技術研究

王 永

（煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽淮南232001）

0 引 言

瓦斯抽采是防治瓦斯災害的根本措施，是實現(xiàn)突出煤層安全開采的前提和保證[1-3]。實踐證明，無論是保護層開采還是預抽煤層瓦斯，鉆孔抽采是煤礦井下瓦斯治理不可或缺的方法[4-6]。依據(jù)當前煤層瓦斯治理的經(jīng)驗，采用鉆孔治理瓦斯時，鉆孔封孔是保證瓦斯治理效果的關鍵，封孔位置、封孔深度、鉆孔密封后煤(巖)體周圍裂隙分布等影響著鉆孔抽采瓦斯效果。常用的抽采鉆孔封孔工藝主要有粘土/水泥卷封孔、封孔器封孔、水泥漿封孔、聚氨酯封孔等[7-9]，對提高抽采鉆孔密封效果起到了不同程度的推動作用，但當前抽采鉆孔封孔質(zhì)量不滿足瓦斯抽采要求的現(xiàn)狀依然存在，仍有很多技術難題尚未解決，包括高地應力、高瓦斯、低透氣性煤層鉆孔的成孔難，鉆孔封孔質(zhì)量不高，封孔后抽采瓦斯?jié)舛鹊汀⒊椴闪啃〉葘嶋H問題[10-11]。

因此，針對鉆孔高效封孔技術的研究，對解決煤礦瓦斯問題意義重大，有助于提高瓦斯預抽效果，充分發(fā)揮鉆孔工程效益。以淮南礦區(qū)謝橋煤礦首采6 煤層為研究對象，結合6 煤層瓦斯地質(zhì)條件，基于對鉆孔圍巖應力及裂隙分布的研究成果，分析鉆孔合理封孔位置，對比分析“囊袋式兩堵一注”及“聚氨酯+水泥漿”兩種封孔技術應用效果，為高瓦斯低透氣性煤層預抽鉆孔高效封孔提供借鑒。

1 工程概況

謝橋礦B 組煤（8、6、4-2 煤層）均為突出煤層，礦井二水平范圍內(nèi)的B 組煤基本處于突出危險區(qū)，采用選擇中間6 煤層作為保護層先行開采的瓦斯治理模式，6 煤距上覆8 煤層平均間距為33.26m，下距5煤層和4-2 煤層分別為18.12m、25.62m。

以二水平東翼采區(qū)6 煤層13516 運順、21216 底抽巷為試驗地點，該區(qū)域煤層平均厚度為2.91m，平均傾角為13°；煤巷條帶瓦斯采用在施工4 煤底抽巷施工穿層鉆孔進行預抽，鉆孔采用10m×5m 網(wǎng)格化布置，封孔采用聚氨酯一堵多注方法；回采區(qū)域瓦斯采用順層鉆孔進行預抽，鉆孔間距為15m，封孔采用囊袋式兩堵一注方法。

2 鉆孔合理封孔深度分析

2.1 抽采鉆孔周邊裂隙發(fā)育

巷道掘進過程中，圍巖原始應力平衡狀態(tài)被打破，圍巖應力重新分布，在巷道周圍會形成一個3～5倍巷道寬度的裂隙帶。巷道掘進完成后，巷道圍巖裂隙不斷發(fā)育，并相互連通，在巷道周邊形成如圖1 所示的卸壓帶、應力集中帶、原巖應力帶（三帶）。

處在裂隙帶內(nèi)的裂隙較為發(fā)育，且裂隙之間相互貫通。若裂隙帶內(nèi)孔隙封閉不嚴時，導致瓦斯抽采效果不佳。

圖2 鉆孔圍巖變形分布情況

如圖2 所示，在抽采鉆孔施工同樣會造成巷道以及鉆孔周邊煤巖體的損傷，產(chǎn)生塑性區(qū)、彈塑性區(qū)及彈性區(qū)（三區(qū)），使得鉆孔周邊次生裂隙發(fā)育。封孔過程中，需對這些裂隙進行封堵，保證抽采效果。

2.2 鉆孔密封合適位置

根據(jù)圖3 所示的煤樣全應力-應變曲線[12]，煤樣的應力全程分為5 個階段：OA 段，原始空隙壓密階段；AB 段，線彈性階段；BC 段，彈塑性變形階段；CD段，破壞階段；DE 段，破壞發(fā)展階段。圖中B 點為彈性極限，D 點為強度極限，從C 點開始，當應力達到0.95 σmax以上時，裂隙不斷生成并相互貫通。因此，自CD 段起，試件內(nèi)部產(chǎn)生大量裂隙，裂隙之間相互貫通，形成瓦斯流動通道。自最大應力點至煤壁的距離為塑性極限應力帶，該區(qū)域內(nèi)煤體多為塑性破壞，內(nèi)部發(fā)育大量裂隙，并出現(xiàn)擴容現(xiàn)象。該區(qū)域有助于提高超前動壓區(qū)瓦斯抽放效果。

塑性區(qū)內(nèi)煤體受巷道掘進、鉆孔施工等工程擾動影響較大，該區(qū)內(nèi)煤體破碎且裂隙發(fā)育，該區(qū)域內(nèi)封孔會導致二次再生裂隙發(fā)育，降低封孔質(zhì)量；且該區(qū)域的瓦斯得到充分釋放，不需要在進行抽采。因此，合理的封孔深度應越過卸壓區(qū)進入應力集中區(qū)。

圖3 煤樣應力應變?nèi)糖€

3 關鍵保護層預抽鉆孔封孔試驗方案

盡管當前關于鉆孔的密封方法有很多，但能夠大范圍推廣應用并能取得較好效果的方法并不多。從礦區(qū)封孔成本以及現(xiàn)場應用效果看，“聚氨酯+水泥漿封孔”、“囊袋式兩堵一注封孔+水泥漿”兩種封孔方法應用相對較多，并針對該兩種封孔方法及封孔參數(shù)開展現(xiàn)場對比試驗。

針對6 煤層試驗區(qū)13516 運順、21216 底抽巷具體條件，開展順層鉆孔和穿層鈷孔的封孔參數(shù)研究。試驗方案見表1。

表1 6 煤層試驗區(qū)鉆孔封孔參數(shù)試驗方案

4 不同封孔方式下的抽采效果分析

如圖4 所示，44-2#、46-1#和47-1#為改進型聯(lián)動封孔裝置+新材料封孔；45-2 和46-2 為聚氨酯+普通水泥封孔；47-2 為聚氨酯分段封孔。從圖中可以看出，囊袋式兩堵一注封孔裝置與聚氨酯封孔兩種情況下瓦斯抽采效果對比情況，可以看出在其他參數(shù)相同的情況下，囊袋式兩堵一注封孔效果要優(yōu)于聚氨酯封孔。

圖4 不同封孔方法瓦斯抽采效果對比

圖5 穿層鉆孔不同封孔參數(shù)瓦斯抽采效果對比

表2 不同封孔參數(shù)瓦斯抽采效果

根據(jù)圖5 及表2 可以看出，同等抽采條件下，上向穿層鉆封孔效果在0～15m 范圍內(nèi)隨著封孔長度的增加而提高；當封孔長度大于15m 后，封孔效果提高較小。

根據(jù)試驗地點頂板巖層巖性特點，穿層鉆孔施工巷道存在松動裂隙圈，其值可以達到3m，穿層鉆孔封孔時，若注漿壓力滿足不了要求，往往不能有效封堵巷道松動裂隙圈。另外，煤礦井下的采動應力處于變化中，爆破、頂板垮落引起的動壓往往會降低鉆孔孔口的注漿封孔質(zhì)量，導致巷道松動裂隙圈密閉質(zhì)量難以持續(xù)保證。

地質(zhì)資料顯示穿層鉆孔施工所在的底抽巷巷道頂板賦存有6～7m 厚的砂巖，砂巖上覆有泥巖或砂質(zhì)泥巖。泥巖或砂質(zhì)泥巖與砂巖相比，自身具有較好的可塑性，抵抗外界應力擾動的能力較強，完整性較好，擾動裂隙較少。

綜上所述，在6 煤層穿層鉆孔封孔過程中，更應注重封孔位置的選擇。選擇距離孔口一定距離的泥巖或(和)砂質(zhì)泥巖進行封孔，即巖段的封孔長度應超過8m，才能有效提高穿層鉆孔封孔質(zhì)量。

5 順層鉆孔封孔效果

圖6 所示的是順層鉆孔不同封孔參數(shù)下的瓦斯抽采效果，從測試結果看，隨著順層鉆孔封孔長度在0～18m 范圍內(nèi)增大過程中，瓦斯抽采純量相應呈增長趨勢，瓦斯抽采效果愈加良好；當封孔長度超過18m后，抽采純量增長速度減緩，甚至趨于停滯，瓦斯抽采效果提高較小。

根據(jù)封孔長度為5～25m 和0～20m 兩種條件下的單孔純量對比可知，封孔長度增大，瓦斯抽采效果并沒有太大提高。綜合分析表明，封孔長度為20-25m時，在保證了封孔質(zhì)量的同時，也更加經(jīng)濟合理。

圖6 順層鉆孔不同封孔深度下的單孔抽采純量變化圖

從封孔參數(shù)與瓦斯抽采效果看，預想的穿層鉆孔條帶預抽距巷幫15m 范圍的區(qū)域并未完全破碎，即采用兩堵一注封孔裝置及方法能夠有效封堵該區(qū)域的部分裂隙。表明順層鉆孔封孔范圍為5～18m 的區(qū)域，即封孔長度13m 即可滿足順層鉆孔封孔質(zhì)量要求；煤體較破碎時，可封堵5～20m。

6 結 論

1）采用“囊袋式+兩堵一注”封孔方式能夠有效封堵封孔段周圍煤巖體裂隙，密封效果優(yōu)于“聚氨酯+水泥漿”封孔方式。

2）提高6 煤層穿層鉆孔封孔質(zhì)量的關鍵在于確定合理的封孔位置，上向穿層鉆封孔效果隨著封孔長度的增加而提高，但封孔長度不宜超過15m。

3）6 煤層順層鉆孔封孔長度為13m 時，即可滿足正常條件下的順層鉆孔封孔質(zhì)量要求。