囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝關鍵參數技術研究

尹勇勤，程風超

(鄭煤集團 楊河煤業公司，河南 新密 452380)

煤與瓦斯突出事故是影響煤礦安全生產的重要因素之一，瓦斯抽采是防治煤與瓦斯事故的最根本、最直接、最有效的措施[1]。我國65%以上的回采工作面預抽瓦斯體積分數不足30%，充分體現了抽采鉆孔封孔質量差、效果差的現狀[2]。封孔質量的好壞直接影響抽采鉆孔作用的發揮，提高封孔質量對安全生產具有重要意義[3]。

1 概況

楊河煤業為突出礦井，開采二1煤層，煤層屬于典型的三軟煤層，煤層地質條件復雜、透氣性差、地應力大，采掘工作面煤層瓦斯含量普遍在6 m3/t以上，局部煤層瓦斯含量達到8 m3/t，主要采用順層鉆孔預抽煤層瓦斯的治理措施。順層鉆孔主要采用聚氨酯+水泥“兩堵一注”封孔工藝進行封孔，但是該封孔工藝存在鉆孔抽采濃度低、抽采流量小、單孔抽采周期短、整體抽采周期長、抽采效果差等缺點，往往需要施工順層鉆孔2～3遍，需投入大量的人力、物力和財力，給礦井瓦斯治理造成巨大的阻力，嚴重威脅礦井正常生產接替[4]。

順層鉆孔采取聚氨酯+水泥“兩堵一注”抽采效果差的原因分析：①鉆孔封孔工藝落后，封孔質量差；②封孔段深度不足，對巷道預排寬度等值帶計算值較小，封孔段以里存在裂隙；③順層鉆孔設計過密，易塌孔、穿孔；④水泥漿未侵入裂隙封堵裂隙，水泥漿收縮后，封孔段存在空白帶；⑤聚氨酯“兩堵一注”封孔工藝程序繁瑣，工人工作隨意性大，很少能夠嚴格執行封孔標準。

針對以上情況，楊河煤業公司開展以囊袋式封孔器配合速凝膨脹封孔液材料的“兩堵一注”帶壓注漿封孔試驗研究。研究新型囊袋式帶壓封孔技術，選用具體的封孔方法、封孔材料、封孔長度、注漿壓力、注漿量等[5]，對于提高瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采效果具有重要意義[6]。

2 囊帶式“兩堵一注”封孔工藝

2.1 技術原理

囊袋式注漿封孔裝置主要組成部件有注漿封孔器、封孔專用材料、專用注漿泵等[7]。其主要技術原理是基于煤壁內存在周邊裂隙、破碎區裂隙和應力擾動裂隙[8]，通過利用注漿泵增加注漿壓力，增大漿液擴散能力，達到改變鉆孔周圍煤體特性和密封鉆孔裂隙的目的，從而提高鉆孔密封效果[9]。第1次帶壓注漿主要是充填囊袋及囊袋之間封孔段；第2次帶壓注漿主要是封堵煤體周邊破碎區裂隙[10]；第3次帶壓注漿主要是封堵水泥漿凝固收縮產生的空白帶及水泥漿凝固收縮產生的裂隙。

2.2 封孔工藝流程

清孔→固定囊袋封孔器和封孔管及注漿管→準備注漿泵注漿材料→第1次帶壓注漿，漿液進入囊袋，囊袋膨脹，當壓力大于1.2 MPa時，中間爆破閥打開，將囊袋之間的封孔段充滿→第2次帶壓注漿，提高注漿壓力至2.5 MPa，持續注漿時間不少于5 min，充填鉆孔周邊裂隙→鉆孔周邊裂隙注滿，注漿泵自動停注→24 h后進行第3次帶壓注漿，注漿壓力2.5 MPa，持續注漿時間不少于5 min→漿液凝固后，連接抽采系統。

2.3 合理的封孔參數研究

國內外專家學者普遍認為，煤體未開發前自身具有裂隙的自然屬性，且后期采動影響以及鉆孔施工過程中的機械沖擊力破壞了巷道周圍煤體原有的應力平衡，形成了“三帶”，即卸壓帶(巷道預排瓦斯帶)、應力集中帶和原始應力帶[11]。卸壓帶內煤體裂隙發育、擴展、貫穿巷道，是漏氣的主要原因，該范圍可以依據《煤礦抽采達標暫行規定》附表1中的數據或計算公式確定，但是依據《煤礦抽采達標暫行規定》的數據或計算公式確定的范圍，往往小于實際數據，因而封孔長度過短，則可能導致抽采鉆孔漏氣，從而降低瓦斯抽采效率[12]。所以，應首先考察確定巷道預排瓦斯帶寬度，從而確定封孔深度和封孔度長度[13]。

楊河煤業在31091回風巷掘進至37.2～70.2、94.9～174.9、1 143～1 203 m三個區域，在31091回風巷下幫煤體施工3組(每組3個)深度為22 m、直徑為42 mm的鉆孔，鉆孔間距為3～5 m，測試鉆孔鉆屑量、電磁輻射和瓦斯含量等指標[14]；并在31091回風巷布置1組應力監測站，監測站滯后掘進工作面30～50 m，應力監測點3個，孔深分別為22、20、18 m。通過測試數據對比分析回風巷煤體不同位置的指標差異及分布規律。

楊河煤業通過實測31091回風巷煤層瓦斯含量、鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標、鉆孔電磁輻射及數值模擬等多指標綜合分析，具體統計結果見表1。

表1 多指標綜合分析Tab.1 Comprehensive analysis of multiple indicators

綜合以上分析，確定31091工作面預排瓦斯帶范圍從實體煤一側計算大于22 m，確定封孔深度22 m，封孔段長度為15 m。

2.4 合理的注漿參數研究

帶壓注漿封孔的關鍵是控制好注漿量和注漿壓力，注漿量的多少影響封孔的質量，注漿壓力決定注漿的質量[15]。

2.4.1 注漿量的確定

只有足夠的注漿量，才能有效充填封孔段和鉆孔圍邊裂隙[16]，注漿量計算如下。

(1)漿液密度的確定。

(1)

(2)漿液量的確定。

Q=d×3.14(D2-d2)×h×K×β×α

(2)

式中，D為鉆孔直徑，取0.094 m；d為封孔管直徑，取0.05 m；h為封孔段長度，取18 m；k為鉆孔圍巖裂隙系數，取1.2；β為鉆孔直徑不規則系數，取1.1；α為漿液可利用系數，取1.05。

水灰比為1∶1，經計算需要每孔注水泥量108 kg。因此，順層鉆孔采用囊袋式“兩堵一注”封孔工藝注漿量不少于108 kg。

2.4.2 注漿壓力確定

注漿壓力是迫使漿液在鉆孔周圍裂隙中擴散流動的動力[17]，注漿壓力的大小，決定漿液擴散能力的大小[18]，從而決定注漿效果。注漿壓力過大時，容易對封孔段周邊裂隙承載力造成破壞，擴大裂隙破裂面或生成新裂隙；注漿壓力過小，漿液擴散動力不足，造成不能對鉆孔裂隙進行有效封堵，其擴散不規律。可以通過牛頓流體在水平光滑裂隙面內的擴散方程式[19]，模擬計算注漿時所需的壓力值：

(3)

式中，P為注漿壓力；λ為冗余系數，取1.2；μ為漿液黏度，取1.7×10-4Pa·s；R為擴散半徑，30 cm；r為鉆孔半徑，4.7 cm；T為注漿時間，2 000 min；δ為裂隙開度，0.02 cm。

將數據代入公式計算得，注漿所需壓力值為2.5 MPa。因此，順層鉆孔采取囊袋式“兩堵一注”封孔工藝注漿所需壓力值為2.5 MPa。

3 現場應用及考察

3.1 研究地點

選取楊河煤業31091工作面為試驗基地，該工作面為首次回采工作面，未采取抽采措施。煤層厚2.0～15.7 m，平均厚7.5 m，煤層賦存較穩定，煤層傾角12°～22°。

3.2 鉆孔設計及封孔工藝參數

試驗點設計2組9個鉆孔，孔深80 m，孔間距2.5 m，孔徑94 mm，采用ZDY4000L型鉆機配套φ73 mm三棱鉆桿施工鉆孔。囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔工藝參數見表2。

表2 囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔工藝對比Tab.2 "Two plugs and one injection" polyurethane sealing hole and bladder type pressure grouting sealing technology

3.3 實踐效果分析

通過現場對2組鉆孔封孔工藝參數進行連續50 d的抽采效果考察，重點考察不同封孔工藝參數瓦斯抽采濃度情況、瓦斯抽采濃度隨著時間的增加衰減幅度的變化規律。由圖1、表3可知，采用囊袋式“兩堵一注”水泥注漿加U型膨脹劑封孔是聚氨酯+水泥“兩堵一注”注漿封孔工藝瓦斯抽采濃度的4.5～13.5倍。隨著抽采時間的推移，采用囊袋式“兩堵一注”水泥注漿加U型膨脹劑封孔工藝的抽采濃度呈現緩慢變化趨勢，連續抽采50 d后抽采濃度仍然維持在10%左右；采用聚氨酯+水泥“兩堵一注”注漿封孔工藝的抽采濃度呈現直線下降的趨勢，連續抽采50 d后降到了3%以下，達到瓦斯抽采極限，不可再抽采。

圖1 囊袋式帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔瓦斯抽采變化Fig.1 Gas-draining change diagram of bladder-type sealing hole and polyurethane sealing hole

由此可知，采用囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝能夠有效提高鉆孔抽采抽采濃度，減緩抽采鉆孔衰竭能力，延長鉆孔抽采時間。

表3 囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔和聚氨酯封孔工藝瓦斯瓦斯抽采情況Tab.3 Gas and gas drainage situation of bladder type "two plugs and one injection" sealing hole and polyurethane sealing hole with pressure grouting %

4 結語

(1)通過實測煤層瓦斯含量、鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標、鉆孔電磁輻射及數值模擬等多指標綜合分析，確定楊河煤業孔的合理封孔深度為22 m，封孔段長度為15 m。

(2)分析了高水充填材料漿液的滲透規律，得到了壓力值為2.5 MPa時，擴散半徑為0.63 m，漿液可以充填密實鉆孔擾動裂隙范圍，確定封孔注漿壓力為2.5 MPa。

(3)通過對比采用傳統工藝封孔的鉆孔，采用新封孔工藝進行封孔，鉆孔瓦斯抽采濃度提高了4.5～13.5倍，且長時間保持較高的瓦斯抽采濃度。囊袋式“兩堵一注”帶壓多輪次注漿封孔技術在楊河煤業具有良好的適用性，達到了封堵填充順層瓦斯抽采鉆孔周圍裂隙的目的，有效提高了瓦斯抽采效果，為下一步瓦斯抽采提供了技術支撐。