本煤層瓦斯抽采鉆孔注漿堵漏風技術

張云峰

（1.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.徐州賽孚瑞科高分子材料有限公司，江蘇 徐州 221008）

瓦斯抽采是治理瓦斯災害的重要手段，而井下本煤層鉆孔因施工簡便、成本較低，已在我國煤礦瓦斯抽采中得到了廣泛應用[1-2]。然而，由于煤巖體受鉆孔開挖等因素的影響，鉆孔圍巖裂隙演化發育，致使在抽采本煤層瓦斯時巷道內空氣涌入鉆孔，導致鉆孔瓦斯抽采濃度持續降低[3-4]。要提高本煤層瓦斯抽采濃度，關鍵就在于對鉆孔口處的圍巖裂隙進行堵漏，提高鉆孔密封性，從而減少鉆孔漏氣[5]。國內外學者對本煤層鉆孔堵漏技術進行了相關研究[6-12]，這些研究在瓦斯初始抽采階段能夠使瓦斯抽采濃度保持在比較高的水平，但在中后期進行瓦斯抽采時，本煤層鉆孔圍巖裂隙仍然持續發展，直至貫通整個裂隙網絡，導致瓦斯抽采濃度急劇衰減。基于此，提出一種能夠延長本煤層鉆孔抽采壽命的新注漿堵漏技術。

1 理論分析

1.1 漏氣機理

本煤層鉆孔抽采瓦斯體積分數低主要是由于空氣泄漏，公式如下：

式中：G 為抽采瓦斯體積分數，%；QM、QA分別為單位時間內煤層鉆孔抽采的瓦斯量和空氣泄漏量，m3/min。

由式（1）可知，減少鉆孔空氣泄漏量可顯著提高瓦斯抽采效率。本煤層鉆孔圍巖漏氣機理圖如圖1。

圖1 本煤層鉆孔圍巖漏氣機理圖Fig.1 Mechanism diagrams of air leakage in the surrounding rock of the in-seam borehole

由圖1 可知，由于巷道掘進以及鉆孔開挖分別打破了巷道和鉆孔圍巖的應力平衡狀態，在巷道和鉆孔周圍形成了“巷道松動圈”和“鉆孔松動圈”。圍巖應力值沿鉆孔軸向自外向內呈先增大再逐漸減小的趨勢，并依次將巷道圍巖劃分為4 個區域：卸壓、塑性、彈性和原巖應力區。其中，卸壓區內煤巖體的宏觀裂隙較多，滲透率較高；塑性區內的微觀裂隙較多，滲透率略高；彈性區內煤巖體的裂隙受擠壓作用被壓實，其滲透率小于原始煤層的滲透率。

受巷道掘進及鉆孔開挖影響，鉆孔圍巖應力不斷增大，裂隙逐漸發育演化，井下巷道、漏氣通道以及瓦斯抽采管共同構成本煤層鉆孔“漏氣環”。在鉆孔抽采瓦斯一段時間后，受地應力和瓦斯抽采壓力等因素的共同影響，漏氣裂隙將會沿著鉆孔軸向、徑向持續發育演化，直至在舊漏氣通道的外側生成1條新的漏氣通道，造成鉆孔再次漏氣。在瓦斯抽采過程中，巷道內空氣沿漏氣通道持續進入到瓦斯抽采管，使得巷道中大量空氣進入本煤層鉆孔，瓦斯抽采體積分數持續降低，最終導致鉆孔報廢。

1.2 堵漏風原理

空氣泄漏量QA計算公式如下:

式中：K 為煤層的滲透率，m2；S 為環形應力變化區域橫截面積，m2；p0為巷道內氣體壓力，MPa；p1為鉆孔內空氣壓力，MPa；μ 為空氣動力黏度，Pa·s；s為鉆孔密封長度，m。

由于鉆孔圍巖的漏氣通道連接了巷道及瓦斯抽采管，因此，可將切斷漏氣通道作為減少鉆孔漏氣的主要突破口，通過注漿堵漏對該漏氣通道進行密封以減少漏氣。新注漿堵漏技術原理如圖2。

圖2 新注漿堵漏技術原理圖Fig.2 Schematic diagrams of the principles of the proposed new method

由圖2 可知，漏氣裂隙的主要分布范圍在巷道圍巖的卸壓和塑性區。因此，在鉆孔封孔深度內，將鉆孔密封段分為空腔段及預留段，分別密封巷道圍巖塑性區和卸壓區內的漏氣裂隙。首先，向鉆孔空腔段中注入水泥漿液對漏氣裂隙進行密封，在水泥漿液固結成塊后，因無法再次對空腔段進行注漿堵漏，造成漏氣裂隙再次演化直至貫通。此時，應對預留段中的漏氣裂隙進行密封，阻斷新漏氣通道，這樣，鉆孔漏氣量將再次極大減少，瓦斯抽采體積分數將顯著提高。

2 現場應用

山西某高瓦斯礦井3617#上分層工作面，其地質構造簡單，煤層傾角為5°～8°，煤層厚度6.29 m。工作面傾斜長度116 m，設計采高3.1 m，采用走向長壁式綜合機械化采煤，可采走向長度802 m。

2.1 鉆孔布置

在3617#上分層工作面的進風巷一側布置8 個本煤層鉆孔，用于測試新注漿堵漏技術。鉆孔的開孔位置距離巷道底板約1.2 m，鉆孔直徑為110 mm，鉆孔傾角為1°～3°，相鄰2 個鉆孔的間距為6 m。為避免不同地質條件對試驗測試的結果造成影響，將測試鉆孔均分為2 組，每4 個鉆孔編為1 組進行布置，鉆孔1 至鉆孔4 為第1 組聯孔，鉆孔5 至鉆孔8 為第2 組聯孔，2 組鉆孔間距為86 m。測試鉆孔布置示意圖如圖3。

圖3 測試鉆孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test boreholes layout

2.2 堵漏風設備

基于試驗工作面的地質條件和開采情況，確定了該礦井中本煤層鉆孔最佳封孔深度是10 m。根據新注漿堵漏技術原理，設計了一體化專用封孔器用于鉆孔注漿堵漏過程，以最大程度滿足本煤層瓦斯抽采需要。一體化專用封孔器設計圖如圖4。

圖4 一體化專用封孔器設計圖Fig.4 Design diagram of integrated special borehole sealing device

在組成部件當中，單式囊袋和組合式囊袋能夠在注漿膨脹后分別對巷道圍巖的卸壓區和應力集中區提供支護力以達到對鉆孔壁進行緊密支撐的目的。同時，組合囊袋膨脹后，2 個單囊袋間能夠形成空腔段，空腔段的長度4 000 mm，單式囊袋膨脹后與組合囊袋間可形成預留段，預留段的長度3 700 mm。此時，對鉆孔空腔段和預留段進行注漿，以便對巷道圍巖塑性區和卸壓區內的漏氣裂隙進行堵漏。對一次注漿管進行注漿能夠使組合式囊袋發生膨脹進而緊密支撐鉆孔，之后對2 個單囊袋之間的空腔段注漿密封。一次返漿管用于指示空腔段內的漿液是否注滿，若注滿，漿液經一次返漿管從鉆孔口倒流出來。卸壓閥可對注漿膨脹順序進行調控，直至2個囊袋完全膨脹且達到所設定的壓力要求之后，卸壓閥受漿液壓力作用被打開，此時可對組合式囊袋間的空腔段進行注漿堵漏。二次注漿管可防止巷道內空氣涌入鉆孔，二次返漿管用于對鉆孔預留段進行注漿。單向閥的作用是在囊袋注漿時且達到膨脹壓力后，使漿液能夠單向流動至空腔段或預留段中，不會倒流至囊袋外。

此外還有注漿作業配套設備，包括鉆孔擴孔器、氣動式注漿泵、漿液攪拌桶和專用膨脹水泥。鉆孔擴孔器能夠將煤屑從鉆孔中清理出來，以便將封孔器插入本煤層鉆孔；氣動式注漿泵能夠使水泥漿液在較大注射壓力下注入本煤層鉆孔中；漿液攪拌桶能夠對漿液進行充分攪拌并防止漿液凝結成塊；專用膨脹水泥的膨脹性能較好，后期的收縮率較小且其凝固后的抗壓性能較好。此外，膨脹水泥和水的配比對于提升鉆孔注漿堵漏的效果至關重要，根據不同區域內鉆孔圍巖裂隙發育情況不同，將水泥和水以不同比例配制成不同濃度的水泥漿液，能夠使鉆孔圍巖裂隙得到充分密封，進而提升瓦斯抽采效果。

2.3 注漿堵漏風工藝流程

堵漏技術分為3 個階段：

1）準備階段。首先將一體化專用封孔器插入到本煤層鉆孔中，再對鉆孔進行水力清潔；接著，根據封孔要求對一體化封孔器進行連接，并對各組件可靠程度進行檢查；最后，將一體化專用封孔器插入到煤層鉆孔內預定深度，使單式囊袋的外端同礦井巷道的壁面相平行。

2）一次注漿階段。先采用1∶1.5 配比的水泥和水制備水泥漿液，同時在攪拌桶中進行連續攪拌，防止其固化成塊；接著，啟動氣動式注漿泵，將已制備好的水泥漿液經一次注漿管注入封孔器當中。當有大量水泥漿液自一次返漿管的孔口倒流出時，立刻停止注漿，并用扎帶將一次注漿管扎緊，將鉆孔與抽采管路連接，開始抽采瓦斯。在抽采瓦斯一段時間后，瓦斯抽采體積分數持續降低，當其降低至16%以下（瓦斯爆炸體積分數為5%～16%），應立刻停止瓦斯抽采。此時，鉆孔圍巖的空氣泄漏已十分嚴重，瓦斯抽采效率低下，應立即開始二次堵漏階段。

3）二次堵漏階段。因卸壓區內鉆孔圍巖裂隙較為發育，需制備比較稀的漿液，使裂隙得到充分密封。首先采用1∶2 配比的水泥和水制備新的水泥漿液。其次，啟動注漿泵，將新制備好的水泥漿液經二次注漿管注入單式囊袋，當觀察到囊袋完全膨脹且能夠對鉆孔壁進行緊密支撐時，立即停止注漿作業，并用扎帶將二次注漿管扎緊。然后，采用二次返漿管對單式和組合式囊袋間的密封段進行注漿堵漏，直到注漿壓力增至約0.5 MPa，停止注漿作業，此時，繼續連接抽采管路，進行瓦斯抽采。

2.4 注漿堵漏效果

對試驗鉆孔進行注漿堵漏后，連續監測鉆孔內瓦斯體積分數的變化情況。鉆孔瓦斯抽采體積分數變化如圖5。

由圖5 可知，2 組聯孔初始瓦斯體積分數分別為49%和52.4%，在經過40 d 左右連續抽采后，瓦斯體積分數持續降低，分別降至10.8%和13.1%，鉆孔失去抽采價值。此時對鉆孔實施注漿堵漏作業，瓦斯體積分數立刻回升到43.4%和41.2%，且能夠維持較高的瓦斯體積分數進行持續抽采，鉆孔抽采時間增至80 d 以上后，瓦斯抽采體積分數降低至12%以下，抽采鉆孔失去價值。因此，在本煤層鉆孔抽采期間，采用新注漿堵漏技術對鉆孔進行堵漏密封后，鉆孔的有效抽采時間延長至原來的2.1 倍以上，鉆孔瓦斯抽采能力明顯提高。

圖5 鉆孔瓦斯抽采體積分數變化Fig.5 Methane extraction concentration variations of the boreholes

3 結 語

1）受巷道掘進及鉆孔開挖影響，鉆孔圍巖裂隙不斷發育演化，井下巷道、漏氣通道以及瓦斯抽采管共同構成本煤層鉆孔“漏氣環”。在鉆孔抽采瓦斯一段時間后，受地應力和瓦斯抽采壓力等因素的影響，漏氣裂隙持續發育演化，直至在舊漏氣通道的外側生成1 條新的漏氣通道，造成鉆孔再次漏氣。

2）新注漿堵漏風技術通過分空間、錯時間進行注漿作業，來切斷漏氣通道從而達到減少空氣泄漏的目的。因漏氣裂隙大多分布在卸壓區及塑性區中，該技術將鉆孔的密封段從空間上分為空腔段及預留段進行注漿堵漏，將其工藝流程分為3 個階段：準備階段、一次注漿階段及二次堵漏階段，以實現錯時間進行注漿堵漏的目的。另外，設計了適用于該技術的一體化專用封孔器和注漿作業配套設備。

3）在山西某高瓦斯礦開展了鉆孔注漿堵漏技術試驗，對新技術的實施效果進行了驗證。結果表明，在應用新的注漿堵漏技術之后，本煤層鉆孔瓦斯抽采體積分數立刻大幅回升，鉆孔抽采壽命由40 d 左右增至80 d 以上，鉆孔有效抽采時間延長至原來的2.1 倍以上。