抽放鉆孔漏氣機理及“兩堵一注”帶壓封孔技術

張躍錚

（晉能控股裝備制造集團，山西 晉城 048006）

本煤層瓦斯抽采是治理瓦斯災害最廣泛使用措施之一，但是瓦斯抽采效果總體不佳[1-2]，最主要的原因為瓦斯抽采鉆孔封孔質量較差。晉能控股集團寺河煤礦主采15#煤層，瓦斯含量平均為17.1 m3/t，最大達到21.3 m3/t。15#煤位于石炭系上統太原組一段頂部，直接頂板為石灰巖（K2），沉積穩定，上距3 號煤層85.29 m、K7 砂巖76.54 m，底板多為泥巖或含炭泥巖，下距K1 砂巖9.07 m、奧灰頂界面21.33 m，煤層厚1.08～5.45 m，平均2.67 m，煤層變異系數為0.21，可采系數為100%，屬穩定可采煤層。該礦井4307 工作面采用本煤層預抽、邊采邊抽瓦斯治理措施。但是由于4307 工作面煤體破碎，鉆孔塌孔堵孔現象嚴重，封孔不嚴格造成鉆孔漏氣、濃度低，抽放量難以保證。

1 抽放鉆孔漏氣機理

對于瓦斯抽放鉆孔漏氣的認識大體上分為了兩種，一是認為封孔材料自身存在空隙或收縮、膨脹不均勻與孔壁之間產生空隙是導致鉆孔漏氣的主要原因，稱為孔內漏氣[3]。隨著巷道開挖和鉆孔施工，基于礦壓和彈性力學理論，發現鉆孔周圍裂隙帶是導致漏氣的另一個主要原因[4]，稱為孔外漏氣。

1）根據礦山壓力理論，在巷道開挖后上方煤巖體壓力要向周圍煤體轉移，由此產生應力集中導致原有的應力平衡狀態被破壞，并引起應力的重新分布，煤體在支承壓力作用下發生塑性變形并形成塑性區域[5]，其寬度可根據式（1）計算得出：

其中：M為煤層厚度；λ為側壓系數；f為煤層與頂底板的摩擦力；K為大于1 的應力集中系數；γ為巖層平均容重；H為開采深度；τ為煤層與頂底板的粘結應力；φ為煤體內摩擦角；N0為煤壁支撐能力。

巷道側向支承壓力分布及塑性區示意圖如圖1。其中AC 段為塑性變形區（x0），一般來說這一距離在10 m 左右[6]，CD 段為彈性變形區，BA 段為應力降低區，BD 段為應力升高區。

圖1 支承壓力示意圖及塑性區分布

2）在煤層中施工鉆孔后會對原始煤體造成一定擾動，導致鉆孔周圍一定范圍內出現應力重分布，其結果是造成距鉆孔不同深度處的煤體所受的應力狀態不同，應力集中現象會使部分煤體失穩破壞[7-8]，由內向外依次形成了破裂區、塑性區、彈性區和原始應力區。從鉆孔失穩的角度來考慮各個區域的受力情況，為了便于分析假設鉆孔周圍煤體均質且同性，各向應力相等，側向應力系數λ=μ/（1-μ）=1，式中μ為巖石的泊松比。根據彈性力學相關知識，鉆孔周圍的微元體其平衡方程[10]可由下式表示：

式中：σr為徑向應力，MPa；σθ為切向應力，MPa；r為徑向距離，m。

由于破裂區和塑性區滿足廣義Hoek-brown 準則，根據這一準則，兩變形區域內的切向應力σθ可用下式來表示：

式中：σθ為切向應力，MPa；σr為徑向應力，MPa；σc為煤體單軸抗拉強度，MPa；mb為煤體的Hoek-brown 常數；s、a分別為煤體強度參數。

鉆孔周圍產生應力擾動后，各個變形區域之間并沒有嚴格的界限，因此其應力邊界條件可由下式來描述：

式中：r0、rb、rp分別表示鉆孔半徑、破裂區半徑、塑性區半徑，m；σrb、σrp、σre分別表示破裂區、塑性區、彈性區的徑向應力，MPa；σ為原巖應力，MPa。

結合式（2）、（3）、（4）可得出鉆孔周圍破裂區的力學參數特征：

式中：σrb為破裂區徑向應力，MPa；σθb為破裂區切向應力，MPa；σc為煤體單軸抗拉強度，MPa；mb、sb、a為破裂區煤體強度參數。

上式給出了鉆孔周圍的切向、徑向應力特征，證實了沿鉆孔軸向上破碎圈的存在，同時鉆孔處于巷道的塑性變形區，兩因素的疊加致使該區域內的煤體破碎，裂隙發育，形成一個環鉆孔延伸、長度與巷道塑性區相當的裂隙帶如圖2（圖中1 區域）。

圖2 巷道-鉆孔周圍應力疊加示意圖

常規封孔材料如采用的水泥砂漿，水灰比0.5，封孔只是堵住了鉆孔，無法對破碎圈內的裂隙形成封堵，在抽放負壓的作用下外部空氣易通過這些裂隙進入孔內，導致鉆孔抽放濃度低、效率低，形成鉆孔外部漏氣。這是后期抽采過程中鉆孔漏氣的主要原因[9-10]。

2 “兩堵一注”封孔工藝的基本原理及使用方法

1）基本原理

“兩堵一注”封孔設備由普通封孔管2、注漿囊袋5（長1 m 并可在一定壓力下將漿、水分離）、注漿管1、返漿管4、卸壓閥（6、7）等組成，如圖3。注漿時先將兩個囊袋5 充滿漿液并使其之間形成密閉空間，隨漿液注入壓力逐漸增大，在將密閉空間充填完后進入孔周裂隙，將裂隙擴展、延伸并充填煤體凹凸面[11-12]，封堵孔壁裂隙帶，將鉆孔空間與孔外裂隙同時封堵，做到了真正意義上“封孔”。

圖3 “兩堵一注”封孔工藝示意圖

2）使用方法

風動注漿泵將水泥漿液通過注漿管1 注入孔內，當漿液壓力升高至P1時卸壓閥6 開啟，漿液充填囊袋5，隨漿液量增多當注漿壓力達到P2時，卸壓閥7 開啟向兩個囊袋之間注漿，當返漿管4 返漿時說明注漿空間已基本注滿，將返漿管閥門3 關閉并繼續注漿，壓力持續升高，直到孔口返出少量清水注漿作業停止。

合理注漿參數確定。① 注漿量的確定。帶壓注漿封孔關鍵問題是注漿量是否足夠，只有充足的注漿量，才會有效封閉鉆孔的封孔段空間和孔周圍裂隙。注漿量一般由公式Q=3.14（D2-d2）×d×h×K×α×β，式中：Q為注漿量，kg；D、d、h分別為鉆孔直徑、封孔管直徑、封孔長度，單位均為m；K、β分別為鉆孔周圍裂隙發育系數和鉆孔不規則系數，一般分別取1.2 和1.1；α為漿液可利用系數，一般取1.05。② 注漿壓力確定。注漿壓力是漿液進入鉆孔周圍裂隙的動力，若注漿壓力過大，造成裂隙擴大，若注漿壓力過小，容易造成漿液進入裂隙不完全，不能全面封堵裂隙。合理的注漿壓力可通過牛頓流體在水平光滑裂隙面內的擴散方程式P=[λμ（R-r）2.21]/0.093T·δ2·r0.21計算獲得，其中P為注漿壓力，MPa；λ、δ分別為冗余系數、裂隙開度；μ為漿液黏度，Pa·s；R、r分別為擴散半徑和鉆孔半徑，單位均為m；T為注漿時間，min；δ為裂隙開度，cm。③ 注漿材料。注漿材料為由流動性強、膨脹性好、密封性強的材料配置而成的JD-WFK 新型材料。該材料為灰色粉末，無毒、無污染、無腐蝕性、阻燃，施工時與水1:1 配比使用，無明顯熱量放出。

3 現場應用效果

根據4307 工作面實際地質情況，煤體破碎，鉆孔塌孔堵孔現象嚴重，封孔不嚴格造成鉆孔漏氣、濃度低，抽放量難以提升。根據上述理論可計算出封孔關鍵參數，即封孔長度22 m，注漿量為108 kg，注漿壓力采用2.5 MPa。在43071 巷選取兩組鉆孔，每組5 個，分別使用常規封孔工藝與“兩堵一注”封孔工藝進行試驗。在封孔后分別對鉆孔濃度進行觀測并形成對比曲線如圖4。

圖4 不同封孔工藝條件下鉆孔濃度變化曲線

采用“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔初始濃度基本在60%～70%左右，且鉆孔濃度基本呈線性衰減，經過70 d 的抽放濃度仍能保持在30%左右，鉆孔仍然有效。采用常規封孔方式的鉆孔初始濃度低（20%～40%左右）、衰減速度先快后慢，經過相同抽放時間后鉆孔濃度只有采用“兩堵一注”封孔工藝鉆孔的1/10～1/8 左右，幾乎沒有利用價值。對比鉆孔濃度變化曲線，“兩堵一注”封孔工藝可以顯著提高鉆孔抽放濃度并減緩其衰減速度，同等條件下比常規封孔工藝具有明顯優越性。

4 結論

1）基于彈性力學和礦壓理論分析了鉆孔周圍裂隙帶的形成機理，指出了鉆孔周圍裂隙帶的存在是導致鉆孔漏氣的主要原因。

2）闡明了“兩堵一注”封孔工藝及其工作原理，即水泥漿液可以進入鉆孔周圍裂隙帶擴展、延伸并充填其凹凸面，同時與煤顆粒粘結在一起提高孔壁裂隙帶強度，形成一層堅強壁壘，徹底封堵鉆孔外部漏氣通道。

3）現場實驗表明，采用“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔比采用常規封孔方式鉆孔的初始濃度要高出1 倍以上，且衰減速度較慢，具有明顯的優越性。