中深孔高效爆破封孔技術(shù)研究

武少鵬

(潞安化工集團(tuán) 安全管理部,山西 長治 046204)

近年來,濾積式封孔囊袋封堵工藝被提出并應(yīng)用于瓦斯抽采領(lǐng)域[4]。所用囊袋的材料為高彈滌綸雙面布,濾袋僅能通過水,向鉆孔內(nèi)注漿時(shí),多余的水分可以從囊袋中流出,實(shí)現(xiàn)水、氣體與漿料的分離。囊袋在高壓水泥漿液作用下膨脹,并與鉆孔壁面緊密接觸。高濃度的水泥漿液在孔內(nèi)凝固的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了鉆孔的封堵[5]。基于此思路,本文開展了中深孔爆破高效的囊袋封堵工藝研究,探索解決爆破過程的沖孔問題,實(shí)現(xiàn)快速簡單高效爆破。

1 封孔囊袋規(guī)格選型

常見礦山瓦斯防治領(lǐng)域的囊袋規(guī)格較多,主要有單囊、雙囊兩種結(jié)構(gòu),如圖1所示。以封孔長度為1.5 m的鉆孔為例,試驗(yàn)?zāi)掖愋椭饕譃?種,分別為1.5 m單囊、0.7 m單囊、0.6 m雙囊,如圖1所示。這3種規(guī)格的囊袋在封孔時(shí)發(fā)揮著不同的效果,下面對(duì)這3種囊袋封孔機(jī)制進(jìn)行介紹。

圖1 囊袋規(guī)格

1.5 m單囊袋對(duì)應(yīng)著“一堵”的封孔工藝,根據(jù)地面注漿試壓試驗(yàn)結(jié)果可知,在注漿之后,囊袋內(nèi)的壓力最大達(dá)到2 MPa,否則囊袋會(huì)被撐破。囊袋是由只透水不透料的特殊材質(zhì)制造而成的,注漿液中的大部分水流出。漿液凝固后,能達(dá)到較高的強(qiáng)度,此時(shí)其與預(yù)裂孔壁面的摩擦力相較于0.7 m單囊、0.6 m雙囊是最大的。

0.6 m雙囊袋對(duì)應(yīng)著“兩堵一注”封孔工藝,注漿過程中,一前一后兩個(gè)囊袋會(huì)首先被注滿并膨脹。當(dāng)壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí),囊袋之間管路上的爆破閥會(huì)自動(dòng)爆開,此時(shí)水泥漿液會(huì)流入囊袋中間的鉆孔段,并注滿這個(gè)區(qū)域。當(dāng)水泥漿液凝固后,即可實(shí)現(xiàn)鉆孔的封孔。為了保證這一部分的封孔效果,最后注漿泵壓力表示數(shù)為2 MPa時(shí),停止注漿。中間段的漿液具有2 MPa的壓力,與孔壁具有粘結(jié)力,還可對(duì)頂端的囊袋起到緩沖作用。

0.7 m單囊袋對(duì)應(yīng)著“一堵一注”封孔工藝,在注漿的過程中,孔口的囊袋首先被注滿,當(dāng)漿液壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí),管路頂端的爆破閥會(huì)自動(dòng)爆開,水泥漿液把藥管和囊袋之間的部分填滿。因?yàn)槟掖喜康臐{液濃度較低,所以要求凝固時(shí)間較長。

2 封孔工藝及注意事項(xiàng)

2.1 封孔工藝流程

在進(jìn)行封孔操作時(shí),需嚴(yán)格按照以下操作步驟進(jìn)行,見圖2.

1) 工人裝藥完畢后,開始注漿封孔;

水力壓裂是個(gè)復(fù)雜的過程，裂隙通常沿垂直于最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展，但裂隙形態(tài)、擴(kuò)展方向并不僅取決于某一個(gè)因素，如煤體均質(zhì)性、原生裂隙分布特征、地應(yīng)力狀態(tài)等都可能會(huì)對(duì)壓裂效果產(chǎn)生影響[17-18]。在多孔控制定向水力壓裂技術(shù)中，孔隙水壓的分布特征與地應(yīng)力組合影響下煤體起裂、裂隙擴(kuò)展規(guī)律有待研究。

2) 注漿前,用水將注漿泵、攪拌桶、連接管路沖刷干凈,對(duì)攪拌器和注漿泵進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn);

3) 配料時(shí)先加入清水,然后邊攪拌邊緩慢加入注漿材料,防止卡住攪拌器,直到水灰質(zhì)量比達(dá)到指定配比(1∶1);

4) 注漿時(shí),首先將囊袋伸入預(yù)裂孔,然后通過尾部快接與注漿泵連接,開始注漿,開始注漿時(shí)速度宜慢,邊慢速攪拌邊注漿。囊袋中有水瀝出,證明管路暢通;注漿過程中,注漿泵正常均速工作時(shí),可將注漿泵調(diào)到高速運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)發(fā)現(xiàn)注漿泵發(fā)出沉悶聲音,壓力表讀數(shù)明顯增大為2 MPa且注漿泵顯示注不進(jìn)漿液時(shí),則先關(guān)閉注漿泵,此時(shí),把注漿管折彎用扎帶扎緊以防漿液回流;

5) 切換至另外的預(yù)裂孔進(jìn)行注漿時(shí),動(dòng)作要迅速,防止管路內(nèi)漿液凝固造成管路堵塞;不同預(yù)裂孔之間切換注漿,僅需要使用專用剪刀將注漿管剪斷,然后與另一管快接連接,直至所有預(yù)裂孔注漿完畢;

6) 注漿完畢后,吸漿管路必須吸清水,打開泄?jié){閥,全速運(yùn)轉(zhuǎn)2 min左右,把整個(gè)管路和泵體沖洗干凈;

7) 進(jìn)行人員撤離,拉起安全警示線;

8) 等候1 h方可進(jìn)行放炮工作。

2.2 注意事項(xiàng)

進(jìn)行封孔操作時(shí),在保證封孔效果的前提下,需要同時(shí)考慮儀器設(shè)備的可持續(xù)性以及人員的安全問題,以下為操作規(guī)程的注意事項(xiàng):

1) 配料:封孔材料為純無機(jī)雙組份材料,水灰質(zhì)量比按照1∶1混合后可快速凝固;

2) 封孔設(shè)備選用ZBQ便捷式氣動(dòng)注漿泵,最大注漿壓力可達(dá)6 MPa.試驗(yàn)過程中,更換注漿管時(shí)動(dòng)作要迅速,時(shí)刻注意管路是否通暢,特別是接口變徑處;

3) 試驗(yàn)過程中,要注意壓力表示數(shù)不可超過2.5 MPa,壓力過大會(huì)導(dǎo)致囊袋破損;

4) 將管路更換至另一注漿管時(shí),因?yàn)楣苤袔в袎毫?禁止將管口對(duì)著工人,避免漿液噴出對(duì)人的眼睛、口鼻造成傷害。

3 爆破封孔優(yōu)化試驗(yàn)

試驗(yàn)煤層預(yù)裂孔深10.0 m,孔徑55 mm,按照仰角80°打設(shè),從頂板向上垂直距離為9.63 m.即:15煤以上頂板厚度平均0.7 m(泥灰?guī)r)+平均6.15 m(粉砂巖)+0.42 m(14煤)+2.0 m(14煤以上粉砂巖)+0.36 m(13煤)。能爆破至14煤以上的基本頂粉砂巖及13煤,爆破范圍內(nèi)有少部分爆破在煤層中。

煤層頂板單軸抗壓強(qiáng)度為45.42 MPa,爆破時(shí)采用6節(jié)1.2 m長、外徑42 mm、內(nèi)徑36.5 mm的聚能管,裝藥結(jié)構(gòu)為“2+1+2+1+1+2”,單塊乳膠炸藥質(zhì)量為0.3 kg,單孔裝藥量為2.7 kg.炮眼頂部聚能管、中部第3個(gè)聚能管以及底端聚能管,每根聚能裝填2塊炸藥帶雷管,其余聚能管采用1塊炸藥帶雷管,相鄰炸藥之間留有0.8 m長空氣柱,聚能管端部使用充填海綿或其他阻燃材料進(jìn)行封堵,防止炸藥滑脫,單孔封泥長度2.8 m;聚能管之間采用專用套管連接。

為了尋找快速高效的封孔方法,針對(duì)不同結(jié)構(gòu)囊袋以及不同的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行井下試驗(yàn),利用每種結(jié)構(gòu)的囊袋開展封孔試驗(yàn)10余次,總試驗(yàn)次數(shù)多達(dá)30余次,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同囊袋封孔的優(yōu)缺點(diǎn),并逐步優(yōu)化試驗(yàn)方案,典型優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。首先同步開展三種結(jié)構(gòu)囊袋的封孔試驗(yàn),然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇未沖孔的囊袋繼續(xù)開展試驗(yàn),最后逐步縮短封孔時(shí)間。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)“一堵”、“兩堵一注”、“一堵一注”3種工藝進(jìn)行對(duì)比分析,得到最佳的封孔爆破工藝或方法。

表1 井下優(yōu)化試驗(yàn)

采用調(diào)研、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法,確定了封孔材料和封孔設(shè)備,并通過井下封孔試驗(yàn)的方法,確定了最佳封孔工藝,即根據(jù)孔深,采用1.5 m單囊袋進(jìn)行“一堵”的封孔工藝即可達(dá)到很好的封堵效果,簡單高效,進(jìn)而保證爆破效果。

4 爆破效果評(píng)價(jià)

為了分析評(píng)價(jià)新型囊袋封堵工藝的切頂留巷效果,利用鉆孔窺視儀器,對(duì)切頂效果進(jìn)行觀測,以爆破效果檢測試驗(yàn)為例,對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。在進(jìn)行爆破效果檢測時(shí),爆破孔間隔1 m,窺視孔位于相鄰爆破孔中間位置,具體如圖3所示。分別開展單1.5 m囊袋和炮泥封堵條件下的爆破試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)孔布置

爆破后,采用黃泥封孔爆破時(shí),均發(fā)生了沖孔現(xiàn)象,且孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)少量縱向裂紋,大部分區(qū)域仍然保持完好。而采用囊袋封堵的爆破工藝,封孔效果良好,均未沖孔,鉆孔內(nèi)壁裂隙的隨機(jī)性較強(qiáng)。橫截面清晰可見的爆生裂隙有6～8條,從孔口4.3 m處一直到孔底8.6 m均有裂隙分布,其中3.5～5.5 m階段出現(xiàn)貫穿連續(xù)大裂隙。在頂板離層位置處,出現(xiàn)了頂板大幅度錯(cuò)位、頂板大塊破碎現(xiàn)象。測孔內(nèi)效果如圖4、圖5所示。

圖4 炮泥封堵條件下窺視孔內(nèi)的裂隙分布

圖5 囊袋封堵條件下窺視孔內(nèi)的裂隙分布

5 結(jié) 語

1) 在瓦斯封堵的原理上進(jìn)行改進(jìn),開展了適合中深孔爆破的封孔囊袋選型工作,提出了高效封孔工藝流程和注意事項(xiàng)。

2) 通過現(xiàn)場囊袋選型優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn),由鉆孔窺視效果可知,1.5 m單囊袋進(jìn)行“一堵”的封孔工藝即可達(dá)到很好的封堵效果,爆生裂隙數(shù)量相比較于黃泥封孔顯著增加,頂板卸壓效果好,爆破效果突出。