一種新型鉆孔密封材料的研究與應用

付 鑫

(汾西礦業雙柳煤礦,山西 柳林 033300)

我國煤礦瓦斯的賦存條件比較復雜,瓦斯突出及爆炸事故時有發生,直接影響著煤礦的生產安全。煤層瓦斯預抽可以有效防止瓦斯事故的發生,但在瓦斯抽采鉆孔施工過程中,受松動圈的影響,會出現抽采效果較差、抽采濃度衰減相對較快等問題。使用普通注漿水泥已不能滿足抽采鉆孔封孔現狀,急需研究新的鉆孔密封材料。

1 新型鉆孔密封材料介紹

環保型相變凝膠鉆孔密封技術主要以EPCG鉆孔密封材料和自適應保壓式封孔器等產品為依托,從而實現鉆孔瓦斯高質量抽采。

1.1 EPCG鉆孔密封材料

環保型相變凝膠(Environment-friendly Phase Change Gel,簡稱EPCG)是一種以綠色、環保、可降解的水溶性高分子為基料的復配型密封材料,利用物理化學改性方法精準控制材料水溶液的凝膠化相變過程,使其在不同的時間段內發生不同的物理相變反應,進而適應不同煤層鉆孔密封全過程中低阻注漿、低粘滲透、高粘膠結、動態密封及綠色降解的材料性能需求,有效保障瓦斯抽采鉆孔高質量密封,并通過對密封材料降解,實現瓦斯抽采鉆孔孔內抽采設備的回收,從根本上降低單孔密封成本。同時,該材料同比使用量僅為膨脹水泥材料的3%～5%,可極大減少現場施工人員的勞動量。該材料為智能化隨鉆密封技術的發展和煤礦井下鉆孔瓦斯抽采的“降本增效”提供了可靠的物質基礎[1]。

環保型相變凝膠鉆孔密封材料的主要性能指標如下:①膠凝點:20～30 min內動態可調;②凝膠點前粘度:<(30～50)MPa·s;③最終粘度(2%) :≥3×105MPa·s;④凝膠化時間:50～90 min;⑤凝膠材料料水質量比: 0.02～0.04;⑥凝膠材料保質期:≥2 a.

1.2 鉆孔自適應保壓式封孔器

工作時,通過注漿管將低粘狀態的EPCG材料漿液注入到封孔器中進行封孔,過程如下:注漿材料首先注入并逐漸充滿內封堵囊袋,使內封堵囊袋緊貼煤壁封堵鉆孔,注漿材料無法繼續注入內封堵囊袋時開始產生注漿壓力,繼續注漿,注漿壓力上升,當注漿壓力達到0.15 MPa時,外封堵囊袋內的單向逆止閥打開,注漿材料開始注入外封堵囊袋。注漿材料逐漸充滿外封堵囊袋,使外封堵囊袋貼緊煤壁封堵鉆孔,注漿材料無法繼續注入外封堵囊袋,繼續產生注漿壓力。當注漿壓力升到0.5 MPa時,內、外封堵囊袋之間的爆破閥爆破,注漿材料開始注入內、外封堵囊袋之間的空間。當注漿壓力達到1.5 MPa時封孔完畢。通過保壓有效保障了EPCG材料在鉆孔圍巖裂隙中的滲透性、密封性和自適應性,為瓦斯抽采鉆孔高效、低耗、綠色、環保密封提供了關鍵結構基礎[2]。鉆孔自適應保壓式封孔器如圖1所示。

圖1 鉆孔自適應保壓式封孔器產品

1.3 適用條件

環保型相變凝膠鉆孔密封技術具有鉆孔自適應性和施工便捷的優勢,適用于不同類型煤層和巖層賦存條件下的順層和穿層瓦斯抽采鉆孔,特別適用于直徑小于200 mm的鉆孔,且鉆孔施工過程中無需安裝其他附屬裝置。常規鉆孔密封的施工工藝是在鉆孔形成后,直接安裝抽采管及自適應保壓式封孔器,通過注入EPCG材料實現目標鉆孔的帶壓密封,其封孔工藝見圖2.

圖2 環保型相變凝膠鉆孔密封材料及使用工藝

2 試驗工藝及實施過程

2.1 試驗目的

本次試驗旨在測試EPCG產品的鉆孔密封效果,優化其密封工藝并發現其可能存在的問題。以順層鉆孔為實驗條件,對比分析EPCG產品和膨脹水泥兩種密封材料的密封效果、施工工藝、施工效率及密封成本,為EPCG產品優化和鉆孔瓦斯高質量抽采提供技術支持。

2.2 試驗材料及設備

1) 密封材料:EPCG鉆孔密封材料、礦用水泥基封孔材料、聚氨酯(安標);

2) 配套設備:注漿泵(標準)、瓦斯流量及體積分數測定裝置、抽采管、封孔囊袋及配套零件。

2.3 實施工藝

2.3.1 測試孔(EPCG自適應保壓式封孔囊袋封孔法)

我校是一所貧困縣縣城小學，近年來生源劇增，學困生數量增多。為了提高辦學質量，急需進行學困生轉化工作，改變現狀。要改變這一局面，就要對“學困生”學習困難認知特點及教學對策進行調查、分析，才能有針對性地加以解決。學困生形成的原因是多方面的，歸結起來有以下幾種。

1) 安裝封孔器:將封孔器、注漿管與抽采管連接,確保注漿長度為12 m,其中外端封孔囊袋距煤壁0.5 m.

2) 注漿密封(包括專用封孔器注漿):將注漿桶盛滿水,開啟氣動攪拌器(快速),并將1袋EPCG材料加入注漿桶(100 L),待EPCG粉料完全潤濕,將攪拌器調至慢速,并持續攪拌3～5 min,待漿液粘度感明顯,開始實施注漿。

3) 清洗注漿系統:注漿結束后,完成注漿管結扎,并清洗注漿泵、注漿桶及相關注漿管路。

2.3.2 對比孔(膨脹水泥+濾積式囊袋封孔法)

1) 安裝封孔囊袋:將封孔囊袋按日常程序固定于抽采管壁上,送入抽采鉆孔,其中外端封孔囊袋距煤壁0.5 m.

2) 注漿密封:將注漿桶盛滿水,開啟氣動攪拌器(快速),并將3袋礦用水泥基封孔材料加入注漿桶(100 L),待水泥基封孔材料完全潤濕,并持續攪拌3～5 min,開始實施注漿。

3) 清洗注漿系統:注漿結束后,完成注漿管結扎,并清洗注漿泵、注漿桶及相關注漿管路。

2.3.3 安裝考察裝置

圖3 單孔并管方式示意

2.4 鉆孔施工參數

根據現場實施條件,本次施工試驗鉆孔共計20個,其中采用膨脹水泥+濾積式囊袋封孔法密封鉆孔10個,采用EPCG自適應保壓式封孔囊袋封孔法密封鉆孔10個。為確保測試結果對比有效,兩類封孔工藝施工過程中均采用相同鉆孔密封參數和抽采負壓,單孔瓦斯抽采參數測定過程中均采用相同的測試裝備和測試方式。

1) 鉆孔布置方法:在33(4)19運巷,沿煤層傾向打順層鉆孔進入本煤層中進行瓦斯抽采。

2) 鉆孔的傾角:按照本煤層瓦斯預抽的方法,開孔位置距巷道底板為1.5 m.根據工作面煤層傾角標高的變化,考慮到鉆桿施工過程中存在一定的彎曲下沉量,鉆孔傾角均沿煤層傾角施工,為3°～6°.

3) 鉆孔長度:110 m.

4) 鉆孔直徑:94 mm.

5) 鉆孔間距:根據抽采半徑設計鉆孔間距為6.5 m.

2.5 鉆孔施工要求

1) 鉆孔施工前,抽采區打鉆隊必須制定相應的安全措施并貫徹落實。

2) 嚴格按照本設計的鉆孔參數進行施工,深度誤差不大于±1 m,本煤層鉆孔傾角參照相鄰的鉆孔傾角,誤差控制在±1°內,鉆孔間距嚴格按照設計施工。

3) 鉆孔在施工期間如果遇到無碳柱或其他地質構造,必須及時和地質科聯系,根據現場實際情況調整鉆孔角度再進行施工。

4) 在鉆孔施工期間,如果出現掉鉆桿的情況,打鉆隊必須詳細記錄掉鉆桿的方位、長度以及鉆桿的數量,并由地質科、生產科記錄,確保回采期間的作業安全。

5) 鉆孔在施工期間,必須進行掛牌管理。在巷道口懸掛設計牌板、施工進度牌板以及相關的安全管理牌板。

6) 本煤層鉆孔施工結束后,必須洗孔處理孔內的煤渣,確保抽采效果。洗孔時,更換水窩內的水,洗孔時間不得少于40 min.

7) 本煤層鉆孔施工結束后,必須及時封孔,確保封孔嚴密不漏氣,封孔質量達到要求。

8) 鉆孔施工過程中,如掉鉆、卡鉆,施工不到位導致施工孔深與設計孔深不符,應在原有鉆孔旁重新開孔施工,原鉆孔應及時封堵。

9) 在施工鉆孔過程中,若發現煤巖松軟、片幫來壓或者鉆孔中水壓、水量突然增大和頂鉆等突水征兆時,立即停止鉆進,但不得拔出鉆桿,及時向調度室匯報,采取安全措施,派相關人員妥善處理。在鉆孔施工前應先完善施工地點的排水系統[3]。

3 試驗結果及對比分析

3.1 試驗結果

鉆孔密封完成后,開始測試記錄相關抽采數據,測試考察周期平均為2個月 ,不同鉆孔密封工藝條件下,平均單孔抽采瓦斯體積分數及抽采瓦斯純量分布見圖4.

圖4 試驗鉆孔平均單孔抽采瓦斯體積分數及抽采瓦斯純量分布

由圖4可知,在相同抽采條件下,與膨脹水泥基材料+濾積式囊袋式“兩堵一注”封孔工藝相比較,采用EPCG材料+自適應保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝密封可使單孔平均抽采瓦斯體積分數提高1.55～2倍,平均提高1.75倍;平均單孔瓦斯抽采純量可提高1.4～1.8倍,平均提高1.67倍,具有明顯的提濃效果。抽采2個月后,單孔平均抽采瓦斯體積分數仍保持在34%以上,可大幅提高抽采瓦斯的可利用率。

3.2 成本對比

不同封孔工藝成本對比參數如表1所示。

表1 不同類型鉆孔密封工藝材料耗費量成本對比

由表1可看出,與膨脹水泥基材料+濾積式囊袋式“兩堵一注”封孔工藝相比,采用EPCG材料+自適應保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝可使單孔密封材料成本降低16%左右,且平均單孔注漿材料耗費量平均為4 kg,僅為膨脹水泥基材料的2.75%,極大地降低了現場施工人員的勞動強度和材料運輸成本。

4 結 語

通過在33(4)19運巷開展EPCG材料+自適應保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝和膨脹水泥基材料+濾積式囊袋式“兩堵一注”封孔工藝兩種鉆孔密封效果對比,可得出如下試驗結果:

1) 相同試驗條件下,采用EPCG材料+自適應保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝密封可使單孔平均抽采瓦斯體積分數提高1.75倍;平均單孔純量可提高1.67倍。抽采2個月后,單孔平均抽采瓦斯體積分數仍保持在34%以上,可大幅提高抽采瓦斯的可利用率和煤層瓦斯抽采效率。

2) 相同密封參數條件下,采用EPCG材料+自適應保壓式封孔器式“兩堵一注”封孔工藝可使單孔密封材料降低16%左右,有效促進了煤礦實現“降本增效”目標。

3) 相同密封參數條件下,EPCG材料單孔耗費量平均為4 kg,僅為膨脹水泥基材料的3%～5%,極大地降低了運輸成本和施工人員的勞動強度。