平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實踐

平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實踐平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實踐

0引言

近年來，河南煤炭淺部資源日益減少，礦山相繼進入深部開采狀態(tài)，煤與瓦斯突出礦井的數(shù)量越來越多，平頂山煤業(yè)集團公司東部礦區(qū)煤與瓦斯突出災(zāi)害尤為嚴重。特別是2022年11月份以來平煤十礦、十三礦均發(fā)生煤與瓦斯突出傷人事故。而位于平頂山東部礦區(qū)的平寶公司，根據(jù)瓦斯鑒定結(jié)果，己組煤層瓦斯壓力為1.38MPa、瓦斯含量最大為19m3/t，具有煤與瓦斯突出危險性。

煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。開采解放層和預(yù)抽煤層瓦斯壓力是治理煤與瓦斯突出事故的兩種區(qū)域措施。對平寶公司來說，目前預(yù)抽煤層瓦斯是打消突出危險性最基本的伎倆，通過抽放可以降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，到達打消煤與瓦斯突出的目的。預(yù)抽煤層瓦斯措施中本煤層順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯一直是個難點問題。平寶公司主采煤層埋藏較深〔平均800m以上〕地應(yīng)力較大、在煤層較軟〔f《0.2〕、煤層透氣性較低〔λ=0.085〕的情況下，本煤層順層瓦斯抽采鉆孔施工難度大，封孔質(zhì)量不高，鉆孔封孔后存在不同程度的漏氣現(xiàn)象，影響了瓦斯抽采效果。因此提高封孔質(zhì)量，保證鉆孔瓦斯抽放效果就顯得尤為重要。

1存在問題及分析

1.1傳統(tǒng)封孔工藝及存在問題

傳統(tǒng)的本煤層封孔工藝采用？《I50mm，長度20m封孔管，用6組共12袋礦用封孔藥進行封孔，每組藥之間相隔0.8m，其中封孔管末端篩管的長度為4m。全長20m的封孔管，除去封孔管末端的4m篩管長度還殘余16m，6組封孔藥的位置處于10―15m范圍內(nèi)，封孔位置處于煤體裂隙發(fā)育的區(qū)域。鉆孔封孔后存在不同程度的漏氣現(xiàn)象，抽放負壓大量浪費，很難有效將煤體深部的瓦斯抽放出來。另外由于受高地應(yīng)力及巷道周圍集中應(yīng)力的影響，在瓦斯抽采一定時間后鉆孔封孔管存在不同程度的擠扁現(xiàn)象，煤體深部的鉆孔變形垮塌甚至被重新壓實，煤層深部的瓦斯很難被有效抽采出來，很難徹底打消煤層突出危險性。

1.2問題分析

巷道發(fā)掘后，周圍煤體的原始應(yīng)力分布遭到破壞，周圍煤體的應(yīng)力將向巷道周圍轉(zhuǎn)移，進行重新分布，巷道周圍煤體的變形區(qū)域及垂直應(yīng)力分布如圖1所示[1]。

在圖1中，曲線1為巷道周圍煤體發(fā)生彈性應(yīng)變的應(yīng)力曲線，曲線2為巷道周圍煤體發(fā)生彈塑性應(yīng)變的應(yīng)力曲線。區(qū)域Ⅰ―煤體破裂區(qū)，區(qū)域Ⅱ―塑性區(qū)，區(qū)域Ⅲ―彈性區(qū)應(yīng)力升高局部，區(qū)域Ⅳ―原始應(yīng)力區(qū)。

巷道發(fā)掘后，引起應(yīng)力重新分布，巷道上方的垂直應(yīng)力將向兩幫轉(zhuǎn)移，首先在高應(yīng)力作用下，巷道兩幫煤體將發(fā)生彈性形變。根據(jù)實驗測定結(jié)果，平寶公司煤層硬度系數(shù)f值一般在0.3下列，煤質(zhì)較軟。巷道周圍的煤體在高應(yīng)力作用下到達極限強度后，由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫儯髮⒃獾狡茐?，煤體破裂，破裂區(qū)域不能撐持巷道上方轉(zhuǎn)移過來的應(yīng)力，高應(yīng)力繼續(xù)向煤體深部轉(zhuǎn)移。實際上，受巷道發(fā)掘的影響，巷道周圍煤體不可能只發(fā)生彈性形變，即曲線1不存在或者只存在很短時間，巷道發(fā)掘應(yīng)力重新分布穩(wěn)定后，實際存在的將是曲線2，巷道周圍煤體發(fā)生破壞，應(yīng)力逐漸向煤體深部轉(zhuǎn)移，最后到達穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定，煤體破裂區(qū)域之后是煤體發(fā)生塑性形變區(qū)域，之后是煤體發(fā)生彈性形變區(qū)域，再之后是煤體原始應(yīng)力區(qū)域。

在煤體區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ內(nèi)，煤體發(fā)生破裂和塑性形變，裂隙比擬發(fā)育，及圖1-1中x0區(qū)域內(nèi)，煤體裂隙比擬發(fā)育，在區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ內(nèi)，煤體只發(fā)生彈性形變或者沒有發(fā)生形變，煤體比擬致密，裂隙不發(fā)育。

一般情況下，順層鉆孔施工長度普遍大于70m，傳統(tǒng)封孔管長度為20m，除去封孔管末端篩管的長度，鉆孔封孔段的位置一般停留在圖1-1中的x0區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力高，煤體裂隙發(fā)育，鉆孔封孔密封性差，封孔管易壓扁變形，x0區(qū)域以里的鉆孔極易垮塌壓實，使得煤體深部的瓦斯很難有效抽采。因此準確確定圖1-1中x0區(qū)域的長度并采取相應(yīng)措施，就顯得尤為重要。

2巷道周圍塑性區(qū)的寬度確定

運用巖體的極限平衡理論[2]，塑性區(qū)的寬度，即撐持應(yīng)力峰值與煤體邊緣之間的距離x0為[1]：

其次，及時鉆孔封孔段區(qū)域避開煤體裂隙發(fā)育區(qū)域位于15m以里，也不可防止煤體內(nèi)仍有裂隙的存在，從而造成封孔不嚴，抽采效果差，因此必須保證封孔段區(qū)域鉆孔周圍煤體裂隙充沛封閉，將原先的聚氨酯藥袋封孔改為膨脹水泥帶壓注漿封孔，充沛封閉鉆孔周圍煤體裂隙，提高密封效果。

第三，為解決鉆孔深部容易垮塌變形甚至被壓實的情況，必須增加鉆孔封孔管的長度，即將封孔管的長度由原來的20m增加至和鉆孔深度相同的長度〔不低于70m〕。

第四，鉆孔封孔管長度增加以后，會穿過如圖1-1中所示的區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的應(yīng)力升高局部，該局部由于應(yīng)力集中，聚乙烯封孔管在高應(yīng)力作用下受煤體內(nèi)較高溫度的影響極易發(fā)生擠壓變形，影響到鉆孔瓦斯抽采效果。因此，以封孔管15m為中心點向外5m、向里10m范圍內(nèi)增加封孔管的抗壓強度，在封孔管內(nèi)置“十字型〞撐持骨架，提高封孔管擠壓性能。

3現(xiàn)場實驗應(yīng)用

3.1實驗計劃

選取局部鉆孔，封孔管長度由20m增加至50m，將封孔段區(qū)域移至15～20m范圍內(nèi)，采用膨脹水泥帶壓封孔，并將鉆孔封孔管10～25m范圍區(qū)域內(nèi)增加內(nèi)置“十字型〞撐持骨架。按照該計劃要求在平寶公司己15-17―12061機巷進行實驗，選取144#、146#、148#三個鉆孔連續(xù)測定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時間為1個月。與之相鄰鉆孔三個鉆孔143#、145#、147#按照傳統(tǒng)封孔工藝進行封孔，連續(xù)測定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時間為1個月，然后計算144#、146#、148#三個鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，同時計算143#、145#、147#三個鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，并將以上兩個平均值進行比照分析。

3.2實驗數(shù)據(jù)分析

按照上述實驗計劃，將改良封孔工藝后的三個鉆孔33天瓦斯抽采濃度和傳統(tǒng)封孔工藝的三個鉆孔33天瓦斯抽采平均濃度進行相互比照，比照情況如圖2所示。

從圖2中可以明顯看出兩種不同封孔工藝瓦斯?jié)舛入S時間變化的情況。傳統(tǒng)封孔工藝封孔后從42.5%的初始瓦斯抽采濃度，經(jīng)過一天后驟減至19%，經(jīng)過三天后迅速衰減至10%下列，然后長期穩(wěn)定在3%左右，瓦斯抽采效果較差，很難有效抽放煤體深部的瓦斯。按照改良后的封孔工藝，瓦斯抽采初始濃度可以高達90%以上，經(jīng)過10天后，鉆孔瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在20%以上，然后遲緩衰減，長期穩(wěn)定在10%以上，大大提高了鉆孔瓦斯抽采濃度和有效抽放周期。

改良后的封孔工藝增加了封孔管的長度，有效降低鉆孔垮塌變形對瓦斯抽采的不利影響；封孔段區(qū)域向煤體深部移動，用膨脹水泥封孔，有效減少煤體裂隙對封孔的影響，提高了鉆孔密封效果；在封孔管10～25m范圍內(nèi)進行加固，減少了封孔管受擠壓變形對煤體深部瓦斯抽采的影響。改良后的封孔工藝和傳統(tǒng)封孔工藝相比提高了瓦斯抽采濃度，延長了鉆孔瓦斯有效抽采時間，對鉆孔深部煤體瓦斯抽采更加有效，打消煤與瓦斯突出危險性的效果大幅度提高。

4結(jié)論

通過以上分析可以容易得到下列結(jié)論：

1〕順層鉆孔封孔段區(qū)域避開煤體裂隙發(fā)育區(qū)域并用膨脹水泥注漿對鉆孔封孔可以有大幅度減少煤體的裂隙，提高鉆孔的密封性，提高鉆孔瓦斯抽采濃度和延長鉆孔有