平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實(shí)踐

平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實(shí)踐平寶公司順層鉆孔封孔工藝研究與實(shí)踐

0引言

近年來(lái)，河南煤炭淺部資源日益減少，礦山相繼進(jìn)入深部開采狀態(tài)，煤與瓦斯突出礦井的數(shù)量越來(lái)越多，平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司東部礦區(qū)煤與瓦斯突出災(zāi)害尤為嚴(yán)重。特別是2022年11月份以來(lái)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(xiǎn)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(duì)平寶公司來(lái)說(shuō)，目前預(yù)抽煤層瓦斯是打消突出危險(xiǎn)性最基本的伎倆，通過(guò)抽放可以降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，到達(dá)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(gè)難點(diǎn)問(wèn)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(wèn)題及分析

1.1傳統(tǒng)封孔工藝及存在問(wèn)題

傳統(tǒng)的本煤層封孔工藝采用？《I50mm，長(zhǎng)度20m封孔管，用6組共12袋礦用封孔藥進(jìn)行封孔，每組藥之間相隔0.8m，其中封孔管末端篩管的長(zhǎng)度為4m。全長(zhǎng)20m的封孔管，除去封孔管末端的4m篩管長(zhǎng)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(fù)壓大量浪費(fèi)，很難有效將煤體深部的瓦斯抽放出來(lái)。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(shí)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(shí)，煤層深部的瓦斯很難被有效抽采出來(lái)，很難徹底打消煤層突出危險(xiǎn)性。

1.2問(wèn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(dá)極限強(qiáng)度后，由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?，之后將遭到破壞，煤體破裂，破裂區(qū)域不能撐持巷道上方轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的應(yīng)力，高應(yīng)力繼續(xù)向煤體深部轉(zhuǎn)移。實(shí)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(shí)間，巷道發(fā)掘應(yīng)力重新分布穩(wěn)定后，實(shí)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(dá)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(méi)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(zhǎng)度普遍大于70m，傳統(tǒng)封孔管長(zhǎng)度為20m，除去封孔管末端篩管的長(zhǎng)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(shí)，使得煤體深部的瓦斯很難有效抽采。因此準(zhǔn)確確定圖1-1中x0區(qū)域的長(zhǎng)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(yùn)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(shí)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(yán)，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(shí)的情況，必須增加鉆孔封孔管的長(zhǎng)度，即將封孔管的長(zhǎng)度由原來(lái)的20m增加至和鉆孔深度相同的長(zhǎng)度〔不低于70m〕。

第四，鉆孔封孔管長(zhǎng)度增加以后，會(huì)穿過(guò)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(diǎn)向外5m、向里10m范圍內(nèi)增加封孔管的抗壓強(qiáng)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

3.1實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

選取局部鉆孔，封孔管長(zhǎng)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(jì)劃要求在平寶公司己15-17―12061機(jī)巷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取144#、146#、148#三個(gè)鉆孔連續(xù)測(cè)定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時(shí)間為1個(gè)月。與之相鄰鉆孔三個(gè)鉆孔143#、145#、147#按照傳統(tǒng)封孔工藝進(jìn)行封孔，連續(xù)測(cè)定記錄瓦斯抽采濃度，記錄時(shí)間為1個(gè)月，然后計(jì)算144#、146#、148#三個(gè)鉆孔封孔后第1日～第33日瓦斯抽采濃度的平均值，同時(shí)計(jì)算143#、145#、147#三個(gè)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(gè)平均值進(jìn)行比照分析。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照上述實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，將改良封孔工藝后的三個(gè)鉆孔33天瓦斯抽采濃度和傳統(tǒng)封孔工藝的三個(gè)鉆孔33天瓦斯抽采平均濃度進(jìn)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(shí)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(guò)一天后驟減至19%，經(jīng)過(guò)三天后迅速衰減至10%下列，然后長(zhǎng)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(dá)90%以上，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度，有效降低鉆孔垮塌變形對(duì)瓦斯抽采的不利影響；封孔段區(qū)域向煤體深部移動(dòng)，用膨脹水泥封孔，有效減少煤體裂隙對(duì)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(jìn)行加固，減少了封孔管受擠壓變形對(duì)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(zhǎng)了鉆孔瓦斯有效抽采時(shí)間，對(duì)鉆孔深部煤體瓦斯抽采更加有效，打消煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的效果大幅度提高。

4結(jié)論

通過(guò)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(duì)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(zhǎng)鉆孔有