抽采钻孔漏气修复技术现场应用

时间：2024-07-28

冉永进

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

煤矿开采过程中，煤层瓦斯治理的效果是影响矿井安全生产的主要因素。井下瓦斯的主要成分为甲烷，如果甲烷直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21 倍。抽采煤层中的瓦斯，进行瓦斯利用，既能够增加洁净能源供应，也能减少温室气体排放。因此，为保证安全生产、保护环境和合理利用自然资源，需要高效地把煤体中的瓦斯抽采出来。抽采钻孔中的瓦斯体积分数是体现抽采效果的直观数据。贵州大多数矿井都存在抽采钻孔内瓦斯体积分数高低差距大的情况，现场原因有很多，主要有以下几点[1]：煤层透气性差，抽采钻孔少，抽采方案不合理，封孔质量差。

通过对营德煤矿现场抽采钻孔内瓦斯体积分数的观测，经过对比发现，导致抽采钻孔内瓦斯体积分数较低的主要原因为抽采钻孔封孔质量差、封孔深度不够，导致抽采钻孔漏气。抽采钻孔因为吸入了巷道内的空气，导致瓦斯体积分数偏低。所以提出了抽采钻孔修复技术，用以修复漏气的抽采钻孔，提高抽采钻孔内瓦斯体积分数和瓦斯抽采效果。

1 工程背景

1.1 煤层赋存

井田的构造形态为一单斜构造，地层总体走向北西～南东，倾向45～53°，倾角在10～16°，平均14°。井田范围内共发育有逆断层1 条，即F1断层。该断层处于井田东南部边界位置，控制长度约为1.0 km，倾向东南，倾角75～85°。因矿井未做地质详细勘察，该断层断距及落差不详。除F1断层外，井田范围内再无其他明显断层发育。总体来看，井田内地质构造复杂程度属简单类型。

目前营德煤矿正在对M28 煤层进行开拓，M28煤层开拓区域实测瓦斯含量最大为10 m3/t，煤的坚固性系数f 为0.72。根据对12802 运输巷、12801运输巷和12801 回风巷揭露的28 号煤层现场勘察：28 号煤层为黑色，厚约1.5 m，含夹矸0～1 层，煤层下部局部有软分层，煤体光泽为半暗及暗淡型；小片状构造，细小碎块，层理紊乱无次序，粒状或小颗粒胶结而成，无节理，成粘块状，断口粒状；用手捻之可成粉末、碎粒。根据《煤矿瓦斯等级鉴定办法》附录D 中煤的破坏类型分类表对煤的破坏类型分类特征的描述，可得出营德煤矿28 号煤层煤的破坏类型应属Ⅲ～Ⅳ类。

1.2 矿井抽采钻孔设计

矿井掘进工作面有802 运输巷、802 回风巷和801 回风巷，钻孔有效抽采影响半径2.5 m，抽采钻孔终孔间距5 m。掘进期间，已经施工了部分抽采钻孔。在802 运输巷向802 回风巷方向沿煤层施工抽采钻孔间距为5 m，钻孔长度为80 m；802 回风巷向802 运输巷方向施工抽采钻孔长度为80 m，工作面斜长150 m，抽采钻孔交叉10 m，抽采钻孔直径75 mm。抽采钻孔设计如图1 所示。

图1 802 工作面抽采钻孔设计图

目前采用的封孔方式为聚氨酯封孔，封孔长度10 m。施工完成后，以50 个抽采钻孔为一组作为研究对象，通过观察50 个抽采钻孔内的瓦斯体积分数变化，发现其中30 个抽采钻孔瓦斯体积分数保持在35%以上，其他有20 个抽采钻孔内的瓦斯体积分数，一个星期后下降到了3%～8%。

通过研究表明，抽采钻孔瓦斯体积分数低的主要原因为：（1）抽采钻孔封孔深度不够。抽采钻孔封孔深度的多少直接影响封孔质量的高低，一般封孔深度要求9～15 m 之间；（2）封孔工艺缺陷。聚氨酯是一种膨胀发泡的材料，化学反应的过程和效果与材料混合程度相关，现场操作差异性大。如果混合不充分，反应时间长，膨胀率低，抽采钻孔密封效果差。如果抽采钻孔密封效果差，进行负压抽采时，巷道内的空气在抽采钻孔内抽采负压的作用下进入了抽采钻孔，使得抽采钻孔瓦斯体积分数迅速下降，影响了抽采效果，不能在规定的抽采时间内实现消突，留下安全隐患，同时影响了抽采瓦斯的有效利用。

M28 煤层整体煤体较硬，局部赋存有软分层。50 个抽采钻孔中，有30 个抽采钻孔中瓦斯体积分数较高，说明钻孔未塌孔，封孔效果良好；其他20个抽采钻孔内瓦斯体积分数较低，通过现场观察及钻孔塌孔检验，确定为抽采钻孔封孔不严，导致抽采钻孔吸入巷道内的空气，降低了抽采钻孔内的瓦斯体积分数。选取10 个封孔效果好的钻孔为组1，选取10 个漏气的抽采钻孔为组2，通过现场观测，抽采钻孔内平均瓦斯体积分数变化如图2 所示。

图2 平均瓦斯体积分数变化图

从组1 和组2 平均瓦斯体积分数变化图可以看出：封孔严密的抽采钻孔内瓦斯体积分数变化较为平稳；而封孔效果差的抽采钻孔中瓦斯体积分数为快速下降，抽采效果差，也降低了矿井抽采瓦斯的整体浓度，影响抽采达标和瓦斯利用。因此，提出了抽采钻孔漏气修复技术，以解决上述问题。

2 抽采钻孔漏气修复技术的应用

当前国内外采用的抽采钻孔的封孔方式主要有机械注水泥砂浆封孔[2]、发泡聚合材料封孔[3]、封孔器封孔[4]、“两堵一注”带压封孔等[5]。

本次采用的抽采钻孔漏气修复技术，主要采用增加封孔深度和带压注浆的方法，来修复已经漏气的抽采钻孔。

选取10 个漏气的抽采钻孔，使用94 mm 钻头对每个抽采钻孔进行二次施工，施工长度15 m。施工完成后，采用囊袋封孔的工艺进行封孔，封孔深度15 m。将前端囊袋固定在封孔管前段，将后端囊固定在最后一根封孔管距孔口50 cm 处，管路铺设完成后，连接注浆泵。注浆泵压力表读数逐渐增大至0.7 MPa，直至爆破阀自然爆破，压力表读数归零。继续注浆，此时开始注两囊袋之间的区域，直至返浆管有大量浆液返出，关闭回浆管继续带压注浆。当压力表示数在1.2 MPa，表明两个囊袋之间已注满，立刻关闭注浆泵。钻孔修复示意图如图3 所示。

图3 钻孔修复示意图

修复钻孔后，每天对每个抽采钻孔内的瓦斯体积分数进行观测，钻孔平均瓦斯体积分数观测结果如图4 所示，由图4 可以看出，实施钻孔封孔修复后，抽采钻孔内的平均瓦斯体积分数为30%～40%。原先单纯使用聚氨酯封孔，封孔长度为10 m 时，抽采钻孔内的瓦斯体积分数为3%～8%。通过对比表明，钻孔修复技术有效地减少了抽采钻孔漏气，达到了预期的效果。