【正文】 .................................................................................... 51 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析 ................................................................................................... 55 7 工業(yè)性試驗(yàn)情況 ........................................................................................................................... 58 封孔試驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)及基本情況說明 .................................................................................. 58 鉆孔濃度 測試 ........................................................................................................................ 58 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 2 試驗(yàn)過程存在的問題和對策 ............................................................................................... 63 8 結(jié)論 ................................................................................................................................................ 64 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 3 1 引言 我國煤炭產(chǎn)量占世界煤炭產(chǎn)量的三分之一，是世界第一采煤大國。我國 50%左右的煤礦屬于“高瓦斯礦井”和“煤與瓦斯突 出礦井”，國家規(guī)定 ：“高瓦斯礦井”和“煤與瓦斯突出礦井”必須建立抽采（抽放）系統(tǒng)，采取先抽后采的方針。 瓦斯對于煤炭開采而言是一種災(zāi)害源， 采掘 過程 可引發(fā) 瓦斯窒息、瓦斯爆炸 、瓦斯燃燒、 煤與瓦斯突出等事故 。 瓦斯對于地球環(huán)境而言 是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是二氧化 碳的 20 多倍，對臭氧層的破壞能力是二氧化碳的 7 倍，而且排放到大氣中的 瓦斯 中還混雜有甲烷的同系物 （ H、 HS、 CO、 NO、 NH、 SO） 等放射性物質(zhì) ， 這不僅污染大氣，而且對人體健康也有害。 瓦斯做為一種可燃?xì)怏w是一種潔凈能源，我國瓦斯（ 煤層氣 ） 資源相當(dāng)豐富， 據(jù) 2020 年煤科總院西安分院的 “ 全國煤層氣資源評價(jià) ” 報(bào)告 ， 我國 （瓦斯）煤層氣資源量為 3235 萬億 m3， 發(fā)熱量 相當(dāng)于 450 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤， 多于我國 常規(guī)天然氣的資源量 (29 萬億 m3)。因此開發(fā)利用煤層瓦斯資源，對于充分利用潔凈能源，優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，改善煤礦安全生產(chǎn)條件以及減少大氣污染，都具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效 益。 瓦斯抽采 是煤礦瓦斯治理的根本措施和主要途徑，可以使瓦斯變害為寶（發(fā)電、供應(yīng)煤氣公式、汽車燃料等），對于煤礦安全、環(huán)境保護(hù)和資源利用均具有重要的意義。由于鉆孔漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重，使得很多礦區(qū)的瓦斯抽采濃度達(dá)不到可以利用濃度，使瓦斯利用成為困難，不得不將低濃度瓦斯排放到大氣之中，這不僅造成瓦斯資源的巨大浪費(fèi)，而且造成對大氣的污染，后者已經(jīng)引起國際輿論的指責(zé)。 眾所周知， 煤是一種多孔介質(zhì)，煤中包含著從直徑幾埃的微孔到肉眼可見的孔隙和裂隙（＞ 102cm）各種不同的孔隙 ， 而瓦斯在煤中的賦存狀態(tài)又包括游離和吸附兩種狀態(tài)，在一定的瓦斯壓力時(shí)，僅是游離瓦斯可以流動(dòng)，吸附瓦斯只是在瓦斯壓力降低時(shí)解吸轉(zhuǎn)為游離瓦斯后才參與流動(dòng) ， 鉆孔瓦斯流動(dòng)時(shí)，必須具有一定的能量（抽 采 負(fù)壓），用以克服瓦斯氣流所產(chǎn)生的阻力 ， 預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)只有經(jīng)歷較長的時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期的目的 。這些情況說明， 瓦斯抽采過程中大量的空氣漏進(jìn)了抽采管路， 目前國內(nèi)瓦斯抽采的封孔難題沒有得到解決，是一個(gè)有待解決的重大難題。所以，研究瓦斯抽采技術(shù)具有重要意義。 （備注：本項(xiàng)目 主要研究 本煤層瓦斯抽采鉆孔的封孔技術(shù) ，本煤層鉆孔占井下瓦斯抽采鉆孔的絕大多數(shù) ， 90%以上 ；巖石鉆孔、采煤工作面臨時(shí)抽采鉆孔的封孔 不是本項(xiàng)目的研究內(nèi)容。）本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 5 2 國 內(nèi) 外本煤層 瓦斯抽采封孔技術(shù)現(xiàn)狀 國內(nèi) 本煤層鉆孔 普遍 采用 的封孔方法 及 評述 高分子發(fā)泡材料封孔方法介紹 目前 ， 國內(nèi) 本煤層鉆孔普遍采用 “高分子發(fā)泡材料”，其中以聚氨酯材料為主要材料，根據(jù)配方配料的差異又有很多名稱的叫法 。 圖 21 高分子發(fā)泡材料封孔法 1發(fā)泡膨脹前的高分子材料 2發(fā)泡膨脹后的高分子材料 3封孔抽采管 高分子發(fā)泡材料封孔是我國煤層鉆孔普遍采用封孔方法，河南、山西、安徽、山東等主要礦區(qū)主要以這種封孔方法為主。 高分子發(fā)泡材料需要有較高的發(fā)泡倍數(shù)才能將鉆孔封閉，高分子發(fā)泡材料本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 6 發(fā)泡之后具有兩個(gè)致命缺陷：第一，抗壓強(qiáng)度低；第二，可壓縮 量 很大。由于高分子發(fā)泡材料抗壓能力低、可壓縮量大， 其 力學(xué) 性能 無法阻擋鉆孔的蠕變和裂隙漏氣通道的形成， 如圖 22所示。 在高分子材料在發(fā)泡膨脹的過程中，封孔段鉆孔處于開放狀態(tài)，發(fā)泡材料不能形成足夠的膨脹力，不能使發(fā)泡高分子材料擠入封孔段鉆孔周圍的裂隙，這些裂隙將成為漏氣通道（初期漏氣 通道）。 煤層鉆孔 可視為 一個(gè)小型全煤巷道，在地應(yīng)力和采掘干擾情況下必然發(fā)生變形和蠕變， 高分子發(fā)泡材料抗壓能力低、 可壓縮 量大（例如 發(fā)泡后的聚氨酯的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤層硬度硬度 ， 相差一個(gè)數(shù)量級），對鉆孔形不成有效支護(hù)作用，導(dǎo)致封孔段鉆孔周圍在封孔之后 持續(xù) 產(chǎn)生裂隙（后期漏氣通道） ，見圖 23。如圖 24 所示，采煤工作面淺孔（臨時(shí)）抽采封孔，是為了抽出采煤工作面前方可能影響采煤安全的部分瓦斯，鉆孔在工作面內(nèi)施工，鉆孔的深度一般較淺（十幾米），主要抽采工作面前方卸壓帶的瓦斯，抽采的時(shí)間很短（僅僅數(shù)小時(shí)）。下面就常用的幾種加以介紹。 圖 25 螺旋式封孔器示意圖 1接頭； 2螺母； 3手柄； 4墊板； 5定向銷； 6套管； 7螺桿； 8傳力墊； 9外套； 10內(nèi)管；11托盤； 12膠桶； 13螺帽； 14手柄 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 9 圖 26 串球式封孔器 1內(nèi)套； 2橡膠球； 3擠壓板； 4擠壓外套 上述兩種封孔器， 用在采煤工作面臨時(shí)性封孔，鉆孔深度 淺 （ 510 米），主要抽采工作面前方松動(dòng)區(qū)內(nèi)的瓦斯，在距離孔口 12 米封孔，它們對鉆孔的密封性能很差，漏氣很嚴(yán)重，根本不能用于本煤層長效抽采鉆孔的封孔。前者將氣體封閉在一個(gè)橡膠囊里，氣囊中部有一根抽采管，利用氣體的可壓縮性將氣囊塞進(jìn)鉆孔里實(shí)現(xiàn)封孔，主要在孔口 1 米范圍內(nèi)封孔；后者的氣囊里沒有封閉空氣，氣囊中部有一根抽采管，將囊?guī)M(jìn)鉆孔之后， 然 后再向囊?guī)С錃狻? ⑶ 水力膨脹式封孔器 水 力 膨脹式 封孔 器的 原理是：壓力水進(jìn)入封孔器后，通過在膨脹器內(nèi)部所形成的水壓升高來促使封孔器膠管膨脹 ，從而達(dá)到封堵鉆孔的目的。這種封孔器在煤層注水方面用的較多，但對于本煤層長效抽采來講是不可行，原因有二：第一，成本較高；第二，封孔器的微泄漏不能保證長效封孔的效果。其做法是用高水材料或水泥摻入一 定量的沙子，加入少量水揉成炮泥狀，同裝填炮泥一樣，或用鏟式工具送入孔內(nèi)，為增加填入后的密實(shí)性，每送一段距離（ ～1m）裝入木鍥用力搗實(shí)，以保證封孔質(zhì)量。 （ 2）壓氣封孔 該方法主要適用于上向孔，該法是利用壓風(fēng)罐或井下壓風(fēng)管網(wǎng)的壓力氣體，將水泥砂漿裝入混漿罐內(nèi)，當(dāng)達(dá)到容積的 2/3 左右時(shí)，然后把上蓋旋緊、打開壓風(fēng)管閥門、向孔內(nèi)壓入砂漿，直至注滿鉆孔為止，壓氣封孔如圖 27 所示。 圖 27 壓氣封孔 1注漿罐； 2壓風(fēng)管； 3水管； 4膠管； 5抽放管； 6砂漿； 7鉆孔； 8木塞（擋盤） 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 11 圖 28 泥漿泵封孔 1鉆孔； 2抽放管； 3水泥砂漿； 4注漿管； 5封孔口水泥； 6木塞 （ 4）水泥砂漿灌注法 這種方法簡單，主要用于鉆孔傾角大、封孔深度淺的下向孔封孔。 國外瓦斯抽采封孔技術(shù)現(xiàn)狀 國外煤礦井下同樣有本煤層瓦斯抽放，也曾經(jīng)使用過國內(nèi)現(xiàn)行的封孔方法，但目前已經(jīng)放棄采用我們現(xiàn)在仍在采用的 發(fā)泡材料 封孔方法。如圖所示為澳大利亞煤層鉆孔的封 孔， 必須在采煤之前回收銅管，對配套裝備和井下空間環(huán)境有特殊要求。 顯然國外抽放鉆 孔的封孔方法是十分可靠的，但是代價(jià)高（澳大利亞要求金屬管是銅管）、投資大、操作工藝復(fù)雜。所以，國外的封孔方法并不能適應(yīng)國內(nèi)的情況。我們需要本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 13 根據(jù)中國煤礦的井下情況，借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)適合中國國情的瓦斯抽放孔的封孔技術(shù)與裝備器材。 總之，在本煤層瓦斯抽 采鉆孔封孔技術(shù)方面，國外多使用注管封孔法，封孔可靠性高，但成本較高，且不適合國內(nèi)井下條件。除聚氨酯封孔法外，機(jī)械封孔法、水泥砂漿封孔法、膠圈－壓力黏液封孔法在國內(nèi)也有應(yīng)用，但這些封孔法有各自適用條件，不適合本煤層瓦斯抽采長效封孔。據(jù)調(diào)查， 平頂山、焦作、鄭煤 等礦區(qū)抽采 一個(gè)月之后 的 抽采濃度僅 3％～ 5％，調(diào)低負(fù)壓后 10％左右 ； 晉城 礦區(qū) 2～ 3 個(gè)月后抽采濃度 25％左右，還是調(diào)低負(fù)壓的結(jié)果。在 聚氨酯材料 在發(fā)泡膨脹的過程中，封孔段鉆孔處于開放狀態(tài)，發(fā)泡材料不能形成足夠的膨脹力，不能使 聚氨酯材料擠入封孔段鉆孔周圍的裂隙，這些裂隙將成為漏氣通道（初期漏氣通道）。煤層鉆孔可視為一個(gè) 微型 全煤巷道，在地應(yīng)力和采掘干擾情況下必然發(fā)生變形和蠕變 。 圖 31 聚氨酯封孔法漏氣通道擴(kuò)張示意圖 1封孔時(shí)發(fā)泡材料體積膨脹 2封孔初期鉆孔周圍裂隙漏氣通道 3封孔抽采管 4封孔后期發(fā)泡材料壓縮體積 變小 5封孔后期鉆孔周圍裂隙漏氣通道變大 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 15 圖 32 鉆孔漏氣示意圖 1瓦斯氣體 CH4 流 2漏入空氣流 3聚氨酯發(fā)泡體 4封孔抽采管 主動(dòng)支護(hù)式封孔原理 的提出 瓦斯抽采鉆孔可視為微型圓形巷道，為防止因鉆孔變形破壞而影響抽采效果，鉆孔封孔段同普通巷道一樣需要有效的支護(hù)。 主動(dòng)支護(hù)式封孔原理的理論基礎(chǔ) 下面運(yùn)用巖石力學(xué)相關(guān)理論對上述原理作簡要分析。彈塑性支護(hù)理論將“支護(hù)－圍巖”作為一個(gè)共同體系，通過對圍巖的彈塑性分析，獲得圍巖應(yīng)力、變形、支護(hù)阻力和塑性區(qū)半徑的彈塑性解答。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 16 4321Pr 圖 33 鉆孔周圍應(yīng)力狀態(tài) 2－塑性區(qū)； 4－彈性區(qū) 1－松動(dòng)區(qū)（松動(dòng)圈）； 3－承載區(qū)； 4－初始應(yīng)力區(qū) 假定 C 、 ? 值不變，軸對稱條件下圍巖應(yīng)力及變形的彈塑性解答為： 塑性區(qū)應(yīng)力： ? ? ??? ?? C c tgrrC c tgqpr ??????????? ? s i n1 s i n20 （ 31） ? ? ????? ??? C c tgrrC c tgqp ????????????????? ???? ? s i n1s i n20s i n1s i n1 （ 32） 塑性區(qū)位移： ? ? 20 s in c o s2 pp P C Ru Gr???? （ 33） 塑性區(qū)半徑： ? ? ??? ?? s i n2 s i n100s in1)( ????????? ? ??? C c tgqC c tgPrRp （ 34） 彈性區(qū)應(yīng)力： 200 2( s i n c o s ) per RP P C r? ? ?? ? ? （ 35） ??r??本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 17 200 2( s i n c o s ) pe RP P C r?? ? ?? ? ? （ 36） 式中 ， pR — 塑性區(qū)半徑； pu — 塑性區(qū)位移； q—封孔支護(hù)力 ， MPa； 0P —地應(yīng)力 ， MPa； C— 粘聚力， MPa； 0r —鉆孔半徑， mm； ?—內(nèi)摩擦角； G—剪切模量， MPa； oPrσr 0 圖 34 無支護(hù)和有支護(hù)時(shí)鉆孔周圍的應(yīng)力變 化圖