[01350204]煤层裂隙动态封堵技术研究

煤矿进行瓦斯抽采是防止煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害、降低瓦斯涌出量、充分利用清洁能源的根本措施。我国相关政府部门对瓦斯抽采高度重视,将瓦斯抽采列为治理煤与瓦斯相关灾害的重要措施,并在高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井进行大范围推广,通过瓦斯抽采进而实现“以利用促抽采,以抽采保安全”的良性循环,国家安检总局制定了“先抽后采,以风定量,监测监控”的瓦斯防治方针。虽然我国煤层气瓦斯抽采量和利用量呈现逐年递增趋势,但是矿井瓦斯抽采存在抽采量不均衡,抽采浓度衰减速率较快,钻孔的有效使用寿命不长的特点,尤其在高负压抽采瓦斯的煤矿。这一方面是由于我国煤层瓦斯地质背景较为复杂,煤层透气性较低;另一方面是由于钻孔孔内密封不严实导致空气通过钻孔壁进入钻孔内,另外,随着钻孔周边煤体出现微裂隙,受采动影响,裂隙的发育程度及范围都会大幅度增加,这导致空气通过钻孔周边煤体裂隙网进入钻孔。 基于此,本项目组提出“连续注液,动态密封”理念封堵钻孔周围煤体裂隙,通过分析钻孔周边裂隙扩展机理及分布状态,研究钻孔密封失效机制和新型封孔工艺,开发配套密封材料,并在现场进行工业验证。取得了一系列成果和技术指标,如下： （1）应力作用下,巷道破碎区与钻孔破碎区重叠区域是巷道空气进入钻孔的主要通道。 巷道开挖与钻孔施工均会造成原始煤体发生应力的重新分布,两者的应力重叠作用使钻孔周围煤体发生了不同程度的变形破坏。按应力影响情况将钻孔周围煤体划分为六个区域,其中巷道破碎区与钻孔破碎区重叠区域是巷道空气进入钻孔的主要通道,因此对该区域进行封堵至关重要。 （2）提出了动态裂隙充填瓦斯抽采技术,实现瓦斯抽采密封的动态性、连续性。 动态裂隙充填瓦斯抽采技术分为常规密封系统和动态密封系统,常规密封系统主要对钻孔内部进行密封,支护和封堵抽采钻孔并封堵钻孔开挖形成的裂隙;动态密封系统主要对钻孔周边动态发育的裂隙进行连续封堵。 （3）研制开发了与技术配套的密封材料,材料的性能优良。 当水料质量比7:1、搅拌速率为850r/min、搅拌时间为9min、处理温度为180℃时,密封材料的性能最优,现场实用性最强,该密封粘液在自然环境中放置30天保水率仍可达到49.6%。 （4）采用数值模拟和钻屑法确定动态裂隙充填技术的抽采钻孔封孔深度为8m。 根据数值模拟对掘进巷道围岩塑性区发展变化情况,得出在距煤壁0-6m范围,煤岩受应力变化影响,易发生变形,该区域内裂隙充分发育可能性最大,易对瓦斯抽采造成影响。考虑到现场情况的复杂性,结合钻屑量法判断出封孔深度为8m作为采用动态裂隙充填技术的抽采钻孔的封孔深度。 （5）在中马村矿39021运输巷和27021回风巷进行现场试验,结果表明：动态裂隙充填密封瓦斯抽采技术的抽采效果优于“两堵一注”封孔技术。 与常规的“两堵一注”封孔技术相比,采用动态裂隙充填技术的钻孔封孔深度缩短一半以上;在连续80天的抽采过程中,单孔平均抽采浓度提高了122%;钻孔平均累计抽采量和高效抽采时间均是“两堵一注”封孔的2倍以上;成本降低30%左右。动态裂隙充填密封瓦斯抽采技术具有显著的抽采效果和经济效益。