鉆孔封孔段失穩(wěn)機(jī)理分析及加固式動(dòng)態(tài)密封技術(shù)研究.pdf

1、鉆孔抽采是煤礦瓦斯治理的基礎(chǔ)技術(shù)手段之一,應(yīng)用范圍廣泛。而高瓦斯松軟煤層由于在煤化過程中受到地質(zhì)構(gòu)造的破壞,普遍煤質(zhì)松軟,加上瓦斯壓力的作用,在施工抽采鉆孔后,封孔段易產(chǎn)生失穩(wěn)、變形,致使鉆孔難以密封,無法保證瓦斯抽采效果。除了封孔段的穩(wěn)定性,封孔質(zhì)量是影響瓦斯抽采濃度、孔口負(fù)壓、甚至整個(gè)鉆場抽采效果的又一重要因素。因此,開展高瓦斯松軟煤層封孔段易失穩(wěn)鉆孔的動(dòng)態(tài)密封技術(shù)研究,對(duì)提高鉆孔抽采效率,遏制瓦斯突出、瓦斯爆炸等重大事故的發(fā)生,具

2、有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文首先分析了高瓦斯松軟煤層瓦斯抽采鉆孔封孔段失穩(wěn)的特征及原因,并在此基礎(chǔ)上探討了封孔段失穩(wěn)對(duì)鉆孔周圍裂隙的影響以及對(duì)封孔質(zhì)量的影響。結(jié)合理論分析,認(rèn)為需要新的密封工藝、新的密封材料以滿足高瓦斯松軟煤層封孔段易失穩(wěn)鉆孔密封的需要,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采。
　　其次,通過對(duì)注漿加固鉆孔封孔段作用機(jī)理進(jìn)行研究,認(rèn)為采用煤巖體注漿技術(shù)可以把某些可凝漿液注入到煤巖體的裂隙或孔隙中,使煤巖體形成強(qiáng)度高、抗?jié)B性

3、好、穩(wěn)定性高的新結(jié)構(gòu)體,從而改善煤巖體的物理力學(xué)性能,提高煤巖體穩(wěn)定性。通過鉆屑法現(xiàn)場實(shí)測,確定出試驗(yàn)區(qū)所在埋深的煤層合理封孔深度為14m。利用鉆孔窺視儀對(duì)現(xiàn)場鉆孔進(jìn)行觀測,直觀確定了鉆孔內(nèi)部的情況,并結(jié)合鉆屑量隨鉆孔深度變化規(guī)律,將鉆孔封孔段劃分為破裂膨脹發(fā)展區(qū)、破裂膨脹穩(wěn)定區(qū)、破裂膨脹劇烈區(qū)、破裂膨脹趨緩區(qū)、破裂膨脹消失區(qū)。
　　再次,針對(duì)高瓦斯松軟煤層封孔段易失穩(wěn)且鉆孔密封難的問題,基于主動(dòng)式密封“固封液,液封氣”的原理,發(fā)

4、明了加固封孔段和動(dòng)態(tài)密封一體化的新型密封技術(shù)及方法。根據(jù)鉆孔封孔段加固機(jī)理以及現(xiàn)場應(yīng)用對(duì)加固材料的性能要求,通過添加膨脹劑、減水劑等材料,研制出了一種水泥基固化鉆孔材料。利用FEI QuantaTM250環(huán)境掃描電子顯微鏡、低場核磁共振等設(shè)備,對(duì)新研制的水泥基固化鉆孔材料的特性進(jìn)行了研究,為現(xiàn)場施工提供了理論指導(dǎo)?；趧?dòng)態(tài)密封的技術(shù)原理以及現(xiàn)場應(yīng)用對(duì)該技術(shù)配套材料的特殊要求,研制出初始流動(dòng)性大、可泵性好、凝固時(shí)間可調(diào)、長時(shí)間保持膏狀,且

5、有一定粘聚力的粘液密封材料。在廣義達(dá)西定律和球形、柱形擴(kuò)散理論模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了冪律型漿液在鉆孔中進(jìn)行滲透注漿的擴(kuò)散公式。通過數(shù)值模擬的方法,對(duì)注入漿液在鉆孔周圍的分布進(jìn)行數(shù)值模擬和分析,并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)封孔段各部分的注漿長度進(jìn)行了優(yōu)化。
　　最后,為考察加固式動(dòng)態(tài)密封的實(shí)際應(yīng)用效果,在潞安集團(tuán)常村煤礦53采區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn),并對(duì)相關(guān)瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行了測試、分析。
　　通過以上研究,在理論上闡明了加固式動(dòng)態(tài)密封技術(shù)