鉆孔封孔段失穩(wěn)機理分析及加固式動態(tài)密封技術研究.pdf

1、鉆孔抽采是煤礦瓦斯治理的基礎技術手段之一,應用范圍廣泛。而高瓦斯松軟煤層由于在煤化過程中受到地質構造的破壞,普遍煤質松軟,加上瓦斯壓力的作用,在施工抽采鉆孔后,封孔段易產生失穩(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,封孔質量是影響瓦斯抽采濃度、孔口負壓、甚至整個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)鉆孔的動態(tài)密封技術研究,對提高鉆孔抽采效率,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,并在此基礎上探討了封孔段失穩(wěn)對鉆孔周圍裂隙的影響以及對封孔質量的影響。結合理論分析,認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,進而實現(xiàn)瓦斯高效抽采。
　　其次,通過對注漿加固鉆孔封孔段作用機理進行研究,認為采用煤巖體注漿技術可以把某些可凝漿液注入到煤巖體的裂隙或孔隙中,使煤巖體形成強度高、抗?jié)B性

3、好、穩(wěn)定性高的新結構體,從而改善煤巖體的物理力學性能,提高煤巖體穩(wěn)定性。通過鉆屑法現(xiàn)場實測,確定出試驗區(qū)所在埋深的煤層合理封孔深度為14m。利用鉆孔窺視儀對現(xiàn)場鉆孔進行觀測,直觀確定了鉆孔內部的情況,并結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,基于主動式密封“固封液,液封氣”的原理,發(fā)

4、明了加固封孔段和動態(tài)密封一體化的新型密封技術及方法。根據鉆孔封孔段加固機理以及現(xiàn)場應用對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、低場核磁共振等設備,對新研制的水泥基固化鉆孔材料的特性進行了研究,為現(xiàn)場施工提供了理論指導。基于動態(tài)密封的技術原理以及現(xiàn)場應用對該技術配套材料的特殊要求,研制出初始流動性大、可泵性好、凝固時間可調、長時間保持膏狀,且

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