基于膨胀剂的二次封孔装置设计方案

李登平,张嘉勇,王晟硕, 牛宝云,许 慎,高 山

(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.唐山学院,河北 唐山 063000)

1 封孔工艺研究现状

瓦斯抽采钻孔的封孔质量直接影响瓦斯抽采效果,也决定着瓦斯治理措施的成败,因此,国内外煤炭行业也在不断改进和优化抽采钻孔封孔工艺。如德国的鲁尔矿,研制了具有良好膨胀性和流动性的新型混合水泥;俄罗斯通过对封孔器的优化改进,研制了橡胶封孔器、水力膨胀封孔器和摩擦式封孔器等。为了适应高负压瓦斯抽采系统,德国、日本等广泛采用聚氨酯进行封孔。另外还有英国的树脂及橡胶圈封孔器、澳大利亚的铜管注浆封孔、美国的水泥机械装置封孔等,保证了高负压条件下封孔区域的严密性,提高了瓦斯抽采量,确保瓦斯治理措施的高效性[1-5]。

国内学者在第一次封孔的基础上,提出了二次封孔工艺,二次封孔是抽采钻孔经历两次封孔,两个抽采阶段。第一次封孔并连接瓦斯抽采管路进行抽采,待瓦斯抽采量或浓度明显下降后,利用气压或水压等将微细颗粒物或浆液送入封孔段围岩裂隙内,形成二次封孔。微细颗粒物或浆液能否进入围岩裂隙是二次封孔的关键,同时也直接影响二次抽采的效果。有效的二次封孔不仅能够提高抽采负压,增加瓦斯抽采量,而且能够大大延长抽采钻孔的服务周期,降低钻孔施工工程量[6-9]。

第一次封孔是钻孔施工完成后,进行普通聚氨酯或水泥砂浆封孔,可根据钻孔围岩特征调整封孔深度(8 m～9 m)和封孔长度(3 m～4 m),然后检查封孔质量,并连接抽采管路进行瓦斯抽采。

待瓦斯抽采量或浓度降低到一定量后,进行第二次封孔。通过压力将一定配置比例的微细粉料或浆液压入抽采钻孔周边的微裂隙中,当浆液凝固或粉料充满钻孔后再密封钻孔孔口,完成二次封孔[9-11]。

采用二次封孔技术可显著提高钻孔瓦斯抽采浓度,延长抽采钻孔服务周期,降低瓦斯治理费用,确保矿井安全、高效生产。

通过对二次封孔技术的对比分析,论文拟探讨一种基于膨胀剂的二次封孔工艺,设计一套封孔装置,拓展瓦斯抽采钻孔二次封孔技术,降低封孔成本,提高瓦斯抽采效率。

2 基于膨胀剂的二次封孔装置设计

通过对上述钻孔封孔工艺的优化改进,设计了一套基于膨胀剂的二次封孔装置。设计装置示意图如图1所示。

装置由独立空腔、注水膨胀胶囊、膨胀剂胶囊组成。独立空腔为镀锌钢管,前段为进气花管,花管与外部气压表连通;注水膨胀胶囊外部与防尘供水管路连通,注水后形成第一次封孔;膨胀剂胶囊与乳化液泵高压供水管路连通,注水后形成第二次封孔。膨胀剂胶囊袋上设置限压阀门片,当膨胀剂与水混合后,达到一定压力,阀门片自动打开,膨胀剂进入封堵空间,封堵钻孔周围裂隙,堵塞封孔区域围岩裂隙,形成第二次封孔,减少瓦斯泄露,极大地提高瓦斯抽放效果。

图1 基于膨胀剂的钻孔二次封孔装置示意图Fig.1 Secondary sealing device based on expansion agent

3 膨胀材料的配比

在水泥化学中,能发生水化反应使其体积增大的主要有三种化合物,包括无水硫铝酸钙、高温煅烧的氧化钙和氧化镁。实验测试三种矿物水化反应形成固相体积增加率,如表1所示。

表1 各种矿物水化反应形成固相体积增加率Table 1 Increment rate of solid phase volume in mineral hydration reactions

无水硫铝酸钙中氧化钙的含量大约为24.6%,产生膨胀能较小,并且其水化速率缓慢,生成结晶体结构复杂,生成速度也越加缓慢,不适合作为煤层钻孔致裂的膨胀材料。由于氧化镁的相对分子量比氧化钙小,反应活性较大,反应速率不易控制。当氧化镁的煅烧温度较低时,与水混合后立即溶解,反应较快;当煅烧温度升高时,氧化镁的表面晶体尺寸增大,水化速度极慢,所以不适合作为煤层钻孔膨胀材料。经过高温煅烧的氧化钙水化速率可控性较强,自由膨胀率高(反应前后固体的体积增加97%),反应后产生的膨胀能量高,并且具备资源丰富、制造成本低的特点,适宜做膨胀材料的膨胀源,因此在膨胀材料研究中氧化钙是首选膨胀源。

因此,研究采用的膨胀材料(北京宇翼特种水泥厂HSCA-3)中f-CaO的含量是产生膨胀压力的主要因素;膨胀材料中要有一定数量的强度组分,在水化反应过程中,对煤层钻孔起到一定封孔作用,保证较高的膨胀压;为起到缓凝的效果,熟料中加入适当比例的二水石膏、减水剂和木钙共同研磨制成膨胀剂。

由于煤层赋存情况不同(围岩压力、煤体强度、节理发育等),对膨胀剂的适应性也会有较大差别。因此,需要依据煤体特征配比适合的二次封孔膨胀剂。

4 结论

由于抽采钻孔的封孔质量会受到围岩移动变形的影响,导致抽采钻孔围岩裂隙发育,产生导气的微裂隙或裂纹网络,降低瓦斯抽采效率。有效的二次封孔不仅能够提高抽采负压,增加瓦斯抽采量,而且能够大大延长抽采钻孔的服务周期,降低钻孔施工工程量。

基于膨胀剂的钻孔二次封孔装置,通过注水膨胀胶囊形成第一次封孔,膨胀剂胶囊注水后形成第二次封孔,延长了钻孔有效抽采时间,提高了瓦斯抽采量。该工艺技术条件简单、封孔效果好,瓦斯抽采率高,便于现场推广应用。