盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究
L1L212438567 1-密闭腔室，2-抽采管，3-粉料输送管，4-阀门，5-聚氨酯，6-裂隙，7-煤层，8-孔口
L1孔口预留密闭腔室原理L2图2.25 12439
1-密闭腔室，2-抽采管，3-粉料输送管，4-阀门，5-聚氨酯，6-微细膨胀粉料，7-裂隙，
8-煤体，9-孔口
图2.26 颗粒封堵漏风裂隙原理
5678如图2.25所示，对钻孔进行封孔时，封孔段越过巷道松动圈，预留钻孔孔口段一定长度不进行密封，其孔口密封，以形成密闭腔室。当巷道中空气经钻孔周边漏风裂隙大量涌入孔底时，钻孔瓦斯浓度和纯流量开始大幅度下降，此时，如图2.26所示，通过孔口预留的密闭腔室向钻孔周边的裂隙释放固相颗粒，在井下压风系统正压和抽采负压作用下，颗粒在漏风裂隙中运移、沉积，并形成封堵效应，增大外界空气经漏风裂隙导入孔底的流动阻力，最终提高钻孔瓦斯抽采浓度和纯流量。
2.2.2 固相颗粒封堵煤岩裂隙机理研究 2.2.2.1 研究内容
1）钻孔区域煤（岩）三维损伤场的时间演化特性 （1）基于时间效应的损伤场数值计算软件的开发
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（2）钻孔周边漏风通道产生的损伤门阀值的现场及实验室测定 （3）三维损伤场的损伤度、应变及应力的动态分布 2）颗粒封堵钻孔周边煤（岩）裂隙试验平台的构建
（1）可模拟应力稳压加载下的钻孔开挖试验的真三轴加载系统改造 （2）钻孔开挖后，其周边裂隙的演化过程的CT扫描
（3）模拟颗粒封堵钻孔开挖后形成的裂隙，并监测颗粒在裂隙中的分布 3）采用PFC模拟软件并结合颗粒封堵裂隙平台研究颗粒封堵裂隙特性 4）模拟粉料输送机中气固两相流的流动特性，以确定合理的粉料机尺寸及关键工艺参数
5）多种粉料组成的固相颗粒的配比及粒径分布研究 6）现场工业性试验，验证理论研究成果的合理并反馈。 2.2.2.2 研究方案
1）应用含瓦斯煤（岩）三轴试验装置模拟煤岩材料所受的地应力和煤层瓦斯压力，模拟装置包括高压瓦斯气瓶、煤样、压力表、三轴压力加载系统和应力、位移传感器等。在设定三轴应力为某定值时，通过降低瓦斯压力和瓦斯吸附量来模拟煤层中瓦斯含量的降低，并观测不同煤样瓦斯含量变化与煤样体积变形之间的关系，以此揭示瓦斯抽采过程中，不同煤样的煤体变形破坏特征；在单轴或多轴加载平台下，建立含有单钻孔或多钻孔的相似材料物理模型，对钻孔进行模拟封孔并预设满足相似比的裂隙，观测在不同加载时间段的裂隙扩张、贯通或新裂隙的萌生，从而了解钻孔周边裂隙的时空演化特性，揭示漏风通道的形成机理；
2）在瓦斯抽采钻孔周边施工若干考察孔，并在考察孔内装TYGD10岩层钻孔探测仪，通过调节照明亮度来探测煤壁与岩壁，并采集不同抽采时期煤（岩）裂隙的影像资料，通过对比分析图像研究瓦斯抽采过程中钻孔周边煤（岩）裂隙的变化规律；另外，在距离钻孔不同位置的考察孔中分别释放示踪气体，同时在抽采钻孔孔口观测孔采集示踪气体，监测示踪气体的浓度，确定钻孔轴向和径向裂隙动态演化；在不同抽采时期采集钻孔周边不同区域的煤样或岩样，通过实验室的电镜扫描试验和压汞试验得出煤（岩）裂隙特性参数；
3）建立固相粒子在煤（岩）裂隙中受气力输送的离散运移CFD模型，这主要包括1）几何模型：考察参数包括钻孔尺寸，沿深裂隙尺寸及形态，裂隙分布密度。2）物理模型：考察参数包括输送气力、裂隙端受控气力、钻孔及裂隙粗糙度、钻孔及裂隙表面热力特性、钻孔及裂隙中的介质阻力。其中，考虑到裂隙
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发育的复杂性和数值模拟的局限性，裂隙的参数设置依据于经验数据，在保证对模拟结果不出现过于失真的基础上，对裂隙的布置进行自定义和相关假设。通过动态求解，对粒子在不同裂隙环境中运移的仿真，并掌握其运移规律，以实现对粒子气力输送的各项参数优化；
4）考虑固相粒子在漏风裂隙气动流场中受到的气动阻力、压力梯度力、附加质量力、Basset力、重力、浮力、Magnus力和Saffman力等，基于气固两相流理论、牛顿第二定律和不可压缩流体的能量方程等，建立理想状态下单粒子在单裂隙中、单粒子在多裂隙中、多粒子在单裂隙中、多粒子在多裂隙中输运特性的气固耦合数学模型，通过对数学模型进行分析，得出粒子的运移与裂隙尺寸形态、气力压降、裂隙本身的阻力、固相粒子流输送时的固气比、粒子尺寸形态以及粒子与气体之间的粘度系数等的关系，并得出粒子在裂隙中输运、沉积和封堵特性；
5）构建二次封孔的模拟试验平台，包括可拆卸式模板、瓦斯气源、模拟钻孔、模拟漏风裂隙、抽气泵、空气压缩机、粉料输送机、瓦斯浓度测定仪及相关封孔器材等；利用模拟试验平台进行二次封孔的模拟试验，考察在不同输送正压、不同抽采负压、不同裂隙下固相粒子在裂隙区域输运距离、输运时间、停止后继续运移距离及时间，优化二次封孔的关键技术参数，同时采用正交试验法考察不同组分、配比和不同粒径分布的固相粒子（主要包括高吸水树脂、膨润土、滑石粉、羧甲基纤维粉和聚丙烯酰胺等组分）的输运距离、输运时间，优化固相粒子的组分及配比参数；
6）在煤矿现场进行试验，采用着色固相粒子对钻孔周边煤（岩）裂隙进行封堵，通过锚杆机或钻机在钻孔不同位置施工一定深度的小钻孔，观测打钻排渣中的着色粒子情况，并利用TYGD10岩层钻孔探测仪窥视孔壁，考察固相粒子在煤（岩）裂隙区域的输运距离和分布特性；通过监测瓦斯抽采浓度考察粒子对裂隙的封堵效果，优化固相粒子的组分及配比，并确定出二次封孔技术的关键工艺参数。
2.2.2.3 关键科学问题
负压条件下裂隙结构中粒子运动规律：研究在煤岩裂隙场中，粒子在负压条件下在不同尺度裂隙通道中的吸附、凝并、沉降机理，探索不同煤性和温、湿度环境下对运动规律的影响和煤体损伤与粒子流动的相关性，可为研究松软低透煤层中二次封孔机理提供科学理论支撑。
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2.2.3 技术工艺
颗粒封堵顺层钻孔工艺分为两个阶段，即孔口预留密闭腔室阶段和颗粒封堵裂隙阶段。
1）孔口预留密闭腔室
（1）在抽采管花管末眼位置绑上棉纱，呈拖把状，距此棉纱200mm~300mm开始在抽采管上缠绕棉纱，缠绕长度3～4m，首末两端用铁丝绑紧，棉纱粗细适中且要蓬松，以利于吸收聚氨酯封孔材料；
（2）将聚氨酯封孔材料浇在棉纱上浸透，前段“拖把状”棉纱不浇，封孔材料浇透以后迅速送入钻孔内，并保证达到要求的封孔深度（一般为8m），待封孔材料发泡凝固后，即从孔口至孔内形成大约3～4m的预留腔室；
（3）往钻孔孔内送入一根1～2m长的四分铁管或PVC管作为颗粒输送管，孔口用蘸有聚氨酯封孔材料的棉纱密封，即形成孔口密闭腔室；
2）颗粒输送工艺
如图2.27所示，L1为封孔段，L2为预留段，L3为孔口密封段。矿方原封孔工艺封孔长度为L=L1+L2+L3。二次封孔简化一体化孔口预留工艺在保证封孔深度不变的前提下，改变封孔长度。
1）按矿方原封孔工艺进行钻孔初期密封，形成封孔段L1。
2）往孔内送入四分铁管或PVC管作为颗粒输送管，孔口用蘸有聚氨酯封孔材料的棉纱密封，便形成预留段L2和孔口密封段L3。
L1L2L3预留段抽采管裂隙粉料输送管封孔段微细膨胀粉料煤岩
图2.27 第一次封孔阶段完成图
孔口预留工艺中设计到L2和L3的长度参数，在保证L=L1+L2+L3为矿方原封孔长度情况下，考察不同预留段L2和孔口密封段L3时（如表2.5），钻孔的二次封孔效果。
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表2.5 钻孔封孔参数设计表
L2 L3 L2+L3=4m 2m 2m 3m 1m L1L2+L3=3m 2m 1m L2L2+L3=2m 1m 1m 1.5m 0.5m 1m 2m 预留段抽采管输送管裂隙控制阀3封孔段微细膨胀粉料煤岩压风控制阀1流量计减压阀控制阀2粉料输送机
图2.28 粉料输送图
钻孔孔口预留段L2形成后，如图2.28所示，连接颗粒输送系统的各组成部件，开始颗粒输送工艺，具体操作为：
1）井下压风管路出气口处依次连接控制阀1、流量计、减压阀、控制阀2、粉料输送机、控制阀3和输送管。
2）打开粉料输送机机盖，往其中装入粒径大于200目的微细膨胀粉料，所加粉料体积量为粉料机容积的3/4~4/5，并关闭机盖。
3）关闭控制阀2，打开控制阀1，并调节减压阀，使进气压力降至0.15~0.2MPa。
4）先后打开控制阀3和控制阀2，开始输送颗粒。
5）如流量计读数一直不下降，并维持3min以上时，停止输送粉料，并更换粒径为60~200目，继续输送粉料，直至流量计读数接近0，此时停止颗粒输送。
6）测定粉料输送后的钻孔瓦斯抽采浓度，如钻孔浓度低于50%，则增大气力输送压力至0.2~0.3MPa，对该钻孔进行补吹，直至钻孔浓度为50%以上。
7）定期测定钻孔瓦斯抽采浓度，待钻孔浓度低于30%时，再次对钻孔进行补吹。
3）效果考察
试验孔与原钻孔接抽后，每隔2天对钻孔瓦斯抽采浓度、流量、负压进行测
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