瓦斯抽采钻孔封孔成套技术及应用研究

瓦斯抽采钻孔封孔成套技术及应用研究

路建军

长治市郊区煤炭工业局山西长治046011

摘要：随着科学技术的发展，我国的瓦斯抽采钻孔技术也在不断完善。存在的封孔质量问题，提出了以新型无机封孔材料、封孔器为一体的瓦斯抽采钻孔封孔成套技术，进一步发展完善了“两堵一注”带压注浆封孔工艺。

关键词：瓦斯抽采；封孔工艺；封孔质量；成套技术

引言

瓦斯抽采是防治矿井瓦斯灾害事故的根本措施和主要途径，但是我国煤矿瓦斯抽采效果并不理想，据统计约有65%的回采工作面瓦斯抽采浓度低于30%以下，究其原因一方面是受煤层地质赋存条件及煤层渗透率等自然因素制约；另一发面是受抽采钻孔封孔质量的影响。因此，提高抽采钻孔的封孔质量是改善抽采效果最直接、经济、高效的技术途径。

1“两堵一注”带压注浆封孔工艺

1.1技术原理

在煤层开采过程中，由于受地应力作用掘进巷道周围煤岩体发生变形甚至破碎形成松动圈，在松动圈范围内裂隙发育。抽采钻孔的施工，由于受到扰动影响，进一步破坏原有的应力平衡，在钻孔周围会形成大量的裂隙，正是这些裂隙的存在并与松动圈范围的微小裂隙贯通构成漏气通道。随着时间推移，钻孔还会受到采掘影响，发生蠕变变形，裂隙持续发育直至达到新的应力平衡。

1.2工艺流程

“两堵一注”封孔工艺成功的关键是注浆段两端的封堵和封孔材料能否有效封堵钻孔裂隙以提供主动的支撑作用。该工艺的特点是克服了机械式封孔、高分子发泡聚合材料封孔等工艺存在的不能有效封孔钻孔周围裂隙的弊端，从抽采源头上根本解决了抽采瓦斯浓度低和衰减快的问题，有效延长了抽采时间，提高了瓦斯抽采率。

2封孔材料及装备

2.1HD－Ⅰ型无机封孔材料

封孔材料是“两堵一注”带压注浆封孔工艺中至关重要的部分，针对水泥砂浆凝固时易收缩且流动性差的问题，研发了HD－Ⅰ型无机封孔材料，并通过了相关标准规范的检验。测试结果表明，HD－Ⅰ型封孔材料具有良好的流动性、膨胀性、阻燃性及抗静电性，满足瓦斯抽采钻孔封孔材料的强度、膨胀性、密封性等性能要求。HD－Ⅰ型无机封孔材料良好的流动性使其能够快速、有效渗入到钻孔周围煤体裂隙中，并伴随发生膨胀反应，而且膨胀后的封孔材料不会变形收缩，使封孔材料能够继续向钻孔周围缝隙渗透流动，最终封孔材料与煤岩体完全结合，构成一个整体，达到封堵钻孔微小裂隙的理想密封效果。

2.2FKJW型矿用注浆封孔器

目前，煤矿采用的“两堵一注”封孔工艺普遍采用高分子聚合材料（聚氨酯）作为封孔段两端的挡板，虽然聚氨酯具有较好的膨胀性和渗透性，但是抗压能力低，膨胀方向不确定，容易留下漏浆通道进而无法实现带压注浆，成功率相对较低。因此，在综合分析囊袋封孔器结构特点和HD－Ⅰ型无机封孔材料特性的基础上，研发了FKJW型矿用注浆封孔器。FKJW型矿用注浆封孔器工作原理：利用注浆泵等设备向注浆管内注入封孔材料浆体，当注浆压力达到一定压力时，封孔囊袋内单向爆破阀打开，浆体开始注入封孔器囊袋；封孔器囊袋的体积和囊袋内浆体压力不断增大，囊袋与孔壁紧密结合，当囊袋内压力达到一定压力时，封孔囊袋外单向爆破阀打开，浆体不断进入两个囊袋之间的密闭空间；当浆体将密闭空间注满时，返浆管开始返浆；将返浆管对折或在端部安装压力表，继续注浆到预定的压力并保持一定时间，注浆完成。

3现场应用及效果考察

3.1试验方案

试验地点选择在81506一号回风平巷，煤层底板标高595～625m，工作面设计为240m，试验钻孔布置如图3所示。试验钻孔封孔数量为20个，钻孔孔径为94mm，钻孔深度220m左右，钻孔倾角±3°～5°，钻孔间距5m。为了更好地优化封孔技术，采用了三种不同的封孔方式进行对比试验。其中，10个钻孔采用新型无机材料与封孔器“两堵一注”封孔，5个钻孔采用水泥砂浆与聚氨酯“两堵一注”封孔，5个钻孔采用自胀式封孔器封孔。三种封孔方式均采用孔径50mm抽采管，具体封孔参数见表1。

表1不同封孔工艺封孔参数表

3.2试验效果分析

根据生产现场实际情况，试验重点考察了30d内全部试验钻孔的浓度变化以及“两堵一注”带压封孔100d内的浓度流量变化。在抽采前期30d内，抽采负压均在30kPa左右，试验组钻孔瓦斯抽采浓度对比见表2，平均瓦斯浓度对比如图1所示。

表2试验组瓦斯抽采钻孔浓度对比表

图1各试验组瓦斯抽采钻孔平均浓度对比图

为了进一步分析，对初期效果较好的“两堵一注”带压注浆钻孔组进行持续考察，其浓度变化如图2所示。可见在100d的接抽期内，各钻孔浓度仍未出现明显衰减，钻孔平均浓度达到了80%以上。该组钻孔接入的独立支管纯瓦斯流量初期为0.334m3/min，100d后仍可达到0.314m3/min，有效保证了抽采效果。综合以上分析结果表明，以HD－Ⅰ型无机封孔材料和FKJW型矿用注浆封孔器为一体的“两堵一注”带压封孔成套技术，有效提高了封孔质量，为保德煤矿下一步瓦斯抽采钻孔封孔工艺的选择确定提供数据参考及建议。

图2“两堵一注”带压注浆各钻孔100d浓度变化

结论

1）基于“两堵一注”带压注浆封孔工艺的技术原理，研发了以HD－Ⅰ型无机封孔材料和FKJW型矿用注浆封孔器为一体的瓦斯抽采钻孔封孔成套技术。该技术具有使用简便、效果明显和适用范围广等优势。

2）该成套技术现场试验表明，采用“两堵一注”带压注浆封孔工艺的钻孔瓦斯抽采浓度明显高于采用其他封孔工艺的钻孔，在100d的考察期内试验钻孔组平均浓度达到了80%以上，有效提高了封孔质量，为保德煤矿下一步瓦斯抽采钻孔封孔工艺的选择确定提供数据参考及建议。

3）工程应用实践表明，瓦斯抽采钻孔封孔成套技术可较好地应用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的封孔，具有显著的工程价值和经济效益。

参考文献：

［1］林柏泉．矿井瓦斯防治理论与技术［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2005．

［2］翟成，向贤伟，余旭，等．瓦斯抽采钻孔柔性膏体封孔材料封孔性能研究［J］．中国矿业大学学报，2013，42（6）：982－988．