本煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究

姜建峪，卢卫永

(1.山煤集团宏远煤矿，山西 晋中 032600;2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

抽采本煤层瓦斯是现今矿井预防瓦斯事故发生的重要手段之一，瓦斯抽采钻孔的封孔技术是抽采本煤层瓦斯的关键技术环节，而封孔深度又是影响封孔质量的一个重要因素。虽然国内外的专家学者对合理封孔深度进行过很多的研究和试验，并取得了相应成就，但是合理封孔深度的研究目前依然处在探索阶段。笔者认为在不同的煤层赋存及开采地质条件、开采深度、煤岩力学性能参数的条件下，封孔的深度会有较大的不同。然而，目前很多矿井依然是根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定的封孔深度［1］进行封孔，是否适合本矿井的实际情况却不得而知。如何确定适合矿井实际的、合理的封孔深度，以保证煤层瓦斯抽采的浓度和抽采效果，一直是一个困扰着很多采矿科研人员和采矿行业工作者的难题。因此，研究合理的封孔深度对提高瓦斯的抽采率，保证瓦斯抽采钻孔的封孔效果，降低工作面的瓦斯涌出量，防止煤与瓦斯突出，保证矿井安全、高效的生产具有重要的现实意义［2］。

1 封孔的基本原则

在长期的抽采实践中，国内确定了一项瓦斯抽采钻孔的封孔基本原则:1)保证不吸入空气。2)使封孔深度尽量缩短。这一封孔的基本原则一方面要求瓦斯抽采钻孔的封孔深度必须足够长，以此来避免空气经由裂隙被吸入钻孔，保证钻孔瓦斯抽采的浓度;另一方面要求封孔的深度尽量短，从而达到省工省料，创造良好经济效益的目的。

本文结合鹤煤集团中泰矿业的实际情况，通过试验的方法，旨在探求一个合理的、适合该矿井实际的合理封孔深度，在能确保钻孔不漏气且省工省力的同时，又可以节约成本，经济合理。

2 试验地点概况及钻孔布置

试验地点选在鹤煤集团中泰矿业井下33071皮带运输巷，巷道长300 m，高2.4 m、宽3.8 m。打钻设备为MK－4型钻机，配套钻杆直径95 mm，长度750 mm，沿33071皮带运输巷向33071轨道运输巷打本煤层的顺层平行预抽钻孔，钻孔间距3 m，距底板1.2 m，钻孔方位角80°，钻孔倾角 －1°～1°，单孔长度80 m。记距停采线50 m处的钻孔为1#试验钻孔，由此向切眼方向相邻的钻孔依次记作 2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#。

3 封孔方式简介

本试验采用的是一种新型的囊袋式注浆封孔技术 ，该技术不仅实现了主动支护钻孔，而且可以任意角度向钻孔内注浆，从而封堵钻孔周围的裂隙，封孔效果较传统方式的封孔效果好。囊袋式注浆封孔原理示意图见图1。

图1 囊袋式注浆封孔原理示意图

封孔的步骤如下:1)先将集气管、封孔器以及瓦斯抽采管联接并插入钻孔，置于设计的封孔位置。2)用注浆设备通过PVC管内插入的注浆管注浆，浆液使两端囊袋膨胀，与钻孔壁紧贴。3)当囊袋注浆压力达到1 MPa时，中间的单向阀自动打开，出浆，两囊袋之间的钻孔空间被浆液充满，当注浆压力达到1.5 MPa时，结束注浆。

4 抽采效果对比

4.1 数据观测记录

试验钻孔封好之后，就把这9个试验钻孔作为一组联入抽采管路开始抽采，该组钻孔具有相同的抽采负压13.5 kPa，封孔深度分别为 6 m，8 m，12 m。封孔深度示意图见图2。

图2 封孔深度示意图

在该串钻孔中，相邻的3个钻孔的瓦斯浓度数据具有可比性，记录各钻孔分组及开始抽采的时间，用高浓度光学瓦斯测试仪测试1#～9#各个试验钻孔的瓦斯浓度，每间隔4天观测记录1次，连续观测77天，记录各个抽采钻孔对应的瓦斯浓度。在此期间共收集数据126组，1#～9#试验钻孔的实测瓦斯浓度记录情况见表1。

表1 1#～9#试验钻孔的实测瓦斯浓度记录表

4.2 图线绘制

由图2可见，相邻的3个钻孔的瓦斯浓度数据最有可比性，该串钻孔7组对比数据，用EXCEL软件进行处理，绘制出浓度随时间变化的散点图和对应的拟合曲线图，3种不同封孔深度的散点图和拟合曲线图见图3和图4。

图3 钻孔瓦斯浓度随时间的拟合曲线对比图

4.3 图表分析

通过这7组不同封孔深度(6 m，8 m，12 m)钻孔的瓦斯浓度随时间的变化曲线，可以分析合理的封孔深度如下:

图4 不同深度钻孔浓度随时间的拟合曲线对比图

1)抽采时间相同的条件下，瓦斯浓度与封孔深度的关系。

由图3，图4可知，无论是单个钻孔的瓦斯浓度还是封孔深度相同的平均瓦斯浓度［4］，显而易见，封孔深度为8 m和12 m的钻孔抽采瓦斯浓度均高于封孔深度为6 m的瓦斯浓度。可以得出，瓦斯钻孔的封孔深度越深，封孔效果越好。

2)抽采时间相同的条件下，封孔深度与瓦斯浓度衰减趋势的关系。

由图3，图4可知:封孔深度为6 m的钻孔瓦斯浓度衰减速度比封孔深度8 m和12 m的瓦斯浓度衰减速度要快，也就是说，封孔深度为12 m和8 m的钻孔瓦斯浓度衰减系数小于封孔深度为6 m的钻孔瓦斯浓度衰减系数。所以，从瓦斯浓度衰减速度方面考虑，封孔深度为12 m和8 m比封孔深度为6 m更合理。

3)抽采时间相同的条件下，封孔深度，瓦斯浓度及所处的应力带三者之间的关系。

巷道开挖后，从巷道壁向煤体内部依次是卸压带，应力集中带，原岩应力带三带［5］。在卸压带内，由于受到巷道开挖的影响，煤岩体较破碎，裂隙、裂缝发育较充分;在应力集中带内，煤岩体被压实变密，经煤体裂隙、裂缝的漏气量会明显减少，从而能保证钻孔抽采到较高浓度的瓦斯。受抽采负压的影响，当封孔深度处于未超过卸压带时，巷道内的空气就会经裂隙、裂缝被吸入钻孔，钻孔漏气量就较大，瓦斯的浓度较低［4］。因此，在相同的条件下，合理的封孔深度应处于卸压带之外，应力集中带以内。可以判断，6 m的封孔深度位于巷道松动圈范围之内，封孔深度为8 m和12 m的钻孔位于巷道松动圈范围以外的应力集中带内。所以，从封孔深度所处的应力带可以得出封孔深度为8 m和12 m比封孔深度为6 m更合理。

综上分析，中泰矿业合理的封孔深度是8 m，在保证抽采效果的同时，还能节约管材，省钱省工又省力。

5 结论

1)运用控制变量法和工业性试验法相结合，确定出了中泰矿业的合理封孔深度是8 m，可以实现封孔的两个基本原则。

2)这种研究合理的封孔深度的方法具有普遍适用性和现实可操作性，能为大多数矿井的合理封孔深度的确定提供依据和支撑。

3)本文存在的不足是对比试验的组数少，如封孔深度为6 m，8 m，12 m的钻孔个数可以取10～20个，可以再增加一些钻孔数目，以保证有足够的组数来进行对比;对比的封孔深度的增加值太大，如可以设置研究范围是4～20 m，每隔1 m(甚至是0.5 m)作为一个试验的研究对象，更能准确确定出合理的封孔深度;瓦斯浓度的测试时间短，可以延长至半年甚至更长;仅有瓦斯浓度这一个衡量指标，可以在试验钻孔各安装一个孔板流量计，用单孔流量指标和瓦斯浓度来综合确定合理的封孔深度，更有说服力。

［1］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出细则［M］.北京:煤炭工业出版社，2009:36－37.

［2］张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2001:89－91.

［3］孙玉宁.囊袋式注浆封孔装置及其封孔方法:中国，200710054384.5［P］.2007－5－10.

［4］尚 群.赵庄矿3#煤层煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究［D］.焦作:河南理工大学，2010.

［5］钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.北京:中国矿业大学出版社，2010:112－113.