速凝膨胀封孔材料密封穿层抽采钻孔技术及其应用

王 柱，蔡长辉，杨永良，方昌才，曹学军，李军舰

(1.宿州金鼎安全研究所，安徽宿州234000;2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221008; 3.淮南矿业集团潘三煤矿，安徽淮南232082)

穿层钻孔预抽瓦斯作为一项区域性防突技术在诸多矿区得到广泛应用，有效地防治了煤与瓦斯突出事故的发生。然而，在现场应用过程中，由于钻孔在岩层中施工，钻孔周围裂隙发育程度较高，同时由于封孔质量不高造成了穿层钻孔瓦斯抽采的浓度低下，抽采的效果不佳，进而达不到区域防突的目的。

本文采用JD－WFK－2型速凝膨胀封孔剂作为密封材料，对淮南矿业集团潘三矿17101(3)工作面31组底板巷穿层钻孔进行封孔、抽采。通过对比速凝膨胀封孔剂和有机发泡材料两种封孔材料的封孔效果可知，采用速凝膨胀封孔剂后穿层钻孔瓦斯抽采浓度提高了近30%，瓦斯治理效果显著。

1 工作面概况

淮南矿业集团潘三煤矿17101(3)工作面及其邻近瓦斯情况如下:Ⅹ东线11孔 (－649.69m)瓦斯含量为3.73m3/(t·r);Ⅸ西线21孔 (－606.63m)瓦斯含量为 4.14m3/(t·r)，1792 (3)工作面原始煤体瓦斯含量4～10m3/(t·r)，17101(3)运输进料巷实测煤体瓦斯含量为7.9508m3/(t·r)，实测瓦斯压力为2.64MPa。工作面及其附近实测瓦斯压力2.64～5.2MPa。工作面压力大、地温高，煤尘有爆炸危险性，煤层自燃倾向性属Ⅱ级自燃。

1710(3)工作面煤岩层总体呈单斜状，北高南低，里高外低，13－2煤和13－1煤赋存稳定，13－1煤为突出煤层。煤 (岩)层产状走向200～224°，倾角∠2～10°。工作面跟13－2煤顶板施工，其顶板为砂质泥岩，裂隙及滑面较发育，易碎，将对工作面回采产生一定影响。工作面地质构造情况较简单，掘进期间仅轨道巷揭露2条正断层，分别为Fa1110°∠30°H=0.8m和Fa2100～113°∠42～38° H=2.5m。

工作面标高位于－600m以下，外段约768m已开采保护层 (11－2煤)，里段约404m未开采保护层，原始煤体瓦斯含量为3～10m3/(t·r)。

2 封孔方法

2.1 封孔材料选择

速凝膨胀封孔剂由高分子材料及多种助剂复配而成，外观为灰色粉末，无毒、无味、无污染、无腐蚀性，所有组份均属无机系，具有不燃、不助燃、阻燃的特性。该封孔剂按一定比例兑水施工，施工过程料浆发生单纯的物理络合反应，反应过程不剧烈，无明显热量放出，无有毒有害气体生成。使用该封孔剂操作简单，安全可靠，封孔长度易控制，初凝时间可调，凝固速度快，密封钻孔周边松散煤体和缝隙，凝固膨胀后不析水，膨胀系数高，凝固后微膨胀，密封密实，经济实用，成本较低。

相对于速凝膨胀封孔剂材料，有机发泡材料反应剧烈，有大量反应热放出，有强烈的气味生成，反应速度太快，初凝时间不可调，封孔长度不易控制，钻孔周边松动煤体和缝隙不易密封，与水不结合，封孔不密实，容易漏气，成本较高。

因此，选用速凝膨胀封孔剂作为穿层抽采钻孔的密封材料。

2.2 封孔施工工艺

(1)钻孔施工 钻孔开孔位置保证穿层钻孔外段16m钻孔成型高，为提高封孔深度及封孔质量不得在开孔段形成伞檐状、台阶状、弯曲状钻孔。潘三煤矿穿层钻孔封孔长度均大于16m。

(2)清孔 封孔前，封孔段内的碎岩必须用压风清扫干净，无法清扫干净的必须用掏勺掏净。

(3)管路铺设 如图1所示，采用2m花管、12m实心双抗管和2m实心铁管，花管放置在钻孔前段用于护孔，双抗管与花管连接，末端2m包裹棉纱，棉纱通过铁丝紧敷在抽排管路上，抽排管路长度为16m。将底部铺设棉纱的抽排管路送至孔中预定深度后，反复抽动抽排管路，使底部棉纱与孔壁充分接触。在孔口位置处，铺设一路φ22mm铁管做为注浆管路，外端预留0.3m。采用速凝膨胀封孔材料或麻皮袋与聚氨酯混合物封堵钻孔孔口段，孔口段封孔深度大于1.5m。注浆管路孔口连接球阀，孔口段凝固时间不低于20min。

图1 底板巷穿层钻孔封孔工艺示意

(4)压注封孔材料 采用型号OZB－50－6风动注浆泵，将速凝膨胀封孔剂与水按1∶1比例混合后注入孔中。注入的浆液将有效充填钻孔周围裂隙，当抽放管路中有浆液流出时，说明钻孔内裂隙已经得到充分封堵。此时关闭注浆管路，停止注浆。由于速凝膨胀封孔剂具有凝固膨胀后不析水，膨胀系数高，凝固后微膨胀的特点，因此在停泵后，浆液凝固过程中，封孔材料将继续膨胀，充填裂隙，达到密封钻孔的目的。

(5)合茬抽采 待注浆4h后，封孔材料完全凝固，即可连接抽采管路进行瓦斯抽采，抽采负压保持在13～15kPa。

3 应用效果分析

潘三煤矿在17101(3)工作面底板巷31组穿层抽采钻孔中使用JD－WFK－2型速凝膨胀封孔剂作为密封材料，在32组穿层钻孔中使用有机发泡材料作为密封材料，抽采负压均为15kPa。

从2013年4月22日至2013年6月22日对两组钻孔封孔后的CH4抽采浓度变化进行观测，观测结果如图2、图3所示。

图2 31组与32组钻孔平均抽放浓度对比曲线

图3 31组与32组钻孔平均CH4抽放纯量对比曲线

由图2可看出，新工艺、新技术及新材料封孔与老的封孔工艺对比，在相同负压下，钻孔的抽放效果得到了很大程度提高，60d后钻孔的平均抽采浓度由原来约10%，提高到25%左右。

由图3和图4可知:17101(3)工作面底板巷31组穿层抽采钻孔平均抽采已持续达60d以上，31组钻孔平均抽采纯量0.05m3/min，相比32组穿层钻孔抽采寿命而言，提高了9倍以上。

图4 31组与32组钻孔抽采寿命对比

4 结论

针对目前底板巷穿层瓦斯抽采钻孔封孔存在的问题，对穿层抽放钻孔封孔、堵漏技术进行了研究，通过采用科学的封孔技术和封孔材料，不仅提高了瓦斯抽放量，延长了钻孔衰减期，减少了钻孔工程量，而且提高了钻孔的抽放质量，为提高区域防突效果、降低生产成本提供了技术支持。

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