景福煤矿瓦斯抽采钻孔无机封孔材料试制及应用

陈 忠，田国平，乔书明

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.天鼎恒砼外加剂科技发展有限公司，太原 030008；3.阳煤集团寿阳景福煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

景福煤矿瓦斯抽采钻孔无机封孔材料试制及应用

陈 忠1，3，田国平2，乔书明3

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.天鼎恒砼外加剂科技发展有限公司，太原 030008；3.阳煤集团寿阳景福煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

为了解决景福煤矿本煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量差、漏气率大、抽采浓度低的问题，试制了一种新型无机封孔材料。通过新型无机封孔材料的试制过程及实验数据，分析了各组份原料对材料的影响，为产品最终定型提供了依据。通过井下抽采钻孔封孔效果检验，平均抽采瓦斯浓度由原来的12.8%提高到26.5%。

瓦斯抽采；漏气；无机封孔材料；试制

1 瓦斯抽采钻孔漏气机理及对策

经长期实验观测，瓦斯抽采钻孔漏气主要有以下几个方面的原因：一是巷道掘进后造成围岩松动圈裂隙，一般宽度为5～7 m；二是帮锚杆、帮锚索等支护钻孔与抽采钻孔贯通，一般宽度为2～5 m；三是瓦斯抽采钻孔孔壁裂隙或裂缝，其形成与钻孔周边应力变化和煤层坚固程度有关，一般沿钻孔全长分布；四是矿山压力通过钻孔孔壁作用于封孔材料时，由于封孔材料抗压强度不足，被压裂或发生塑性变形而产生裂隙或漏气通道。

由瓦斯抽采钻孔漏气机理可知，针对第一、二条原因，应当采取加大封孔抽放管长度、封孔深度的措施。近年来瓦斯抽采实践中封孔抽放管长度、封孔深度由原来的6～8 m逐渐增加到8～10 m，取得了比较好的抽采效果。而第三、四条原因，也恰恰是聚氨酯封孔材料不能克服的缺点。聚氨酯类材料的成分为高分子，很难填充到孔壁裂隙中，甚至比较大的裂缝也很难被阻断而形成漏气通道；同时，高分子材料易发生塑性变形，在孔壁与材料体之间形成比较大的漏气通道。而无机类材料，比如水泥，由于材料分子较小，与煤层有很好的“亲和力”，比较容易进入并充填孔壁裂隙。水泥胶结物具有很高的抗压强度，因此进入孔壁裂隙后对煤层结构有改善作用，有利于提高钻孔周边煤体的抗压强度，对煤体产生加固作用。当然，水泥最常见的问题是“干缩”，“干缩”将产生裂隙。“干缩”的原因是保证材料和易性的水分流失。如果在材料中加入适量减水剂，就可以解决“干缩”问题，这种方法在路桥等诸多行业已经广泛应用。如果在材料中再加入适量膨胀剂，不仅能进一步抵消“干缩”影响，而且使材料在凝结过程中产生微膨胀。这种微膨胀在封闭的空间内将转化为压力。据实测，体积膨胀率达到2%时，产生的压力可达1 MPa，此压力值足以保证材料进入并充填孔壁裂隙，从而起到堵漏气的作用。

2 无机封孔材料试制实验

解决问题的思路确定以后，太原理工大学与景福煤矿相关人员综合考虑注浆机具性能、一次制浆量、单孔注浆所需时间及初始抽采时间等因素，共同拟定了无机封孔材料目标技术参数（如表1所示），委托太原市天鼎恒砼外加剂科技发展有限公司开展试制实验。天鼎恒砼公司采用混凝土外加剂自动配方系统，录入主要试验原料技术指标和试制目标材料技术参数后，系统自动生成了配方结果。主要试验原料技术指标如表2、3、4所示，系统自动生成配方结果如表5所示。试制人员按配方配制材料10 kg，交由有资质的实验室进行技术参数检测，检测结果如表6所示。

由表6可知，初凝时间、终凝时间两项指标基本满足目标技术参数要求，材料抗压强度和体积膨胀率两项指标没有达到预期效果。通过对表5、6的综合分析，试制人员加大了水泥、石英砂的用量，尤其大幅度增加了膨胀剂的用量，二次配方结果如表7所示。试制人员按二次配方配制材料10 kg，交由实验室进行技术参数检测，检测结果如表8所示。

由表8可知，初凝时间、终凝时间、材料抗压强度和体积膨胀率四项指标均满足目标技术参数要求。试制人员按二次配方配制材料100 kg，与景福煤矿相关人员进行井下现场试验。现场试验过程中发现砂浆有离析现象。试制人员认为离析现象主要是由于砂浆黏稠度不足引起的，于是增加引气剂和纤维素的用量，再次对配方进行了调整，改进后的配方如表9所示。第二次井下现场试验时，砂浆没有发生离析现象，泵送条件大为改善。实验室对第三次配方材料进行了技术参数检测，检测结果如表10所示。

3 无机封孔材料现场应用及效果检验

无机封孔材料试制成功后，景福煤矿在15103工作面回风顺槽进行了试验应用。15103工作面煤层厚度3.8～4.0 m，煤层倾角5°～12°，地质条件简单；煤层直接顶为太原组灰岩，厚度1.5～1.8 m；老顶为砂质泥岩，厚度4.5～5.8 m；直接底为砂质泥岩，厚度3.5～4.0 m。该工作面煤层瓦斯压力0.3～0.5 MPa，瓦斯含量6.5～7.8 m3/t。

15103工作面回风顺槽长度700 m，无机封孔材料试制成功后已掘进500 m。抽采瓦斯钻孔滞后于掘进工作面100 m施工，钻孔垂直于巷帮布置。先期施工的400 m巷道内192个抽采瓦斯钻孔封孔材料采用聚氨酯AB液混合药包；以后施工的300 m巷道内144个抽采瓦斯钻孔采用“两堵一注”封孔方式，即封孔段两端先用聚氨酯AB液混合药包封孔，随后在两段药包之间注入无机封孔材料，“两堵一注”封孔工艺如下图1所示。

景福煤矿根据封孔方式的不同，将15103工作面回风顺槽内336个钻孔分为两组，分别对抽采瓦斯浓度、抽采瓦斯流量进行了为期3个月的观测。第一组192个钻孔采用聚氨酯封孔，平均抽采瓦斯浓度为12.8%，单孔平均抽采瓦斯流量为0.005 1 m3/min。第二组144个钻孔采用“两堵一注”封孔方式，平均抽采瓦斯浓度为26.5%，单孔平均抽采瓦斯流量为0.006 8 m3/min。根据对抽采瓦斯浓度、抽采瓦斯流量观测报表的分析，还发现两组钻孔存在以下现象，随着时间的推移，第一组钻孔瓦斯浓度衰减比较明显，第二组钻孔瓦斯浓度比较稳定；而瓦斯流量衰减速度第二组钻孔明显要大于第一组钻孔，第二组钻孔第50 d左右测定的单孔平均瓦斯流量与第一组钻孔第80 d左右测定的单孔平均瓦斯流量相当，之后呈快速下降趋势。这些现象说明，“两堵一注”封孔方式钻孔所需的抽采时间可以比聚氨酯封孔钻孔节约至少30 d左右。

4 结束语

景福煤矿瓦斯抽采钻孔无机封孔材料试制及应用实践说明，无机封孔材料能大幅度地提高瓦斯抽采效率，抽采瓦斯浓度高，可以节省抽采时间，符合煤矿高产高效发展要求，是新型封孔材料的发展方向。无机封孔材料试制过程最终确定的材料配方，满足抽采瓦斯对封孔材料技术参数的要求，具备了进一步推广使用的条件，可以作为定型产品批量生产。

「1」山西国辰建设工程勘察设计有限公司.阳煤集团寿阳景福煤业有限公司兼并重组整合项目矿井瓦斯抽采初步设计[R].山西国辰建设工程勘察设计有限公司，2010.

「2」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，2010.

「3」中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50119-2013混凝土外加剂应用技术规范[S].中华人民共和国建设部，2014-08-01.

Trial Production and Application of Inorganic Sealing Material for Boreholes in Gas Drainage in Jingfu Mine

CHEN Zhong1，3,TIAN Guoping2,QIAO Shuming3
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Tianding Hengtong Admixture Technology Co.,Ltd.Taiyuan 030008,China; 3.Shouyang Jingfu Coal Co.,Ltd.,Yangquan Coal Group,Shouyang 045400,China.)

To solve the poor quality of boreholes in gas drainage,large leakage rate,low extraction concentration,and other problems,a new inorganic sealing material was trial-produced in Jingfu Mine.On the data from the trial production and experiment of the new material,the effect of each component on the material was studied to provide the evidence for the final determination.The effect test on sealing showed that mean gas concentration increased from 12.8%to 26.5%.

gas drainage;air leakage;inorganic sealing material;trial production

TD712.63

A

（编辑：薄小玲）

2014-11-03

陈忠(1969-)，男，山西平遥人，在读工程硕士研究生，高级工程师，从事煤矿瓦斯治理技术工作。