厚煤层顺层长钻孔封孔新工艺瓦斯抽采技术

曹学军++李军舰++赵勇

摘要：为解决潘三煤矿顺层钻孔封孔不严造成消突效果差和CO超标的问题，结合矿井煤层实际情况，提出了一种新封孔工艺瓦斯抽采技术，此项技术包括选择初凝时间可调、流动性强的速凝膨胀封孔剂，带压封孔以及增加封孔长度等措施。经1762（3）综采工作面现场实践证明，顺层钻孔抽采浓度大幅增加，CO超标现象明显减少，封孔效果良好。

关键词：顺层钻孔；封孔；瓦斯抽采

中图分类号：TD712.6文献标志码：B

文章编号：1672-1098（2015）01-0035-04

潘三矿的13煤、11煤等突出危险区综采工作面回采前均采用顺层钻孔预抽消突，因抽采浓度低，合茬抽采后单孔浓度普遍在15%以下，而且衰减后，下降到5%～10%，还经常出现CO达到或超过24×10-6，造成90%以上钻孔间歇性抽采。为尽早实现工作面预抽达标，我矿采取将顺层钻孔施工间距由10 m加密为5 m，甚至25 m，靠增加钻孔量或延长抽采时间提高抽采量。不仅费时费力费财，还因为抽采出现CO存在自然发火重大安全隐患，不能实现快速安全消突。

经分析顺层长钻孔停抽原因，主要是封孔不严，封孔工艺不过关造成钻孔漏气，钻孔在煤层中施工，周围煤体相对比较松软，裂隙发育程度较高，传统封孔工艺很难解决抽采漏气问题[1]。钻孔漏气导致单孔瓦斯浓度衰减快[2]，而且强抽易引起煤体提前氧化，出现CO。为了达到抽采浓度最大化、抽采时间持续化，最终实现采煤工作面快速消突，在1762（3）综采工作面顺层钻孔实施新工艺封孔抽采技术。

1工作面概况

1762（3）工作面标高-640～-584 m，处于13煤突出危险区域，瓦斯原始压力25 MPa，瓦斯含量82 m3/t。轨道顺槽及切眼采用底板巷穿层钻孔掩护，运输顺槽为沿空掘进。工作面走向长度为870 m，倾斜长度为242 m，煤层平均厚度为4m， 工作面内煤层角度6°～11°， 平均为7°。 工作面回采前， 采用顺层长钻孔预抽消突， 分别在轨、 运顺垂直巷帮开孔， 相向施工， 间距10 m，轨顺设计81个，长110 m，为下向顺层孔。运顺设计80个，长140 m，为上向顺层孔（见图1）。

选择1792（3）工作面为比对面，主要是1762（3） 工作面与1792（3）工作面属于同采区同煤层，工作面消突措施相同。

图11762（3）工作面钻孔布置示意图

2创新顺层长钻孔封孔新工艺

封孔新工艺主要特点：选择初凝时间可调，流动性强的速凝膨胀封孔剂；实现带压封孔，注浆压力达到2 MPa，对钻孔周边松散的煤体和裂隙加强密封；增加封孔长度，由12 m加长为14 m，以减少穿层钻孔影响；加强现场组织管理，确保封孔质量。

21封孔材料选择

以往潘三矿顺层长钻孔，采用聚氨酯有机发泡材料作为封孔剂进行封孔。应用实践中发现，抽采效果不够理想。主要表现在，一方面，抽采瓦斯浓度低，抽采效果差，影响了消突效果；另一方面，抽采钻孔CO超标，甚至出现过钻孔发火的现象。

出现这些现象的原因在于，封孔效果差，出现抽采钻孔漏气。而造成聚氨酯封孔漏气的原因在于以下两个方面：一方面，顺层钻孔的孔口段处在巷道的塑性破坏范围内，煤体完整性差，裂隙和节理发育，具有一定的渗透性；另一方面，聚氨酯封孔剂，初凝时间难以调节，封孔长度不易控制，聚氨酯反应速度太快，不能使钻孔周边松散煤体和缝隙得到充分密封[3]。

为了提高顺层钻孔的密封性，需要找到一种新型的封孔材料。新型的封孔材料必须具备以下特点：初凝时间可调，封孔长度容易控制，材料的流动性强，能够渗流到钻孔周围的裂隙中，充分密封钻孔。通过比较多种具有类似这种特性的材料，并经过多次密封试验，最后确定选用JD-WFK-2型速凝膨胀水泥封孔剂，作为新的封孔材料。

该速凝膨胀封孔剂外观为灰色粉末，无毒、无污染、无腐蚀性。将材料按比例1：1兑水施工，制料过程中发生单纯的物理络合反应，反应不剧烈，无明显热量放出，无有毒有害气体生成。该封孔剂初凝时间可调，封孔长度容易控制，流动性强。该封孔剂的膨胀系数为08%～12%，凝固膨胀后不析水，密实性好。在封孔时，采用带压注射，封孔剂能够渗流到钻孔周围煤体的裂隙内，能够显著提高钻孔的封孔质量。

22封孔工序

221扫孔下套管前，利用压风，通过钻杆，将封孔段内的煤粉全程清扫干净。

22.2下套管及堵孔

采用2 m花管、12 m实心双抗管和2 m实心铁管，连接成抽采管。花管放置在钻孔前段，双抗管与花管连接。双抗管前端2 m包裹棉纱与聚氨酯混合物，并用铁丝固定。将底部敷设棉纱的双抗管送至孔中预定深度后，反复抽动双抗管路，使底部棉纱与孔壁充分接触，形成前端封堵段。在前端封堵段后，铺设两路钢管，分别做为注浆管和返浆管，两路钢管在孔口处外露03 m。注浆管长度40 m；若为上向钻孔，则返浆管长12 m；若为下向钻孔，则返浆管长度为40 m。在孔口段，采用速凝膨胀封孔材料或聚氨酯进行封堵，封堵深度15 m，凝固时间10 min。封孔段配置两路铁管，在孔口安设球阀，外露300 mm，分别做为注浆管和返浆管，注浆管长4 m，返浆管上向孔长12 m，下向孔长4 m（见图2）。

图2顺层钻孔封孔工艺图

223压注封孔材料

采用型号OZB-50-6风动注浆泵注浆，将速凝膨胀封孔剂与水按1∶1比例混合后注入孔中，当预埋返浆管有浆液流出时，钻孔内浆液已满， 此时关闭返浆管路球阀继续注

浆。经过反复试验，确定了带压注浆的压力和时间最佳值，即注浆泵压力达到2 MPa，保持注浆5 min后停止注浆并关闭注浆管，此时钻孔内裂隙已经充分封堵。由于速凝膨胀封孔剂具有凝固膨胀后不析水，膨胀系数高的特点，因此在停泵后，浆液凝固过程中，材料将继续膨胀，充填裂隙，达到密封钻孔的目的（见图3）。endprint

224合茬抽采

待注浆4 h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13～15 kPa。

3抽采效果分析

在1762（3）工作面已成功使用新的封孔工艺封孔139个。封孔后瓦斯抽采数据与1792（3）顺层孔抽采数据对比如表1所示，单孔浓度对比如图4所示，单孔抽采纯量对比如图5所示。

图3顺层钻孔及（下向）封孔效果图

1. 1762（3）运顺钻孔抽采纯量；2. 1792（3）运顺钻孔采纯量

图51762（3）和1792（3）平均单抽采纯量考察图

由表1、图4及图5可看出，新的封孔工艺与老的封孔工艺对比，在相同负压（13 kPa）下钻孔的抽采效果有了很大程度提高，一个月后的抽采浓度由原来10%，提高到25%，增幅达到150%。不仅如此，新的封孔工艺的应用，提高了钻孔的密封性，钻孔因抽采漏气出现CO气体的几率大大降低（见图6），延长了钻孔抽采寿命（见图7）。

图61792（3）和1762（3）顺层孔内CO对比图

图71792（3）和1762（3）顺层钻孔抽采寿命对比图

目前1762（3）顺层钻孔平均抽采时间已持续达两个月以上，单孔平均抽采量005 m3/min，相比1792（3）工作面顺层孔抽采寿命而言，提高了9倍以上。

4结论

通过改进封孔工艺与加强现场管理相结合，潘三矿在1762（3）顺层长钻孔瓦斯抽采浓度和连续抽采时间，相对于以前封孔工艺，两个月后单孔平均抽采浓度，由原来不到10%，提高到25%，增幅达到150%，钻孔因CO浓度大于24×10-6而停抽率由原来74%降为2%，降低了近37倍。

参考文献：

[1]WANG LIANG，CHENG YUAN-PING，LI FENG-RONG，et al.Fracture evolution and pressure relief gas drainage from distant protected coal seams under an extremely thick key stratum [J].Journal of China University o f Mining & Technology，2008，18 （2）：182-186.

[2]王兆丰. 我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J]. 焦作工学院学报：自然科学版， 2003， 22（4）：241-246.

[3]周福宝， 李金海， 昃玺， 等.煤层瓦斯抽采钻孔的二次封孔方法研究[J].中国矿业大学学报， 2009， 38（6）： 64-67.

（责任编辑：何学华，吴晓红）endprint