两种不同抽采钻孔封孔工艺应用及效果研究

廉振山，赵 晶，张志荣

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)



两种不同抽采钻孔封孔工艺应用及效果研究

廉振山1,2，赵 晶1,2，张志荣1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

通过对聚氨酯封孔袋和新型膨胀材料与聚氨酯封孔袋结合的“两堵一注”式封孔工艺的对比，得到在相同封孔工艺和抽采负压条件下，封孔深度为8m时，“两堵一注”式封孔工艺能够避免巷道扰动产生的裂隙卸压对抽采钻孔封孔段的影响，保证良好的抽采效果。在抽采负压和封孔深度相同的条件下，考察2种工艺的抽采效果，得知“两堵一注”式封孔工艺的瓦斯浓度始终高于聚氨酯式封孔工艺，尤其抽采后期瓦斯浓度高了1倍以上，封孔效果更好。

瓦斯抽采；封孔工艺；聚氨酯封孔袋；新型膨胀材料

瓦斯抽采是目前煤矿瓦斯治理的主要手段，抽采效果的好坏直接决定着煤矿生产的安全和高效。在瓦斯抽采过程中， 由于受到煤层塌孔和涌水、抽采系统漏气和积水、封孔工艺和质量等多种因素的影响，往往出现抽采浓度偏低，抽采效果较差，预抽时间较长等问题。而在诸多影响因素中，钻孔的封孔工艺和质量作为一次性隐蔽工程，起着决定性的作用[1-2]。目前，我国煤矿使用的封孔工艺有：聚氨酯封孔法、水泥砂浆封孔法、囊袋式封孔法、“两堵一注”带压封孔法等[3-5]。本文对目前煤矿使用最多的聚氨酯封孔袋和新型膨胀材料和聚氨酯封孔袋结合的“两堵一注”式封孔工艺进行了对比分析，得到了2种封孔方式的抽采效果。

1 2种封孔工艺说明

1.1 聚氨酯封孔袋封孔工艺

聚氨酯封孔袋是新型无机与有机复合材料，将A,B两种配料按1∶1的比例封装在2个中间隔离的特殊复合铝膜袋内，混合膨胀后会生成树脂泡沫，能渗入煤(岩)壁缝隙，可充分封堵煤(岩)壁的裂隙。该种材料结构致密、渗透性强、强度高、韧性强、密实性好，成型后具有较高的硬度，保证封孔效果。同时，使用时无需配比，定向膨胀，操作简便，快速高效，节省材料。具体技术参数见表1。

表1 聚氨酯封孔袋A，B配料技术参数

聚氨酯封孔袋封孔流程：

(1)将聚氨酯封孔袋的前段用通明胶带捆绑在封孔管上，捆绑方式有2种：第1种在同一位置捆绑2袋封孔袋，对称摆放；第2种在不同位置捆绑1袋封孔袋，交错摆放。

(2)捆绑结实后(确保膨胀方向指向孔口，以防反向堵塞封孔管)，用手握住反应袋的任意一端，向反应袋的中间用力挤压液体，A，B料混合反应膨胀撑开中间的热封处，或拔掉隔离密封夹。

(3)撑开后挤压揉捏摇晃反应袋多次，使2种液体充分混合均匀。

(4)液体充分混合后，迅速将封孔管送入钻孔的指定位置，材料在5min左右撑破铝膜袋，并向钻孔内和煤(岩)壁缝隙渗透，在10min左右完全凝固，封孔完毕。

1.2 “两堵一注”式封孔工艺

“两堵”是指采用前述的聚氨酯封孔袋堵住封孔管前后两端；“一注”是指对中间空腔注入新型膨胀封孔材料[6]。选用中国矿业大学和徐州博安科技发展有限责任公司共同开发的一种PD新型封孔材料，该材料在钻孔内会发生体积缓慢膨胀，同时浆体强度不断增加至柔软固体程度，在膨胀过程中会向钻孔周边裂隙逐渐渗透封堵，使得材料与煤体紧密粘合在一起，封堵煤(岩)体裂隙，封孔效果更好[7]。新型膨胀材料技术参数见表2。

表2 新型膨胀材料技术参数

封孔工艺设备主要由注浆泵、注浆管、返浆管、聚氨酯封孔袋、PD新型膨胀封孔材料和瓦斯抽采管等组成[8]。封孔流程：

(1)计算所需浆液量 根据封孔孔深h、孔径r1、封孔管管径r2，计算封孔注浆体积V。 PD材料按照一定比例混合后的密度是1.8kg/L，计算出浆液的总重量，再根据水灰比计算出所需混合水灰重量。

(2)排渣 清除抽采钻孔封孔段内的大块煤渣，将封孔管带花眼的一端放在最前端。

(3)前端堵头 将准备好的2袋聚氨酯封孔袋用透明胶带缠绕在抽采管上，与花眼保持一定的距离，并使封孔袋自动撑开的一面对着浆体将要流出的方向，防止材料将花眼堵死。混合均匀撑开封孔袋后，将封孔管送入孔内指定位置。

(4)后端堵头 按步骤3将封孔管后端封堵严实，并将注浆管、返浆管一并送到要求的位置。

(5)注浆 待聚氨酯反应完全凝固后，使用配套的注浆软管将注浆泵的出料口和注浆管连接；启动注浆设备，开始注浆。

(6)返浆保压 当浆液从返浆管流出时，关闭返浆管，观察注浆泵的压力表，当压力维持在1～2MPa时，持续30min进行保压后，停止注浆，封孔完毕。

2 现场实验研究及效果分析

宏岩煤矿为高瓦斯矿井，目前开采9+10号煤层，瓦斯含量12.51m3/t，煤层平均倾角7°，平均厚度6.3m，煤层透气性系数λ为0.238～0.512m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数a为0.018～0.031d-1，属于可以抽采范围，煤的坚固性系数f为0.3～0.54。

试验地点选在胶带下山450m处，该区域煤层赋存稳定，周围煤体未受到开采扰动。通过对2种封孔工艺不同封孔深度的对比，分析出不同封孔深度下，同种封孔工艺的抽采效果差异，以及相同封孔深度下，不同封孔工艺的抽采效果差异。具体钻孔参数见表3。

表3 钻孔施工参数

每5个钻孔作为一组进行标准化连孔，孔口安装铜嘴以便观测单孔浓度和负压，每组安装1个孔板流量计以便观测抽采量等，安装1个放水器以便及时清除钻孔管路积水。每组钻孔严格按照封孔工艺操作，保证封孔质量，施工完毕后应及时接抽，并每天观测单孔和每组的抽采参数，观测时间为60d。为了均衡各钻孔的差异，每种工艺取其平均值，抽采负压在20kPa左右，每组钻孔不同封孔工艺和深度下瓦斯抽采浓度随时间变化关系如图1至图4所示。

图1 封孔深度8m两种封孔工艺下浓度对比

图2 封孔深度12m两种封孔工艺下浓度对比

图3 “两堵一注”封孔不同封孔深度下浓度对比

图4 聚氨酯封孔不同封孔深度下浓度对比

从图1和图2可以看出，在封孔深度为8m和12m时，在相同的抽采负压条件下，2种封孔工艺抽采瓦斯浓度的变化曲线趋势是一致的，总体呈下降趋势，且不论封孔深度为8m还是12m，“两堵一注”式封孔工艺的瓦斯浓度始终高于聚氨酯式封孔工艺。但两者瓦斯浓度下降的速率存在一定差异，抽采初期20d内，2种封孔工艺封孔效果很好，平均抽采浓度能达到70%以上。但20d以后，聚氨酯封孔袋封孔工艺出现了瓦斯迅速衰减，浓度持续降低，说明聚氨酯长时间使用后会出现收缩，不能对煤体裂隙充分封堵严密，加之钻孔周围煤体受地应力的持续作用，形成新的裂隙空间，原有的封孔材料不能对新的裂隙封堵，造成了浓度不断降低。而“两堵一注”式封孔工艺瓦斯抽采浓度衰减缓慢，且浓度较高，比聚氨酯封孔袋封孔工艺浓度高了1倍以上，说明新型膨胀材料在保压作用下，体积不会随着时间的推移而变形，在钻孔初始的裂隙内渗透延伸扩展的范围较大，形成一个较强的支撑体，保护钻孔形成较少的裂隙，从而使封孔效果更好，抽采瓦斯保持较高浓度。

从图3和图4可以看出，“两堵一注”式封孔工艺的瓦斯浓度始终高于聚氨酯式封孔工艺，说明“两堵一注”式封孔工艺封孔质量更好。另外，在相同封孔工艺和抽采负压条件下，封孔深度分别为8m和12m时，抽采瓦斯浓度基本保持一致，变化较小，说明在试验区域内封孔深度为8m时，“两堵一注”式封孔工艺能够避免巷道扰动产生的裂隙卸压对抽采钻孔封孔段的影响，保证良好的抽采效果。

3 结 论

(1)聚氨酯封孔袋将桶装配料进行改进，直接将A，B配料按比例封装在独立封孔袋内，无需人工配比，操作更简便，效果更可靠。

(2)新型膨胀材料相对于普通水泥，膨胀后生成树脂泡沫，能够渗入煤(岩)壁缝隙，强度高、韧性强，能够长时间内保持良好的密实性，保证封孔效果。

(3)在试验区域内，封孔深度为8m时，能够避免巷道扰动产生的裂隙卸压对抽采钻孔封孔段的影响，保证良好的抽采效果。

(4)新型膨胀材料与聚氨酯封孔袋结合的“两堵一注” 式封孔工艺抽采的瓦斯浓度始终高于聚氨酯式封孔工艺，说明其封孔质量更好。尤其利用膨胀材料的二次封堵，避免了聚氨酯长时间后的体积收缩变形，抽采后期比聚氨酯封孔袋封孔工艺浓度高了1倍以上，封孔效果更好。

[1]秦江涛，杨 春，庞 成，等.A-B胶封孔工艺在煤矿顺层抽采钻孔中的应用性试验[J].矿业安全与环保，2013，40(6)：77-78.

[2]张 健，荣向东.瓦斯抽放钻孔封孔工艺改进及效果检测研究[J].煤炭工程，2012，44(10)：33-35.

[3]张宏杰.王坡煤矿瓦斯预抽钻孔封孔工艺优化研究[J].煤炭与化工，2015，38(5)：80-82.

[4]李文树，陈久福，龙建明，等.瓦斯顺层抽采钻孔封孔工艺改进研究[J].煤炭科学技术，2013，41(8)：161-162.

[5]陈永庆.本煤层瓦斯预抽钻孔封孔工艺实践及分析[J].山西焦煤科技，2015，8(8)：8-10.

[6]韩军军，王 柱，张志强，等.“两堵一压”封孔工艺在本煤层顺层抽采钻孔应用与效果分析[J].煤矿开采，2015，20(3)：118-119.

[7]涂克谦，张连军，杜泽生，等.PD 材料保压式封孔工艺[J].煤矿安全，2012，43(8)：59-61.

[8]周成刚，王佰顺.松软破碎岩层“两堵一注”式带压注浆封孔工艺研究与应用[J].煤炭技术，2016，35(2)：206-208.

[责任编辑：施红霞]

Application of Two Different Drainage Hole Sealing Process and Effect

LIAN Zhen-shan1，2，ZHAO Jing1，2，ZHANG Zhi-rong1，2

(1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China)

According comparison two different sealing process that polyurethane sealing bag and ‘two stopping and one injection’ sealing process with new expanding material and polyurethane sealing bag combined，under the same sealing process and drainage negative pressure condition，sealing depth is 8m，‘two stopping and one injection’ sealing process could avoid influence to sealing section of drainage hole by fractures unloaded that generated by roadway deformation，and drainage effect could be assured.The drainage effect of different two process under the same condition of drainage negative pressure and sealing hole depth，the methane density was all larger with ‘two stopping and one injection’ sealing process than polyurethane sealing process，methane destiny was improved one time at the last step of drainage process，sealing results was good.

methane drainage；hole sealing technique；polyurethane sealing bag；new style expanding material

2016-04-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.023

国家科技重大专项：近距离高含气量煤层群煤层气开发利用技术集成与示范(2016ZX05067005-005)；国家自然科学基金项目：煤层群开采的多次采动应力与瓦斯压力演化的响应机制研究(51604154)

廉振山(1986-)，男，辽宁海城人，助理研究员，硕士，研究方向为煤矿瓦斯灾害防治方面。

廉振山，赵 晶，张志荣.两种不同抽采钻孔封孔工艺应用及效果研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：81-83.

TD712

A

1006-6225(2016)06-0081-03