本煤层带压封孔技术装备研究及其应用

卢红奇，邓增社，徐文全，胡魏魏，邓广哲(1.陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安 710065；2.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710065；.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

本煤层带压封孔技术装备研究及其应用

卢红奇1，2，3，邓增社1，2，徐文全1，2，胡魏魏1，2，邓广哲3
(1.陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安 710065；2.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710065；3.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯问题的根本手段。在分析煤层钻孔应力分布的基础上，研究了带压封孔技术封堵钻孔裂隙的基本原理，并结合“两堵一注”工艺，研制了新型带压封孔装置，并对装置进行实验，结果表明该设备能够满足注浆压力0.5 MPa要求。通过理论分析确定了大佛寺煤矿40118工作面最佳注浆压力为0.4 MPa和最佳封孔长度为12 m，经现场验证带压封孔技术抽采瓦斯浓度较常规封孔工艺提高50%以上，有效地保障了工作面的安全开采。

带压封孔；抽采；本煤层；囊袋；裂隙

随着我国煤炭资源的开发，浅部资源面临枯竭，目前多数矿区已进入深部开采。随着煤炭开采的逐渐向深部延伸，煤层出现高应力、高瓦斯、高松软等特点[1]，同时煤层瓦斯含量也随之增大，极大地影响煤矿安全高效开采。抽采作为治理瓦斯的根本手段[2-3]，而封孔质量是影响抽采效果的关键因素之一、对工作面治理瓦斯具有重要的影响。

目前，对于煤层瓦斯抽采钻孔而言，广泛采用“两堵一注”封孔工艺，且多采用聚氨酯作为封孔材料，但由于聚氨酯不能充分充填钻孔周围的裂隙、对钻孔无支撑作用，使得瓦斯抽采浓度较低[4]。为此，许多专家对封孔方法进行研究，提出不同的封孔工艺，如周福宝等[5]和李文树等[6]提出的二次封孔法，郑春山等[7]和Zhang et al[8]提出的双阶段注浆封孔方法，张明杰等[9]提出的径向强力膨胀法封孔技术，取得了较好的效果。尤其是带压封孔技术的实现[10-13]，能够明显提高煤层瓦斯抽采效果，但存在着操作复杂等因素。

本文通过对带压封孔和“两堵一注”原理进行分析，研制新型带压封孔设备，并对带压封孔关键参数进行分析，为改善目前封孔操作复杂、钻孔抽采瓦斯浓度低的情况提供参考。

1 带压封孔机理

煤层抽采钻孔由于受到采动应力的影响，由煤壁向煤体深部会形成卸压区、应力集中区和原始应力区。同时，钻孔周围煤体由于应力变化，会形成破裂区、塑性区和弹性区，如图1所示[2-3]。在破裂区域，由于钻孔对应力的释放会形成大量的裂隙，瓦斯会从裂隙中逸散从而影响抽放效果，这些裂隙是造成钻孔漏气最为重要的因素。因此，封堵钻孔周围破裂区裂隙是提高钻孔瓦斯抽采效果的有效途径。

带压封孔技术是利用带压注浆的方法将封堵浆液注入钻孔以达到改善煤体力学性质和封堵裂隙的目的。该技术通过使用采用聚氨酯等膨胀材料在抽采钻孔中形成一段封闭区域，然后使用注浆泵带压将水泥浆等注浆材料注入抽采钻孔封闭区域，注浆材料在注浆压力的作用下进入煤体裂隙，凝固后与煤体相结合，从而钻孔周围破裂区裂隙得到有效封堵，提高钻孔瓦斯抽采效果。其封孔前后示意图如图2所示。

图1 钻孔周围煤体应力分布

2 带压封孔设备研发

2.1 带压封孔设备研发

根据带压封孔技术原理和“两堵一注”封孔工艺，设计出新型带压封孔装置，其结构如图3所示。其实施过程为：通过机械扣压方式将过水不过浆的囊带扣压在抽采管路上，然后注入速凝膨胀水泥浆液等使钻孔密封段形成有效密闭空间，再向密闭空间注入带压水泥浆体等进行密封。

图2 钻孔带压封孔前后示意图

图3 带压封孔装置示意图

该带压封孔装置技术原理为：在封孔之前，通过机械扣环方式将囊带扣压在抽采管路上送入抽采钻孔中，然后调节控制阀、打开注浆泵，使带压的水泥浆体首先沿3#注浆管进入2#囊袋中，待2#囊袋注满后调节控制阀，使水泥浆体沿1#注浆管进入1#囊袋，待1#囊袋充满后，停止注浆，待1#囊袋内浆体内稍许凝固后，再次向1#囊袋注浆，从而避免浆体出现“月牙状”。待1#囊袋、2#囊袋内浆体充分凝固后再次调节控制阀向囊带中间的密封空间带压注浆，直至充满空间。本实验所采用的囊袋长度为1 m。

2.2 带压封孔设备实验

囊袋是带压封孔装备的关键。本次所用囊袋材料为阻燃、抗静电的加筋机织布，具有拉伸强度高、耐磨损、耐腐蚀、挡矸等特点。机械扣压前后囊袋如图4所示。

为了分析机械扣压效果及囊袋膨胀性，在实验室对囊袋性能进行研究，本次实验注浆泵压力为0.5 MPa。实验结果如图5所示，其中a为注浆压力0.5 MPa情况下囊袋膨胀性实验，b为注浆压力0.5 MPa情况下机械扣压环情况。在实验过程中，随着注浆进行，囊袋随着浆体的注入开始膨胀，径向变化增大。当注浆压力达到0.5 MPa时，囊袋成不规则柱性且未发生漏浆情况，扣压处并未漏浆。从图5可以看出，当注浆压力0.5 MPa时，囊袋未发生破损，机械扣压环仍完好，且水泥浆液凝固后囊袋并无破损，说明该装备能够在0.5 MPa注浆压力下起到封堵作用。

图4 机械扣压前后囊袋

图5 带压封孔装备实验

3 现场试验

3.1 工作面情况

现场试验在大佛寺煤矿40118工作面，该工作面主采4#煤层，煤的坚固性系数约为3，工作面瓦斯含量为2.9～3.2 m3/t，平均煤层厚度为11.65 m，煤层透气性系数约为0.25 m2/(MPa2·d)，煤层倾角为3～5°。该工作面主要采用采前预抽(本煤层扇形钻孔预抽与倾向钻孔采前预抽)、高位钻孔，同时在上隅角采用埋管抽采。

3.2 合理封孔长度及注浆压力确定

3.2.1 合理封孔长度确定

根据钻屑理论，巷道围岩应力的变化会引起钻孔应力的重新分布，从而影响钻孔钻屑量。由于巷道应力的变化，使得钻孔向煤体深部发展可分为卸压区、应力集中区和原岩应力区。在卸压区，钻屑量基本保持不变，在应力集中区钻屑量逐渐增大并在应力峰值处达到最大，之后一直下降并达到固定值[14-15]。

根据钻屑法的要求，在40118工作面煤壁实施三个钻孔，每个钻孔间距5 m，钻孔直径为42 mm，钻孔深度为15 m，每钻进1 m测试一次钻屑量，3个钻孔钻屑量如图6所示。从图6可以看出，钻孔1～5 m之间钻屑量逐渐增加，但增加幅度较小。6～12 m之间钻屑量增加明显，尤其是10～12 m之间钻屑量较大，12～15 m之间减小但仍比1～5 m之间的钻屑量大。因此，可以判定，1～5 m为卸压带，6～14 m为应力集中带，其中10～12 m为最佳封孔位置。因此，本次封孔长度为12 m。

图6 钻孔钻屑量变化

3.2.2 注浆压力的确定

注浆压力的确定对于带压封孔技术是至关重要的。根据中国水利水电科学研究院建立的非牛顿流体在光滑裂隙面内的扩展方程[16]，得出了浆体扩散半径R与注浆压力PG、浆液黏度μ及注浆时间T的关系，见式(1)。

(1)

式中：P0为裂隙内地下水压力，Pa；δ为裂隙或孔隙的宽度，cm；r0为钻孔半径，cm，由于煤孔的不均匀性，r0=mr/2，m为钻孔不均匀系数，r为钻孔理论孔径。

对式(1)进行移项变化，得出注浆压力PG的表达式，见式(2)。

(2)

由于现场条件的变化，现场应用的注浆压力需将计算出的注浆压力乘以冗余系数，一般取1.2，见式(3)。

P注=λPG

(3)

式中λ为冗余系数。

根据大佛寺煤矿40118工作面抽采钻孔具体情况可知，抽采钻孔孔径为113 mm，根据钻孔半径r0=mr/2可计算出，r0=68 mm，425水泥浆液(水灰比2∶1)可注入裂缝宽度为0.05 cm[17]，浆液黏度为13.5 mPa·s，浆体扩散半径最大为0.68 m(10倍孔径[12])，注浆时间约为15 min。根据以上参数可得PG=0.3 MPa。根据式(3)可知，注浆压力P注=0.36 MPa。同时考虑现场情况和注浆泵性能，本次注浆压力为0.4 MPa。

3.3 抽采效果考察

根据前述带压封孔装备原理，在40118工作面进行试验，封孔长度均为12 m，1#孔采用传统封孔工艺，2#孔采用注浆压力0.2 MPa封孔工艺，3#～5#孔为采用注浆压力0.4 MPa封孔工艺。钻孔抽采负压为2～5 kPa，钻孔长度为120～160 m，倾角为10～15°，各个钻孔瓦斯抽采浓度如图7所示。

图7 1#～5#钻孔瓦斯抽采浓度对比

从图7中可以看出，1#钻孔采用常规封孔工艺后，在初始16 d抽采时间内，钻孔瓦斯抽采浓度较低，平均瓦斯浓度约为30%左右，这是由于常规封孔工艺下钻孔裂隙无法得到有效封堵，在负压抽采条件下外界空气进入钻孔中导致抽采浓度较低。2#钻孔注浆压力平均为0.2 MPa，钻孔瓦斯抽采浓度明显较1#孔高，平均瓦斯浓度为70%，说明在注浆压力0.2 MPa时钻孔裂隙得到有效封堵。3#钻孔、4#钻孔和5#钻孔注浆压力为0.4 MPa，其抽采瓦斯浓度较0.2 MPa时高，平均抽采万浓度为81%、82%和85%，比常规封孔工艺瓦斯抽采浓度高51%～55%左右，较注浆压力0.2 MPa时高10%以上，明显提高了钻孔瓦斯抽采浓度。

4 结 论

1)钻孔由于受应力影响，会产生破碎区、塑性区和弹性区，带压封孔即是带压注浆来达到封堵钻孔裂隙的目的。

2)根据带压封孔和“两堵一注”原理，设计新型带压封孔装置，即利用机械扣压方式将囊袋固定在抽采管路上，然后利用注浆泵依次向囊袋和密封空间带压注浆。通过对该设备进行实验，结果表明该设备能够满足注浆压力0.5 MPa需求。

3)根据大佛寺煤矿40118工作面情况，得出其合理封孔长度为12 m和最佳注浆压力为0.4 MPa，通过在现场试验表明带压封孔技术较常规封孔工艺提高钻孔瓦斯抽采浓度50%以上，取得了明显的效果。

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Research and application of pressurized sealing borehole equipment in mining seam

LU Hongqi1，2，3，DENG Zengshe1，2，XU Wenquan1，2，HU Weiwei1，2，DENG Guangzhe3

(1.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China；2.National & Local United Engineering Research Center of Green Safety Efficient Mining，Xi’an 710065，China；3.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Gas drainage is a fundamental method of solving gas disasters of coal mine.Based on stress distribution features of borehole，the sealing mechanism of pressurized sealing technology was analyzed.Combined with the “two sealing and one grouting” technology，the new pressurized sealing equipment was developed.The experimental result showed that the equipment couldmeet the demand of 0.5 MPa grouting pressure.With the theoretical analysis，the technical parameters of 40118 mining face in Dafosi coal mine were obtained，the best grouting pressure was 0.4 MPa，and the reasonable sealing length was 12 m.The field test showed that the pressurized sealing technology could improve the gas drainage content by 50%，and the technology could ensure safety mining.

pressurized sealing；gas drainage；mining seam；capsular bag；crack

2016-11-17 责任编辑：赵奎涛

陕西省工业科技攻关项目资助(编号：2016GY-176)

卢红奇(1988-)，男，河南周口人，工程师，博士，现从事煤岩动力灾害研究工作，E-mail:cumtblhq@163.com。

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1004-4051(2017)06-0112-04