马兰矿囊袋式注浆封孔技术的应用

王玉豪

(西山煤电集团有限责任公司 通风处，山西 太原 030053)

·试验研究·

马兰矿囊袋式注浆封孔技术的应用

王玉豪

(西山煤电集团有限责任公司 通风处，山西 太原 030053)

针对马兰矿本煤层瓦斯抽采漏气严重，钻孔封堵效果差的问题，采用数值模拟的方法，分析了10610工作面轨道巷侧的应力分布，并结合巷道掘前预抽情况以及抽采管的实际尺寸确定了合理封孔深度为19 m. 介绍了囊袋式注浆封孔技术。通过工程应用得出，囊袋式注浆封孔预抽瓦斯的平均浓度在100天内仍保持为46%，相比之下聚氨酯封孔的瓦斯浓度只有17%，前者封孔取得了良好的抽采效果。

瓦斯抽采；合理封孔深度；囊袋式注浆封孔技术

瓦斯抽采是我国煤矿进行瓦斯灾害预防的重要手段之一，通过预抽赋存于本煤层、临近层、顶底板中的瓦斯可以达到降低瓦斯含量与瓦斯压力的双重目的，进而可以安全掘进与采煤[1-3]. 封孔技术是瓦斯抽采的关键环节，如何提高抽采浓度以及防止巷道中的空气吸入抽采管路是广大工程技术人员首要考虑的封孔难题。

封孔难度在于封孔参数以及封孔技术的优选。研究合理封孔深度常用经验法、钻屑法以及数值模拟等方法[4-6]. 由于每个矿甚至每个工作面差异很大，因此利用临近工作面的经验确定封孔深度不准确而且不合理；钻屑法费工费时，但是能够精准地确定出合理深度；数值模拟方法通过计算机数值计算，确定出巷帮的应力分布状态，是一种低成本高效率的方法。周福宝等为了降低已经封堵的钻孔漏气，采用了超细粉体颗粒对钻孔周围的裂隙进行封堵[7]. 黄鑫业等为了封堵钻孔周围的裂隙，对本煤层钻孔进行分步封堵，达到封堵裂隙的目的[8]. 张超等采用“强弱强”带压封孔技术对本煤层钻孔进行封堵[9]. 翟成等研制出了FG封孔材料和相应的本煤层动态封孔方法[10]. 王志明等针对瓦斯抽采动态的漏气圈特性，将“封堵一体化”装置应用到瓦斯抽采中，取得了良好的抽采效果[11].

笔者针对马兰矿抽采瓦斯浓度低，抽采漏气严重的问题，通过数值模拟的方法研究了马兰矿10610工作面的合理封孔深度，并分析了囊袋式注浆封孔技术在马兰矿的应用效果。研究结果可为同类矿井的本煤层瓦斯抽采提供借鉴。

1 10610工作面概况

10610工作面位于马兰矿南六采区，工作面走向长度975 m，倾斜长185 m，开采山西组2#煤，平均煤厚2.06 m，埋藏深度约为400 m. 煤岩层倾角3°～12°，平均6°，整个工作面陷落柱不发育。煤层及顶底板物理力学参数见表1.

2 关于合理封孔深度的数值模拟

瓦斯抽采封孔深度必须要超过巷道两帮卸压区深度，以防止外界空气经由卸压区裂隙进入抽采管路[12]；另外由于煤体应力峰值点的瓦斯渗透率极低，所以为了避免抽采盲区的出现，封孔深度不得超过应力峰值点。因此，合理封孔深度应该介于卸压区和应力峰值点之间。

利用数值模拟的方法对10610工作面轨道巷两帮的应力分布进行研究，采用Mohr-Coulomb准则(以下简称M-C准则)作为各类岩体的屈服准则，M-C准则式(1)：

表1 煤层及顶底板物理力学参数表

(1)

式中：

σt和σr—分别为岩体单元的切向应力和径向应力，MPa；

φ—岩体内摩擦角，(°)；

C—岩体的内聚力，MPa.

数值模拟结果见图1. 由于煤巷掘进，巷道围岩发生塑性变形，应力出现重新分布。围岩切向应力的分布云图见图1a)，由图1a)可以看出，巷道两帮卸压区为0～6 m，峰值切向应力出现在煤体内10 m处。巷帮径向应力分布云图见图1b)，由图1b)可以看出，在距巷道顶板18 m处以及距巷道底板10 m处出现应力集中。由于巷道开挖，巷道围岩出现塑性区域，该区域在煤层中达到了8 m，见图1c). 根据数值模拟的结果可以初步确定10610工作面轨道巷的封孔深度为8～10 m.

图1 数值模拟结果图

考虑到10610工作面煤巷掘进过程中采用了千米钻预抽掩护掘进的方法，为了防止由于在打钻中出现“串孔”导致钻孔漏气，封孔深度应当大于煤巷掘进的掩护范围。马兰矿10610工作面轨道巷的掩护范围为15 m，因此封孔深度应当大于15 m. 由于马兰矿采用4 m/根的抽采管以及3 m/根的囊袋式封孔器，因此封孔深度可以定为4 m/根×4+3 m，即封孔深度最终定为19 m. 该深度虽然远大于10 m的应力峰值点，但是该应力峰值点是在无掩护钻进的情况下得出的，并且由于掘前的瓦斯预抽，封孔深度定为19 m后的抽采不会导致抽采空白带的出现。

3 囊袋式注浆封孔技术

针对马兰矿采用原封孔方法导致漏气严重，瓦斯浓度低的问题，采用了河南理工大学开发的囊袋式注浆封孔技术并将该技术应用于10610工作面轨道巷的本煤层瓦斯预抽。

囊袋式注浆封孔技术的核心是囊袋式注浆封孔器，两囊袋封孔器见图2. 主要由复合囊袋、安全阀、注浆阀及引流装置等部件组成。

图2 囊袋式注浆封孔器图

囊袋式注浆封孔技术原理为：

1) 将注浆管与引流装置连接好后将两囊袋封孔器放入本煤层钻孔预定的封孔位置，同时准备注浆液。

2) 将准备好的浆液泵入封孔器，膨胀囊袋内部首先充浆，注浆压力下囊袋逐渐膨胀并接触钻孔壁。而后当注浆压力达到0.8 MPa左右时，中间的注浆控制阀自动开启，注浆压力迅速降低至0；之后对两囊袋之间的区域进行注浆，随着浆液注满中间区域，注浆压力再次升高，当压力值达到1 MPa时，安全控制阀开启，注浆封孔结束。

通过囊袋式注浆封孔，钻孔可以充分被封堵，并且注浆压力可以为钻孔壁提供主动支护作用，通过主动支护降低钻孔的漏气圈发育，进而降低钻孔漏气[13].

4 工程应用

将囊袋式注浆封孔技术应用到马兰矿10610工作面本煤层瓦斯预抽，以每个钻孔联管开始抽采为时间基点，统计每个钻孔预抽100天的瓦斯浓度，并对比采用聚氨酯封孔的瓦斯浓度，统计结果见图3.

图3 预抽100天内瓦斯浓度对比曲线图

由图3可以看出，随着预抽期延续，聚氨酯封堵的钻孔瓦斯浓度持续下降，在第100天平均瓦斯浓度降低至6%，而采用囊袋式封孔技术的钻孔瓦斯浓度一直保持较高的浓度，在第100天平均浓度为40%. 并且经过100天的预抽聚氨酯封孔的平均瓦斯浓度为17%，囊袋式注浆封孔技术的平均瓦斯浓度为46%. 由此可以看出，囊袋式注浆封孔技术在10610工作面瓦斯抽采中发挥的效果优于原来的聚氨酯封孔技术。

5 结 论

通过数值模拟以及工程试验的方法研究了合理封孔深度和封孔技术这两个瓦斯抽采中的关键问题，得出以下结论：

1) 马兰矿10610工作面轨道巷的卸压范围为0～6 m，塑性区范围为8 m，峰值应力出现在10 m处，但是考虑到煤巷的掩护式掘进以及抽采管路的尺寸特点将封孔深度定为19 m.

2) 引入囊袋式注浆封孔技术，并结合现场实践介绍了两囊袋封孔器的工作流程。通过工程应用的对比，可以看出囊袋式注浆封孔技术可以有效地封堵本煤层钻孔，预抽100天内的瓦斯平均浓度为46%，远高于聚氨酯的平均瓦斯浓度17%.

[1] 陈冬冬.亚美大宁煤矿定向水平长钻孔预抽煤层瓦斯合理预抽期研究[D].河南理工大学,2011.

[2] 殷民胜,鲁剑波.黄陵矿区瓦斯立体综合预抽技术及实践[A].煤矿瓦斯地质与抽采利用研究—陕西省煤炭学会年会论文集[C].北京：煤炭工业出版社，2012.

[3] 王海东,景立平,曹 宇，等.顶底板抽采巷在高突工作面瓦斯治理中的应用[J].煤矿安全,2012,43(6):102-104.

[3] 王志明.车集矿2705工作面合理封孔深度研究[J].山西焦煤科技,2014(12):21-24.

[4] 丁守垠,李德参.煤层抽放钻孔合理封孔深度的确定[J].淮南职业技术学院学报,2009,9(1):4-6.

[5] 王志明,封海鹏,陈 兵.基于钻屑法顺层钻孔合理封孔深度的研究[J].煤炭技术,2015,34(5):164-165.

[7] 周福宝,夏同强,刘应科，等.二次封孔粉料颗粒输运特性的气固耦合模型研究[J].煤炭学报,2011(6):953-958.

[8] 黄鑫业,蒋承林.本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究[J].煤炭科学技术,2011,39(10):45-48.

[9] 张 超,林柏泉,周 延,等.本煤层近水平瓦斯抽采钻孔“强弱强”带压封孔技术研究[J].采矿与安全工程学报,2013,30(6):935-939.

[10] Zhai C,Xiang X,Zou Q,et al.Influence factors analysis of a flexible gel sealing material for coal-bed methane drainage boreholes[J].Environmental Earth Sciences,2016,75(5):1-13.

[11] 王志明,孙玉宁,王永龙,等.瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究[J].中国安全生产科学技术,2016,12(5):139-145.

[12] 刘泽功,袁 亮.首采煤层顶底板围岩裂隙内瓦斯储集及卸压瓦斯抽采技术研究[J].中国煤层气,2006,3(2):11-15.

[13] 王志明,王永龙,刘 春,等.基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究[J].煤矿安全,2016,47(4):6-10.

ApplicationofGroutingSealingTechnologywithCapsularBaginMalanCoalMine

WANGYuhao

Aiming to the serious leakage of gas drainage for on-operating coal seam in Malan coal mine and the poor drainage effect, the research is carried out. The numerical simulation method is adopted to analyze the stress redistribution of the roadway 10610 zone, combining with the pre-drainage and the real size of the sealing pipes, the reasonable sealing depth is determined as 19 m. The bag grouting sealing method is introduced, the practice indicates that the gas concentrate by bag grouting sealing maintains 46% in 100d, by polyurethane sealing 17%, the former obtains better effect.

Gas drainage; Reasonable sealing depth; Grouting sealing technology with capsular bag

TD712+.6

：B

：1672-0652(2017)07-0011-03

2017-06-08

王玉豪(1989—)，男，山西平遥人，2012年毕业于河南理工大学，助理工程师，主要从事煤矿瓦斯抽采工作(E-mail)1738890421@qq.com