煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究

郑凯歌

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

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煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究

郑凯歌

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

针对我国现有煤矿井下瓦斯抽采主要封孔方式，通过分析各个封孔方式的优缺点，得出采动效应下钻孔周边裂隙发育规律研究不透彻、封孔位置选择不合理、现有封孔技术及材料不能有效封堵采动过程中钻孔周边发育的裂隙是造成目前煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔效果不佳的主要原因。通过实验室试验、数值模拟及现场应用手段相结合，深化模拟基础理论研究；构建采动过程钻孔煤体裂隙发育规律理论与模型，确定及优选瓦斯抽采钻孔封孔位置、材料及装置；瓦斯抽采钻孔封孔技术的多元耦合化，降低乃至克服各个技术缺点，提高封孔质量；研发和改进“一体化”封孔装置，简化封孔操作、保证封孔效果、降低封孔成本等方面是封孔技术发展主要方向。

瓦斯抽采 封孔方式 裂隙发育 采动效应 多元耦合 “一体化”封孔装置

由于我国煤炭资源赋存条件非常复杂，造成了煤层瓦斯赋存的复杂性，使我国成为世界上煤矿瓦斯灾害最为严重的国家之一。目前防治瓦斯事故最主要手段就是对煤体瓦斯进行钻孔抽采，但是目前我国许多矿井的瓦斯抽采率和瓦斯抽采浓度仍然达不到国家标准要求。分析其主要原因，一是煤层瓦斯赋存及构造特征等基础工作不够完善、瓦斯抽采设计及方法使用不完全恰当；二是瓦斯抽采钻孔封孔效果较差，导致瓦斯抽采浓度及流量衰减快，不能达到预期抽采要求。因此，提高瓦斯抽采钻孔的封孔质量是保证井下瓦斯抽采安全高效的基础保障。本文通过对我国目前煤矿井下瓦斯抽采钻孔主要封孔方法进行分析和总结，提出了提高瓦斯抽采钻孔封孔质量的技术及装置对策，以期实现提高瓦斯抽采浓度和抽采效率的目标，为矿区安全高效生产提供有效的技术支持。

1 煤矿井下瓦斯抽采钻孔主要封孔方式

1.1 材料式封孔方式

(1)粘土封孔。我国最早采用粘土封孔作为主要封孔方式，现小型煤矿偶有见到。其主要是将封孔粘土送至抽采管及钻孔之间的环形空间，每隔0.5～1.0 m用木塞压实。在孔口 1.0 m左右处用水泥浆封堵，固结后即完成封孔，如图1所示。该种方法封孔的优点是封孔材料价格低。

图1 粘土封孔示意图

(2)水泥封孔。随着封孔工艺的进步，粘土封孔方法的缺点愈加明显，在此基础上，提出了待钻孔成孔后，在抽采管两端用实体物或棉纱封堵，送入孔内后，按照一定比例将水泥熟料和水进行配比，利用注浆泵注入钻孔，完成封孔，水泥封孔示意图见图2。该方法的优点是水泥熟料封孔材料来源广泛，价格低廉，抽采效果要远好于粘土封孔。

图2 水泥封孔示意图

(3)聚氨酯封孔。聚氨酯封孔方法主要是将封孔A料和B料按照一定比例调配均匀搅拌后注入抽采钻孔内，经过一定时间后，聚氨酯发泡膨胀，在钻孔与抽采管间产生1～2 MPa的径向压力，促使聚氨酯进入周边裂隙，从而实现对瓦斯抽采钻孔的封堵。使用方式主要有卷缠药液法和压注药液法两种，如图3所示。其优点主要是封孔时间短、发泡倍数高及轻度受压情况下不易变形等。相关研究学者针对聚氨酯封孔材料存在的问题还进行了PD材料、树脂锚固剂的试验，虽然有一定的技术改进，但整体仍不明显。

图3 聚氨酯封孔示意图

1.2 “两堵一注”封孔方式

“两堵一注” 封孔方法主要有囊袋式和聚氨酯式两种，其基本原理是先在封孔段的两端用袋装聚氨酯或者膨胀囊袋作为堵头，待堵头形成后，再通过注浆管对堵头封堵段之间的环空位置进行注浆，在注浆压力的作用下，注浆液向煤壁渗透并填充周围裂隙， 实现抽采钻孔封孔，该封孔方式的优点是能够实现灵活调整封孔参数以及实现封孔段与孔壁的紧密结合，且在注浆压力足够大的情况，注浆液可在膨胀压力的作用下进入煤壁裂隙，材料凝固后在地应力的作用下可形成应力集中区域，减少漏气通道，提高封孔段的密闭性。“两堵一注”封孔技术如图4所示。

图4 “两堵一注”封孔示意图

1.3 封孔器封孔

封隔器封孔方式主要分胶圈和胶囊两种，如图5所示。其中胶圈封隔器原理为当压紧螺帽拧紧后，外套管发生相对运动压缩胶圈，促使胶圈发生径向位移，直至封堵抽采管与钻孔之间的环空空间；胶囊封孔器原理为通过外力挤压封孔胶囊使其膨胀，直至充满钻孔空间。部分学者也提出了充气式和注浆式囊袋封孔，前端连接充气或注浆装置，通过充气设备或注浆设备将囊袋充满直至完成封孔。其优点是封孔快速、操作过程简单等。

图5 封孔器封孔示意图

1.4 二次封孔技术

二次封孔技术是由中国矿业大学周福宝及其团队于2007年首次提出，后经过长期的研发和工程试验取得了良好的抽采钻孔封孔效果。该封孔技术主要分2个阶段，如图6所示。第一阶段是将卷缠聚合发泡材料的抽采管送至巷道松动圈以外位置，抽采一定时间后，随着回采面的推进和地应力的综合作用，煤层会发生变形和蠕动位移，进而导致钻孔周边煤层的孔(裂)隙扩张、发育，外界空气由裂隙进入抽采管内，使得抽采浓度快速下降，即进入第二次封孔阶段。

图6 二次封孔示意图

第二阶段主要是利用高压空气(0.2～0.3 MPa)将由水泥、黄泥、石灰、石膏粉和淀粉等细料按照一定比例混合的微细膨胀粉料吹入钻孔内，直至微细膨胀粉料充满钻孔与抽采管的环空空间，采用速凝水泥密封钻孔孔口，完成第二阶段封孔。混合配比后的封孔微细膨胀粉料在抽采负压作用下渗入钻孔周围的裂隙内，提高了裂隙封堵效果，降低了孔内漏风量，从而提高了瓦斯抽采浓度，改善了瓦斯抽采效果。

2 现有封孔方式存在的问题

上述封孔方式均有自己的优点，在不同的区域内得到了相应的推广应用，但目前我国约有65%的回采工作面瓦斯抽采钻孔的预抽瓦斯浓度低于30%，这充分反映了抽放钻孔密封质量差的现状，间接反映上述封孔方式存在一定的局限性及效果的不理想 。

2.1 材料式封孔主要存在的问题

2.1.1 粘土封孔方式

(1)该封孔方法工艺精度要求较高，稍有疏忽易导致封孔效果受损严重，整体密封性不强，工人的劳动强度较大。

(2)当粘土过软时，常会粘结在孔壁上，而导致封孔料达不到预定的封孔位置，且易形成空腔与裂隙，使封孔失败，一定程度上限制了封孔段长度；过硬时易形成裂缝，导致抽采浓度降低。

2.1.2 水泥砂浆封孔方式

(1)水泥砂浆在凝固过程中易脱水收缩，导致砂浆内部产生裂纹，且凝结固化速度慢，导致有效封孔时间长，降低钻孔的密封性及施工效率。虽然加入速凝剂等添加剂优化后能改善该现象，但速凝剂的加入，会降低水泥的强度，且其具有一定毒性，对人身危害较大。

(2)虽然许多学者提出通过在水泥砂浆中加入膨胀剂、聚合物等材料来降低其收缩程度，但是当钻孔倾角较小时，在水平及近水平钻孔中仍会在钻孔上方形成月牙状空隙，且对钻孔围岩裂隙的封堵也有限，封孔质量受到影响。

(3)该方法需连续注浆，现场施工时，需2～3名工人迅速进行水泥砂浆配比，1名工人利用注浆泵向孔内进行连续注浆。该方法需大量的人力和物力，增加了注浆泵等外力装置，施工工艺较复杂。

2.1.3 聚氨酯封孔方式

(1)现有聚氨酯材料发泡时间一般为10～300 s，如需进行参数调整，成本较高，在钻孔缩径位置或长距离封孔时，常会出现在未送到指定位置前，聚氨酯材料已经发泡、膨胀，严重影响封孔质量。

(2)聚氨酯固结后，其整体抗压强度较低，透气压力一般低于2.0 MPa，在工作面回采过程中，在地应力的作用下，钻孔周围会发生应力集中及卸压现象，导致聚氨酯封孔位置发生形变及损伤而出现漏气现象，抽采浓度也会随之下降。

(3)聚氨酯是一种高分子聚合，其膨胀及凝结过程中会放出大量的热，导致材料升温快，甚至可达 150 ℃ 以上。材料中的低闪点成分易氧化冒烟甚至着火，进而导致煤体自燃或瓦斯爆炸；在自重应力的作用下，聚氨酯封堵上倾钻孔时径向膨胀力降低，导致钻孔周围裂隙封堵效果不好，影响抽采效果。

(4)当孔内有积水及湿度较大时会导致减少聚氨酯的发泡倍数，降低固化强度，严重影响封孔质量。

2.2 “两堵一注”封孔存在的问题

(1)聚氨酯作为堵头的“两堵一注”封孔技术，由于聚氨酯膨胀时间的难控性，容易出现整体封孔不到位等问题。另囊袋及聚氨酯堵头强度较低，限制了注浆压力，导致封孔材料径向压力降低，不能充分封堵钻孔裂隙及损伤部位。目前一些学者提出了“两堵一注”带压封孔方式及装置，但实际上受两端堵头强度的限制，注浆压力不高，甚至不带压封孔，暂不能使钻孔裂隙达到完全密封的作用，无法达到高径向封堵力的目的。

(2)随着开采深度的不断加深，地应力作用愈加明显，当巷道形成后，在地应力作用下，煤体发生了应力集中及卸压现象，导致煤体受多重损伤破坏及蠕变破坏。现有理论研究很难确定合理的封孔始深度及长度，多凭现场经验和地质条件等因素来判断，导致难以有效地实现裂隙带内抽采钻孔段的密封，最终导致瓦斯抽采浓度低、衰减速度快等现象。

2.3 封孔器封孔存在的问题

(1)实践表明, 胶圈和胶囊这两种封孔器仅适用于钻孔围岩细密、稳定性较好及裂隙不发育的岩层当中。其封孔方式仅与孔壁物理接触，当封孔段存在裂隙时极易形成瓦斯的泄漏通道，一般只能用于临时性封孔，难以广泛推广。

1.维生素B1是体内多种酶系统的辅酶，能促进氧化过程，调节糖代谢，对促进生长发育、维持正常代谢、保持神经和消化机能的正常具有重要意义。

(2)封孔器整体价位较高，封孔深度浅，且多为一次性使用，不能回收重复利用，大大增加了封孔成本。使用过程中易出现密封段压力大、橡胶胶囊老化等现象，导致密封性能降低，在抽采负压的作用下，与空气沟通，降低抽采浓度及效率。

2.4 二次封孔技术存在的问题

(1)一次封孔后注浆固结后，导出细料的花管存在被封堵的风险较大，易造成细料在管内堵塞，影响封孔效果。

(2)二次封孔工艺对微细膨胀粉料的配比及粒径精度要求高，需专业人员进行操作，受人为因素影响较大，需要二次封孔操作，工艺较为复杂。

(3)井下水文地质条件复杂，湿度较高，二次封孔使用的微细膨胀粉料遇水或受潮时易发生结块，从而导致微细膨胀粉料不能有效进入钻孔周边煤体内的孔隙、裂隙内，会严重影响二次封孔法的封孔效果。

3 井下瓦斯抽采钻孔封孔技术发展对策

随着煤矿开采逐步向深部延伸，地应力和瓦斯压力都呈现出增大的趋势，煤层出现了碎软性、高瓦斯、低透性、易突出等特点，与之相关的瓦斯灾害也日趋复杂和严重。作为瓦斯治理主要途径的钻孔瓦斯抽采，面临巨大的威胁和挑战，而决定瓦斯抽采效果的关键环节是封孔效果，钻孔封孔效果直接决定了采掘接替周期和矿井生产的安全性。因此，需要相关科学研究者沿着前人的研究成果，积极前进，解决现有存在的难题，不断优化封孔技术，提高抽采效果。笔者认为今后的研究工作应着力于以下几个方面。

3.1 模拟理论基础研究

数学方法、科学试验和数值模拟是最常用、最有效的理论研究方法。瓦斯钻孔封孔过程涉及固、气、水三相的耦合，具有较强的复杂性，而仅依靠数学方法很难准确揭示其真实物理过程。仿真试验是研究流、固体力学的基础方法，其结果可靠性强，是数值模拟的基础，而数值模拟能够解决难以开展仿真试验的研究，两者是相互联系、相互促进的。通过收集国内外文献分析后可知：进行仿真模拟试验的一般没有开展数值模拟，而开展数值模拟的往往没有进行仿真试验验证，这些都阻碍了基础理论的进步。

随着仿真试验设备的改进、试验条件的完善、试验技术水平的提高、大型商业化流-固体力学数值模拟软件的开发、计算机应用和传感器技术的进步，为瓦斯抽采钻孔封孔过程的研究提供了技术支撑。以后的研究，应将仿真模拟试验和数值模拟有机结合，通过相似性、可重复性的试验，为数值模拟提供更合理的参数支持，通过数值模拟获得更全面的流场信息，优化试验方案，不断将理论研究向前推进。笔者认为可利用建立围压条件下气、液、固三相耦合的数学模型，采用ANSYS、COMSOL等适合多物理场耦合模拟的软件来开展数值模拟研究。对于瓦斯抽采钻孔封孔机理研究，应将实验室试验、数值模拟和现代测量技术结合起来，才能真正实现由定性解释向定量描述发展。

钻孔裂隙在采动过程中的发育规律是优化钻孔布置、材料及装置选择的重要依据。目前研究工作多集中在煤的渗透属性、原始孔裂隙特征等基本规律研究，并未综合考虑随着煤体开采产生应力集中和卸压效应导致的煤体变形破裂的不断变化以致形成复杂裂隙网络对钻孔封孔效果的影响，因而无法准确确定瓦斯抽采钻孔封孔位置、材料及装置。而开采导致的高密度、高联通度的采动裂隙，与巷道形成联通，在抽采负压作用下空气进入抽采管路，导致抽采浓度降低。目前还没有合适的理论来定量描述这种裂隙产生机理，以致没有合适的评价方法和体系来对封孔位置、材料及装置进行优选。因此，如何定量准确评价采动过程中煤体的裂隙发育规律和特征，尤其是基于采动效应下裂隙发育的几何特征和规律的评价模型，是煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究所面临的一个重要基础科学问题。

3.3 瓦斯抽采钻孔封孔技术的多元耦合化

(1)有机-无机材料及带压注入技术的多元耦合。现有有机材料具有膨胀倍数高、固结速度快等特点，完全适合作封堵堵头；无机材料与煤层之间具有较好的亲和力，易充填孔壁裂隙，增强煤体强度，且在带压注入技术的综合作用下，提高了封孔径向压力，保证了裂隙封堵效果。但现有有机材料存在固结后孔隙发育，强度低的缺点，限制了注入压力，需研究人员进行技术攻关，对有机材料强度、气密性等进行改性研发，开发高强度、高径向作用力的两端封堵新材料，确保两端封堵材料的强度性能；对无机材料应在保证强度及亲和力的前提下，提高凝结速率，改进现有注浆装置，提高注浆径向压力。

(2)囊袋堵头-带压注浆技术及二次封孔方法的多元耦合。在封孔管两端装入囊袋，囊袋堵头利用注浆管向囊袋注浆形成，具有更强的支护作用，能够实现任意角度的注浆且封堵效果好，注浆压力可提高到2 MPa以上；堵头形成后利用高压注浆设备将无机封孔材料注入封孔段；在孔口留有微细膨胀粉料注入管，如出现钻孔浓度明显衰减，在未回采结束的情况下，进行钻孔二次封孔处理，保证抽采效果。

3.4 “一体化”封孔装置的研发和改进

现有封孔装置主要采用“两堵一注”的封孔工艺，通过改变堵头的密封性，更换或者提高现有封孔液的性能，通过外力设备提供压力注入的手段进行封孔。其整体封孔液与封孔装置为分离状态，整体操作要求高、施工复杂、成本较高，现场很难达到理论封孔要求。需要研发集“自胀式封孔液”、“瓦斯抽采管”、“封堵头”三位一体的煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔装置，可通过简单的人为操作完成封孔。在简化封孔操作、保证封孔效果、降低封孔成本的前提下，还需专业领域研究人才进行深入研究和探讨。笔者通过现场试验，结合现有理论基础提出了一种“一体化”封孔装置，装置主体由内花管及镶套在其外面并可沿其滑动(直线式或可旋转式)的外花管再加上两端囊袋、抽采管上的搅拌片等组成。其囊袋和管内均装满自膨胀封孔料，并带有隔层，且保证囊袋内料反应速度远快于管内，待所有短节连接后，通过使用手柄带动搅拌片旋转，进而使隔层破碎，A、B料混合并随着搅拌片的搅动而均匀混合。通过拧紧螺母(或旋转开关)，使外花管相对内花管滑动，从而使两层花管中的各孔连接，形成A、B料反应后流向钻孔的通道，完成封孔工作，该装置已经申请专利并公开。“一体化”封孔装置如图7所示。

4 结语

(1)通过对现有封孔技术的研究发现，要改善煤矿井下瓦斯抽采钻孔的封孔效果，提高瓦斯抽采效率，应综合考虑煤的非均质性和各向异性、孔隙和裂隙发育、煤对瓦斯的吸附作用等特征，建立一套模拟围压条件下的井下煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺物理模拟试验平台，综合运用数值模拟、 地球物理和参数敏感性分析与优化等技术，对模型的建立参数进行反演，以确定封孔模型中各种因素的重要性和合理参数，形成对特定工程有效的瓦斯抽采钻孔参数预测模型。

图7 “一体化”封孔装置示意图

(2)应掌握采动效应作用下钻孔周边裂隙的发育规律，通过合理的定量描述，结合合适的评价方法和体系，综合考虑数值模拟及仿真模拟试验结果，优选出合理的始封深度和封孔长度、材料及装置。

(3)采用带压注浆技术与有机-无机材料或囊袋堵头的注浆材料的多元耦合，在不断完善改进各单项技术的基础上，实现不同封孔方法手段的集成化和多元化，形成优势互补。另可研发“一体化”封孔装置，简化封孔操作，提高封孔质量，但对“一体化”封孔装置的研发和改进工作刚进入起步阶段，需要专业领域人才发挥主观能动性进行创新和改进，以期实现良好的瓦斯抽采钻孔封孔效果。

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Studyonsealingtechnologyofundergroundgasdrainageboreholesofcoalmines

Zheng Kaige

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

Aiming at the main sealing methods for current underground gas drainage boreholes at coal mines, with the analysis on the advantages and disadvantages of major borehole sealing methods, it concluded that the main reasons why sealing effect was not favorable when mining included an improper study on the crack development laws of surrounding rocks along the borehole under the mining effect, the irrational selection of sealing position and the existing borehole sealing techniques and materials with ineffective sealing of cracks in surrounding rocks along the boreholes. it was pointed out that the main development direction of borehole sealing techniques would lie in deepening numerical simulation combined with field application means and laboratory test, establishing theories and models of borehole fissure during active mining process, determining and optimizing borehole sealing position, materials and devices, multi-factor coupling of mine gas drainage boreholes to reduce and overcome various technical shortcomings, improving the quality of borehole sealing, developing integrated plugging device to simplify borehole sealing operation, ensure borehole sealing effect, and reduce the cost of borehole sealing.

gas drainage, sealing mode, fracture development, mining effect, multi-factor coupling, integrated plugging device

中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2016XAYMS08),十三五重大专项(2016ZX05045002-002)

郑凯歌. 煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究[J].中国煤炭，2017,43(10)：109-114.

Zheng Kaige.Study on sealing technology of underground gas drainage boreholes of coal mines[J]. China Coal, 2017，43(10):109-114.

TD712.62

A

郑凯歌(1988-)，男，河南周口人，硕士研究生，主要从事煤矿地质及煤矿瓦斯防治工作。

(责任编辑 张艳华)