新型胶囊封孔方法在船窝煤矿中的实践应用

李建国

（山西曙光船窝煤业有限公司，山西 河津 043300）

1 工程概况

山西曙光船窝煤矿西进风井井筒净直径Φ7.2m，净断面40.72m2，井口设计标高为+26.5m（±0.0相当于绝对标高+26.5m），井筒全深为1027.5m。该井简采用冻结法施工，冻结深度374m，其中冻结表土段厚度280.5m，冻结基岩厚度83.5m，井筒基岩段深度为664.54m，基岩段井壁为素砼结构，采用钻爆法施工。基岩段采用直孔+Y孔地面预注浆封水，注浆范围354～1060m。

进风井筒经过前期地面预注浆封堵，从井筒浅部已经掘进揭露情况看，注浆止水效果良好。预计井筒掘进期间涌水量将明显减小，且井筒出水量以静储量为主，出水形式多以滴、淋和渗水出现。 井筒施工通风系统：西进风井井口20m外安装4台型号为FBDNO8.0/2×45 kW局扇（两用两备），配2路Φ900mm风筒，采用压入式通风，风筒末端距迎头的距离为4.0m，迎头风量约1600m3/min。

2 防突措施的研究

2.1 煤层基本情况

西进风井7煤层埋藏较深（标高-862m），测试结果表明该煤矿7煤瓦斯压力为1.24MPa，原始瓦斯含量6.55m3/t，坚固性系数f值为0.85，瓦斯放散初速度△p值为6.0，煤的突出危险性预测综合指标K=7.06。参照《防治煤与瓦斯突出规定》相关标准，结合揭煤处7煤层实测瓦斯压力大于0.74MPa，判定揭煤处7煤层具有突出危险性，必须对其采取区域防突措施进行消突。

2.2 区域防突措施钻孔

工作面距7煤顶板最小法距7m前，在工作面迎头采取穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施：共设计7圈共163个抽采钻孔。井筒荒径外侧布置两圈开孔位置，井壁内安装嵌入式抽采环形管，方便在进行揭煤时可以连续抽采。钻孔开孔间距400mm，孔径108mm，其钻孔终孔穿透煤层底板0.5m，抽采半径按1.5m均匀布孔。

抽采钻孔工艺中，一般都采用聚氨酯封孔方法。在实践应用过程中聚氨酯封孔方法存在封孔段长度短、深度浅、材料支护强度低的问题。这使得钻孔后期容易变形造成漏气通道，抽采效果不佳。为提高预抽钻孔封孔效果，选择采用新型胶囊封孔办法来进行封孔操作。措施孔全程下2寸套管护孔，揭煤段下花眼管，现场采用新型胶囊“两堵一注”封至见煤点。

2.3 新型胶囊封孔工艺

2.3.1 结构特征和工作原理

新型胶囊封孔工艺当中需要采用胶囊封孔器，核心为一个孔内一次性囊袋注浆装置。由囊袋、塑料堵头件、塑料出浆管、封孔抽采管、注浆管、钻孔注浆阀、囊袋注浆阀等部件组成。封孔装置的结构原理如图1所示。

图1 封孔装置的结构原理

（1）浆液首先注入封孔装置两端的复合囊袋，囊袋膨胀封堵封孔段钻孔的两端，实现了钻孔的“两堵”效果；当注浆压力达1.5MPa时2个囊袋中间的压力控制单向阀打开，注浆泵内浆液开始向囊袋中间的钻孔注浆。该空间孔被充满后，浆液在注浆压力作用下向钻孔壁渗透，实现钻孔壁注浆。直至达到设定压力，注浆停止，封孔结束。

（2）注浆压力对钻孔施加第一次封孔支护作用。注浆材料初凝后发生体积膨胀，可产生膨胀力，对钻孔施加第二次封孔支护力，有效地防止钻孔周围煤体缩径变形形成新的漏气通道。

（3）改变封孔段钻孔周围的煤体强度。在注浆压力作用下，部分注浆材料进入钻孔周围的裂隙，使封孔段钻孔周围的煤体强度得到提高。

2.3.2 操作流程

（1）操作前的准备工作

接好注浆泵，通气后空转检验注浆泵是否可以正常使用并验证压力表是否完好。准备好需要使用的注浆材料，注意检查囊袋是否破损及注浆材料是否硬化结块。按照封孔长度要求将封孔器孔底囊袋套入已准备好的PVC抽采管。囊袋两端使用铁丝紧固在PVC管上。将爆破阀固定在PVC管上，紧固时不可阻碍爆破片组件的圆形开口。将抽采管固定好后，采用快速接头引出一根PE注浆管截止注浆泵出浆口。在注浆桶内以水灰比1:0.8的比例进行调配（灰为1，水为0.8），调配过程中开启搅拌器，杜绝注浆材料结块。

（2）注浆操作

在确认以上准备工作无误后启动注浆泵，刚开始注浆时速度不宜过快，阀门一般控制在打开行程的1/3～2/3处。注浆工作开始后，关注压力表数值变化情况，在囊袋未注满带压前工作压力小于0.6MPa。逐步注满压力上升至1.5MPa左右爆破片爆破，爆破后压力值瞬间下降至接近零位，出现这一现象即判定为爆破片正常打开，此时需继续注浆。在爆破片打开后的注浆过程中可将注浆速度适当提高，但应小于最大速度。带压注满后（注浆压力大于1.5MPa）需先卸压后对注浆管进行折弯封堵处理，此时整个注浆过程结束。

（3）封孔器的使用注意事项

首先对封孔胶囊的胶管、囊袋、接头及爆破阀进行检查，发现有破损现象及时更换，防止下入不合格的封孔胶囊造成漏浆，使钻孔报废。先下入套管至孔内预定位置后，将封孔胶囊套入至套管外侧，两端使用铁丝扎紧。铁丝头不能指向封孔胶囊，并用透明胶带捆扎，防止扎破。囊袋扎好后，底部用编织袋进行防护捆扎。胶皮管用专用直通连接，下管时胶皮管放在套管上边，防止压瘪或挤坏。在下入过程中，胶皮管不能折弯，防止注浆炸裂。胶皮管用扎带固定于套管上，顺延至孔口处。注浆时浆液水灰比例0.8:1。注浆初期注浆速度要慢，待囊袋涨实后可稍微调快。注浆时返浆管不出清水时将返浆管闸阀关闭，等待注浆压力稳定后再进行补注浆，确定压力稳定后，稳压后注浆结束。注浆结束后，注浆管折弯进孔内，孔口用水泥封实。

3 封孔方法及数据测试对比分析

为检验新型胶囊封孔方法的封孔效果，对于新型胶囊封孔方法和聚氨酯封孔方法进行数据测试和对比分析。封孔后对实验钻孔体积分数和瓦斯流量进行采集，分别按时间段统计两种不同封孔办法的测量数据并生成钻孔瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯流量的对比曲线，如图2、图3所示。

图2 钻孔瓦斯抽采浓度对比曲线

从瓦斯抽采浓度的曲线图可以看出，随时间的推移，新型囊袋封孔法和聚氨酯封孔方法的瓦斯抽采浓度都会出现降低趋势。但是新型囊袋封孔办法的瓦斯抽采浓度降低趋势相比聚氨酯封孔方法较慢。从图中数据还能看到新型囊袋封孔办法瓦斯抽采纯量最高提高比例达50%，平均抽采纯量提高比例达33%。这说明新型囊袋封孔方法的封孔效果较好，降低了钻孔空气漏气量，同时降低了孔口负压到孔底的负压损失，更加有利于煤层瓦斯的抽采。

图3 钻孔瓦斯抽采纯流量对比曲线

综上所述，新型胶囊封孔工艺对比于聚氨酯封孔办法实际应用的优点如下：

（1）封孔成功率高。解决了下向钻孔因孔内积水导致封孔过程中存在的座底难的问题，杜绝了传统封孔工艺中存在的聚氨酯遇水不凝固而造成的封孔失败现象，经统计胶囊封孔极大提高了座底成功率，成孔率达93.1%。

（2）封孔时间短。传统采用聚氨酯封孔，一个钻孔封孔需用时135min，而胶囊封孔器封孔时间为45min，从时间上节约了90min，大大提高了钻孔效率。

（3）封孔效果好。新型胶囊封孔装置起到了非常好的密封效果，增加了主动支护力，减少了钻孔空气漏气量，降低了孔口到孔底的负压损失，有利于煤层瓦斯的涌出。

4 结论

在西风井7煤测压、预抽钻孔施工过程中，为确保测压准确及揭煤预抽效果，采用新型胶囊封孔装置进行了封孔。采用胶囊封孔工艺后，西风井7煤实测瓦斯压力1.24MPa，与推算瓦斯压力接近，为揭煤防突措施采取及安全揭煤提供了有效依据；7煤区域防突预抽钻孔抽采干管浓度达45%以上，相对于以往聚氨酯封孔抽采浓度的35%，提高了近10%，缩短了预抽达标时间15d，可以实现安全快速消突。