新型“堵-注-排”钻孔封孔工艺的研究与应用

王兴盛

（汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿，山西 吕梁 033000）

0 引 言

双柳煤矿为煤与瓦斯突出矿井，4（3+4）号煤层具有突出危险性，瓦斯压力和含量都比较大，防治煤与瓦斯突出最有效的措施就是预抽煤层瓦斯，而钻孔封孔质量的好坏直接影响预抽煤层瓦斯的效果，通过研究使用新型“堵-注-排”封孔工艺,解决了钻孔封孔效果差、钻孔浓度低的问题,能够大幅提高钻孔单孔抽采浓度,并保持了长时间的稳定抽采效果,为矿井瓦斯治理提供保障,值得推广应用。

1 影响钻孔封孔效果的因素

由于煤层地质条件多变，煤层透气性差等因素存在，瓦斯抽采存在诸多问题，钻孔抽采效果的决定因素在于封孔，封孔技术是煤矿瓦斯抽采作业中一项极其重要的工艺，封孔质量的好坏决定钻孔抽采效果，而顺层钻孔封孔的关键在于对煤壁裂隙的封堵。封孔质量的好坏决定着钻孔的最终抽采效果。

2 目前封孔工艺存在问题

目前注浆封孔法常用的工艺为“两堵一注”封孔工艺。常用的封孔方法是利用聚氨酯快速构筑抽钻孔封孔段注浆空间。待聚氨酯完全固化后，再通过孔口端预留注浆管和返浆管利用风动注浆泵向封孔段密闭空间注入水泥浆，直到返浆管排出浆液，封孔停止。存在以下问题：

1）聚氨酯遇水反应膨胀效果变差，且封孔段的水无法排出，无法封堵含水钻孔。

2）聚氨酯需要提前绑定在抽采管上，送入钻孔，由于送入过程不可避免会出现滑动，无法保证封孔段长度和封孔深度，无法实现要求的封孔工艺，且封孔管由于自身重力的作用无法保证封孔后处于钻孔的中心位置。

3）无法实现压力封孔,无法保证封孔质量。

3 “堵-注-排”封孔器的组成及封孔流程

“堵-注-排”封孔器主要由瓦斯抽放管、PE注浆管、排水排气管、内、外封堵囊袋等装置构成。封孔时，首先将注浆材料注入到封孔器中进行封孔，注浆村料首先注入并充满内封堵囊袋，随着注浆压力的上升，外封堵囊袋中的逆止阀自动打开，注浆材料开始注入并充满外封堵囊袋，随着注浆压力的进一步提高，爆破-单向逆止组合阀打开，注浆材料开始注入并充满内外封堵囊袋之间的空间，同时钻孔中的水和气通过排水排气管排出，从而可以实现“堵-注-排”的注浆封孔工艺。使用“堵-注-排”封孔器封孔，钻孔中的水可以排出，很好的解决了钻孔中水对注浆材料的不利影响，注浆材料更易充满整个封孔段，封孔后的注浆材料更加致密，保证了整个封孔段的封孔严密性。

图1 “堵-注-排”注浆封孔装置结构原理图

4 “堵-注-排”封孔工艺原理

新型“堵-注-排”封孔工艺，通过高压注浆将使孔内裂隙完全充填，加固钻孔，保证钻孔内不再有新的裂隙产生，同时能够排出钻孔的水和注浆材料的水，进一步的增加封孔材料的密封和强度，增强钻孔的稳定性，保证了钻孔的密封质量。能够实现钻孔壁注浆加固，将钻孔内部煤体填实。同时改变钻孔封孔段的煤体强度。注浆材料可以进入钻孔周围的裂隙，提高钻孔封孔段周围的煤体强度。

5 现场实践及考察

为了考察新型“堵-注-排”封孔工艺抽采效果，在双柳煤矿井下33（4）18运巷施工4个本煤层钻孔，33（4）18 工作面原始瓦斯压力为 0.81～1.3MPa，原始瓦斯含量为 8.2～12.5m3/t，绝对瓦斯涌出量6m3/min左右。使用新型“堵-注-排”封孔工艺进行注浆封孔，同时观测4个钻孔抽采浓度，对数据进行对比分析，钻孔瓦斯抽放浓度随时间变化如图2所示。

同时在33（4）18运巷施工的4个本煤层钻孔附近观测另一组4个抽放钻孔的浓度 (采用的是普通“两堵一注”封孔工艺，封孔深度8m),其钻孔瓦斯抽放浓度随时间变化如图3所示。

图3 钻孔瓦斯抽放浓度变化

对比图2与图3可知：

1）两种封孔方法抽采前期钻孔浓度都比较高，随着抽采时间的增加钻孔浓度逐渐降低。

2）抽放一段时间后，“堵-注-排”封孔工艺瓦斯浓度降低幅度小，衰减较慢，使用“两堵一注”封孔工艺的钻孔浓度衰减较快，使用“堵-注-排”封孔工艺的钻孔在抽放40天左右钻孔瓦斯浓度能够保持在60%左右，使用“两堵一注”封孔工艺的钻孔在抽放30天后瓦斯浓度已经降到30%以下，抽放40天后瓦斯浓度基本在20%左右。

3）钻孔抽放两个月后，在抽采钻孔附近取芯测定煤层残余瓦斯含量，使用“堵-注-排”封孔工艺的钻孔附近测定最大残余瓦斯含量为6.5m3/t左右,使用两堵一注封孔工艺的钻孔附近测定最大残余瓦斯含量为8m3/t左右。使用“堵-注-排”封孔工艺的钻孔抽采效果比两堵一注封孔工艺钻孔的抽采效果好。

6 结 论

1）堵-注-排”封孔工艺封孔器使用方法简单，1-2个工人即可完成封孔操作。封孔器的囊袋封堵压力和注浆压力的控制均由不同的阀门自动控制，无需工人操作，即可保证长时间的高压力注浆过程，可以将更多的封孔材料注入到煤隙中去，从而保证了整个封孔系统的安全性。

2）堵-注-排”封孔工艺封孔器适用范围广，无论是上行孔还是下行孔，或者是水平孔，都能够高质量完成封孔工作，具有很好的推广性。

3）通过采用新型“堵-注-排”封孔工艺，双柳煤矿的瓦斯抽放浓度有了大幅提高，矿井的瓦斯抽采量和抽采浓度得到了大幅的提高，大大提升了瓦斯抽放效果，为矿井的瓦斯治理奠定了良好的基础。