煤层瓦斯抽放钻孔封孔质量检测应用研究

杨利平

（1、中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037 2、国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆400037）

我国煤层地质赋存条件复杂，多数煤层属于高瓦斯低透气性煤层，煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大且难以抽采，瓦斯灾害长期以来严重威胁着我国煤矿的安全生产[1]。煤层瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯的重要技术手段之一，通过瓦斯抽采可以有效降低采掘工作时的瓦斯涌出量，减少通风负担，解决矿井通风难以解决的难题。瓦斯抽采主要依托于打钻与封孔来完成，封孔质量的好坏严重影响着瓦斯抽采的整体效果，而合理的封孔深度是保证抽采钻孔封孔质量和高效抽采的必要条件[2-3]。煤层瓦斯抽放钻孔封孔质量是检验封孔深度是否合适的关键参数，也是影响抽采效率的重要因素之一，煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量的好坏直接影响抽采钻孔瓦斯浓度[4-6]。因此，基于检测负压状态下抽采钻孔内不同深度的瓦斯及氧气浓度值变化规律，结合煤层瓦斯抽采钻孔内瓦斯运移规律，利用YFZ3 型瓦斯抽放钻孔封孔质量检测仪对晋煤集团长平煤业进行钻孔封孔质量检测。

1 封孔质量检测仪检测原理

1.1 仪器简介

煤层瓦斯抽放钻孔封孔质量检测仪（YFZ3 型）主要用于测定接抽状态下抽采钻孔内不同深度位置瓦斯和氧气浓度的分布情况，从而判定抽采钻孔的封孔质量和漏气通道位置，以便对封孔方式和封孔参数进行改进，提高钻孔瓦斯抽采效果。抽采钻孔封孔质量检测装置基于煤层钻孔瓦斯流动理论设计，工作原理如下所述：

（1）当抽采钻孔封堵效果较好时，孔内抽采瓦斯和氧气的浓度值在负压状态下沿钻孔走向波动范围较小。

（2）当钻孔封孔封堵效果差或存在“串孔”的情况时，孔内的瓦斯和氧气浓度自孔底往孔口沿线将出现“阶梯式”的突降，即：孔口至漏气位置区域内瓦斯浓度远低于漏气位置至孔深方向区域内的瓦斯浓度。

YFZ3 型煤层瓦斯抽放钻孔封孔质量检测仪主要由主机、瓦斯参数探测管、快接三通等组成，如图1 所示。

1.2 封孔质量判断准则

根据管流流体力学知识可知，当抽采钻孔内不同孔深（深度递减）瓦斯和氧气浓度基本保持不变或波动范围较小，表明抽采钻孔封孔质量较好，反之质量较差，浓度变化越明显，表明封孔质量越差。结合图1 所布置测点位置，根据参数测定结果，提出了判定抽采钻孔的密封质量和漏气位置的方法：

①若a 测点瓦斯浓度明显低于b 测点，则表明抽采管已被破坏或发生漏气；

②若b 测点瓦斯浓度明显低于c 测点，则表明封孔材料已破坏或封孔质量差；

③若c 测点瓦斯浓度明显低于d 测点，则表明存在漏气通道或封孔深度不足；

④若d 测点的瓦斯浓度明显较小，则表明抽采钻孔的深部存在漏气通道。

图1 封孔质量检测装置工作原理示意图

2 现场检测

2.1 某煤矿工作面钻孔编号CD13-12，顺层孔，孔径113mm，倾角-4°，孔深110m，封孔深度16m，抽采时间20 天，抽采负压22kPa，钻孔内不同孔深瓦斯和氧气浓度值如表1 所示，变化趋势如图2 所示。

表1 钻孔内不同孔深瓦斯和氧气浓度值

图2 瓦斯和氧气浓度值随孔深不同变化图

由图2 可知，钻孔CD13-12 在15m～30m 范围内瓦斯浓度由74.8%降低至29.0%，氧气浓度值由4.2%上升至14%，瓦斯及氧气浓度值随孔深的增加变化波动较大，钻孔在该范围内存在漏气通道；钻孔在15m～20m 范围内瓦斯浓度由50%降低至30%，氧气浓度由9%升至14%，在该范围内存在严重漏气通道；在20m～30m 范围内瓦斯浓度由74.8 降低至50%，氧气浓度由4.2%上升至9%，该范围内存在轻微漏气通道。由封孔质量检测可知，该孔封孔深度不足，钻孔内存在严重漏气通道，封孔深度应由16m 增加至20m。

2.2 某煤矿工作面钻孔编号CD13-17，顺层孔，孔径113mm，倾角-4°，孔深108m，封孔深度16m，抽采时间12 天，负压22kPa，钻孔内不同孔深瓦斯和氧气浓度值如表2 所示，变化趋势如图3 所示。

表2 钻孔内不同孔深瓦斯和氧气浓度值

图3 瓦斯和氧气浓度值随孔深不同变化图

由图3 可知：钻孔CD13-17 在距孔口5～30m 范围之内瓦斯及氧气浓度值随孔深的增加变化波动较小，该孔封孔质量较好；在15～20m 范围内存在轻微漏气通道。由封孔质量检测可知，该孔封孔质量较好，在15～20m 范围内存在轻微漏气通道，为了进一步提高单孔瓦斯抽采效果，封孔深度应增加至20m。

3 结论

通过使用封孔质量检测仪对某煤矿工作面抽采钻孔封孔质量检测可知：

（1）钻孔在封孔段PVC 管内瓦斯及氧气浓度基本稳定在某一值，该范围内不存在漏气通道，自主研发的新型封孔材料及囊袋式“两堵一注”封孔工艺具有较好的应用效果；

（2） 钻孔在距巷帮15m～30m 范围内存在漏气通道，在20m～30m 范围内存在轻微漏气通道；抽采钻孔内存在堵孔现象，可能是由于塌孔、煤渣较多或注浆水泥渗流至孔内造成的。建议增加封孔深度至20m；在封孔之前应尽量压风排出钻孔内的煤渣，且在孔内应多下筛管，防止钻孔塌孔，在封孔过程中要注意合理控制注浆压力、水灰比、注浆量；

（3）定期采用YFZ3 型封孔质量检测仪对井下钻孔进行封孔效果检测，通过对检测数据分析，发现不同工作面、同一工作面不同区域存在的封孔问题，对封孔参数进行对应调整，对井下工人师傅封孔质量进行有效监督。