瓦斯抽采钻孔封孔解析

摘 要：本文首先就煤矿瓦斯的危害及瓦斯抽采的必要性予以概述，并对瓦斯抽采钻孔的封孔方式展开细致分析，旨在提高瓦斯抽采效率。

关键词：瓦斯抽采;钻孔;封孔

1 瓦斯抽采概述

1.1 煤矿瓦斯的危害

在煤矿开采中，瓦斯气体大量存在，是一种以甲烷气体为主的气体混合物，具有很大的危害性。瓦斯事故在煤矿生产中有较多发生，特别是在高瓦斯煤层开采中，常见的瓦斯事故有：一是瓦斯窒息事故，当瓦斯浓度过高时，会使人因缺氧而窒息，常见于瓦斯通风不畅、采空区瓦斯涌出、误入未经通风的巷道等情况;二是瓦斯燃烧事故，若矿区火源管理不严，而且存在瓦斯大量涌出、积聚、通风不及时等问题，容易导致瓦斯燃烧;三是瓦斯爆炸事故，瓦斯遇火反应有一定的浓度界限，若瓦斯浓度不高于5%，仅会燃烧，若浓度处于5%至16%之间时，可能会发生爆炸，也称之为瓦斯爆炸界限，而且瓦斯爆炸是最为严重的煤矿事故。四是煤与瓦斯突出，当煤层应力以及瓦斯压力突破某限值的情况下，使得瓦斯气体以及碎煤以突发形式的喷出，会带来较大的破坏性。

1.2 瓦斯抽采技术

该技术主要通过钻孔的方式，将煤层瓦斯能够在抽采设备作用下，抽放至地表，并将瓦斯进行存储和利用。瓦斯抽采也是瓦斯事故的主要防控措施，能够有效控制瓦斯浓度，而且还能够变废为宝，提高瓦斯资源的利用效率。瓦斯抽采的作用总结如下：一是控制瓦斯浓度，降低瓦斯涌出量，提高矿井通风效率;二是降低煤层瓦斯压力，控制瓦斯对煤体的破坏，避免发生瓦斯突出问题;三是瓦斯资源的开发与应用;四是控制煤矿生产污染问题。

2 瓦斯抽采钻孔封孔方式分析

2.1 材料式封孔方式

2.1.1 粘土封孔

粘土封孔是比较原始的封孔方式，随着封孔技术发展与进步，该方法在实际中仅有较少应用。工作原理是在管道和钻孔形成的空间内装入粘土，在此基础上进行压实。将水泥浆注入孔口附近，在封孔前需要保证已经固结完毕，采用这种方法对材料性能要求低，材料的成本也较低。但其封孔效果受工艺精度限制，劳动强度较大，而且受黏土特性影响，封孔长度较小，还会出现裂缝等问题，影响抽采效果。

2.1.2 水泥砂浆封孔

粘土封孔已经不能满足社会发展的需要，人们对其进行了改进，主要是通过在钻孔的基础上，将一些实体物放到抽采管两端，将其堵住，然后再在里面混入水和水泥，利用注浆泵实现封孔的目的。采用这种方法所使用的水泥获取方便，成本较低，有效克服了粘土封孔的弊端。同时，水泥砂浆封孔也易受材料影响，若砂浆出现脱水收缩现象，可造成裂纹的出现，降低钻孔的封孔效果，而且连续注浆操作，对人力物力的消耗较大。此外，尽管速凝剂、膨胀剂等外加剂的使用，可以改善砂浆密封性能，但会封孔效果仍然较差。

2.1.3 聚氨酯封孔

这种方法是通过将特定的两种材料进行搅拌混合，然后再将其送入抽采钻孔，过了一段时间以后，二者混合形成的聚氨酯就会膨胀产生径向压力（通常不会超过2兆帕），加快物体进入裂隙的速度，就会形成对钻孔的封堵。药液法（有卷缠和压注两种形式）是比较常见的处理方式。采用这种方法大大缩短了工作时间，稳定性强，在一定压力范围内不会产生变形，膨胀效率高。一些研究者还进行了其他材料（PD材料等）的搭配，取得了一定的效果，但能否将其大范围的投入使用还有待商榷。

聚氨酯封孔方式存在问题如下：首先聚氨酯材料具有10至300秒的发泡时长，若封孔距离较长时，需对发泡时间严格控控制，否则易在未达到目标位置时即发泡膨胀，会影响钻孔封孔效果;其次由于聚氨酯固结后，其透气压力通常不会高于2兆帕，在钻孔内部应力作用下，可能造成封孔材料损坏，破坏封孔密封性能，降低瓦斯抽采效率;最后其作为高分子聚合物，具有凝结放热的特性，同时聚氨酯材料中还包含一些具有较低燃点的物质，存在引起瓦斯燃烧的可能，而且聚氨酯的发泡效果还易受到湿度及水分的影响，进而降低封孔效果。

2.2 “两堵一注”封孔方式

聚氨酯和囊袋是这种方法所必需的材料，能够在封孔段形成一个堵头，在此基础上进行注浆，注浆过程中会用到注浆机，需要做好设备的维护和保养工作，提高注浆过程的安全性。在注浆时产生的注浆压力，会加快注浆液的渗透速度，最后将抽采钻孔密封。这种方法能够根据实际工况来对封孔参数进行适当调整，保证孔段和孔壁之间的的连接性和密封性，一定范围内的注浆压力能够提高注浆液的渗入率，注浆液过了一段时间以后就会凝固，此时地应力会促进应力集中区域的形成，降低了漏气率，密封性也得到了有效保证。

“两堵一注”封孔方式也存在不足，当堵头材料选用聚氨酯时，会因聚氨酯材料特性，而导致封孔效果不佳的情况。同时，“两堵一注”封孔所应用的囊袋与聚氨酯堵头，由于结构强度较为有限，不可采用过高的注浆压力，使得注浆封堵效果受限。此外，随着持续向下开采，地下煤层的应力会显著增加，当出现应力集中或卸压情况时，会对煤层带来较大破坏，然而对于封孔长度的判断有很大难度，仅依靠经验或现有条件，很难保证裂隙带钻孔密封效果。

2.3 封孔器封孔方式

胶圈和胶囊是封隔器封孔常见的方式。胶圈封隔器主要是通过固定螺帽，利用外套管的运动实现对胶圈的压缩，胶圈一旦被压缩就会产生径向位移，当位移量达到一定程度时，就会对环空空间进行封堵;胶囊封孔器是通过选择合适的方向对胶囊施加力，在力的作用下产生膨胀，就会占据空间，形成对环空空间的封堵。通过这种工作原理，研究人员又采用了注浆式和充气式的封孔方式，主要是将囊袋与充气机等设备相连，在设备的作用下囊袋就会膨胀，占据空间增大，达到封孔的目的。这种方法的好处是能够在较短的时间内实现封孔，并且工作原理简单，易操作，不容易引发安全事故。封孔器封孔的问题表现在：适用范围小，封孔器成本高，封孔深度有限，多作为临时性封孔，而且还会发生橡胶胶囊老化等问题，影响钻孔密封效果。

2.4 二次封孔技术

这种技术在21世纪首次被提出，随后经过众多科研者的努力，不断进行试验改进，取得了重大进步，能够有效的对抽采钻孔进行封孔。封孔过程如下：第一阶段，在抽采管上缠绕聚合发泡材料，然后在此基础上将抽采管放入松动圈外，工作一段时间后，煤层在地应力和回采面的影响下，产生位移变形，会扩大原有煤层的裂隙，使抽采管中的空气含量增加，降低了抽采浓度。第二阶段则是在钻孔内加入微细膨胀粉料，这种材料的组成十分复杂，主要由石灰、淀粉和水泥等材料混合而成，通过使用高压空气能够很好的实现输送功能，将环空空间塞满，接着进行封孔工作，为了节省时间，施工人员一般是通过速凝水泥来达到密封效果。这种方法的优点是很好的利用了抽采负压的原理，能够有效保证输送材料后的裂隙渗入程度高，减少了风量的损失，将瓦斯抽采浓度控制在一个合理的范围内，极大地改进了工作效率。

二次封孔技术存在问题如下：一次封孔后容易出现细料堵塞的问题，会降低密封性能;需严格控制粉料配比与粒径精度，工艺复杂其操作难度大;微细膨胀粉料性能对湿度较为敏感，且井下往往具有较大湿度，若因受潮出现结块现象，会较大程度破坏封孔效果。

3 结束语

综上所述，在我国，随着开采深度的增加，瓦斯问题更加突出，而且瓦斯抽采难度也显著提高，迫切需要瓦斯抽采技术改进与创新。而封孔效果直接关系瓦斯抽采效率，需要掌握瓦斯抽采封孔方式，更好的保障封孔密封性能。

参考文獻：

[1]梁建国，刘铭悦.煤矿顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺[J].煤炭技术，2018，37（05）：190-191.

[2]杨晓东，张锋，李健威，向衍斌.低阶厚煤层立体分层抽采瓦斯技术及应用[J].能源与环保，2019，41（04）：36-41+45.

[3]张天军，宋爽，李树刚，包若羽，尚宏波.瓦斯抽采钻孔封孔质量检测技术与应用[J].西安科技大学学报，2017， 37（05）：623-629.

作者简介：

王飞（1981- ），男，河北张家口人，毕业于山西大同大学，通风与安全工程师。