深部首采关键保护层预抽钻孔高效封孔技术研究

王 永

（煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽淮南232001）

0 引 言

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的根本措施，是实现突出煤层安全开采的前提和保证[1-3]。实践证明，无论是保护层开采还是预抽煤层瓦斯，钻孔抽采是煤矿井下瓦斯治理不可或缺的方法[4-6]。依据当前煤层瓦斯治理的经验，采用钻孔治理瓦斯时，钻孔封孔是保证瓦斯治理效果的关键，封孔位置、封孔深度、钻孔密封后煤(岩)体周围裂隙分布等影响着钻孔抽采瓦斯效果。常用的抽采钻孔封孔工艺主要有粘土/水泥卷封孔、封孔器封孔、水泥浆封孔、聚氨酯封孔等[7-9]，对提高抽采钻孔密封效果起到了不同程度的推动作用，但当前抽采钻孔封孔质量不满足瓦斯抽采要求的现状依然存在，仍有很多技术难题尚未解决，包括高地应力、高瓦斯、低透气性煤层钻孔的成孔难，钻孔封孔质量不高，封孔后抽采瓦斯浓度低、抽采量小等实际问题[10-11]。

因此，针对钻孔高效封孔技术的研究，对解决煤矿瓦斯问题意义重大，有助于提高瓦斯预抽效果，充分发挥钻孔工程效益。以淮南矿区谢桥煤矿首采6 煤层为研究对象，结合6 煤层瓦斯地质条件，基于对钻孔围岩应力及裂隙分布的研究成果，分析钻孔合理封孔位置，对比分析“囊袋式两堵一注”及“聚氨酯+水泥浆”两种封孔技术应用效果，为高瓦斯低透气性煤层预抽钻孔高效封孔提供借鉴。

1 工程概况

谢桥矿B 组煤（8、6、4-2 煤层）均为突出煤层，矿井二水平范围内的B 组煤基本处于突出危险区，采用选择中间6 煤层作为保护层先行开采的瓦斯治理模式，6 煤距上覆8 煤层平均间距为33.26m，下距5煤层和4-2 煤层分别为18.12m、25.62m。

以二水平东翼采区6 煤层13516 运顺、21216 底抽巷为试验地点，该区域煤层平均厚度为2.91m，平均倾角为13°；煤巷条带瓦斯采用在施工4 煤底抽巷施工穿层钻孔进行预抽，钻孔采用10m×5m 网格化布置，封孔采用聚氨酯一堵多注方法；回采区域瓦斯采用顺层钻孔进行预抽，钻孔间距为15m，封孔采用囊袋式两堵一注方法。

2 钻孔合理封孔深度分析

2.1 抽采钻孔周边裂隙发育

巷道掘进过程中，围岩原始应力平衡状态被打破，围岩应力重新分布，在巷道周围会形成一个3～5倍巷道宽度的裂隙带。巷道掘进完成后，巷道围岩裂隙不断发育，并相互连通，在巷道周边形成如图1 所示的卸压带、应力集中带、原岩应力带（三带）。

处在裂隙带内的裂隙较为发育，且裂隙之间相互贯通。若裂隙带内孔隙封闭不严时，导致瓦斯抽采效果不佳。

图2 钻孔围岩变形分布情况

如图2 所示，在抽采钻孔施工同样会造成巷道以及钻孔周边煤岩体的损伤，产生塑性区、弹塑性区及弹性区（三区），使得钻孔周边次生裂隙发育。封孔过程中，需对这些裂隙进行封堵，保证抽采效果。

2.2 钻孔密封合适位置

根据图3 所示的煤样全应力-应变曲线[12]，煤样的应力全程分为5 个阶段：OA 段，原始空隙压密阶段；AB 段，线弹性阶段；BC 段，弹塑性变形阶段；CD段，破坏阶段；DE 段，破坏发展阶段。图中B 点为弹性极限，D 点为强度极限，从C 点开始，当应力达到0.95 σmax以上时，裂隙不断生成并相互贯通。因此，自CD 段起，试件内部产生大量裂隙，裂隙之间相互贯通，形成瓦斯流动通道。自最大应力点至煤壁的距离为塑性极限应力带，该区域内煤体多为塑性破坏，内部发育大量裂隙，并出现扩容现象。该区域有助于提高超前动压区瓦斯抽放效果。

塑性区内煤体受巷道掘进、钻孔施工等工程扰动影响较大，该区内煤体破碎且裂隙发育，该区域内封孔会导致二次再生裂隙发育，降低封孔质量；且该区域的瓦斯得到充分释放，不需要在进行抽采。因此，合理的封孔深度应越过卸压区进入应力集中区。

图3 煤样应力应变全程曲线

3 关键保护层预抽钻孔封孔试验方案

尽管当前关于钻孔的密封方法有很多，但能够大范围推广应用并能取得较好效果的方法并不多。从矿区封孔成本以及现场应用效果看，“聚氨酯+水泥浆封孔”、“囊袋式两堵一注封孔+水泥浆”两种封孔方法应用相对较多，并针对该两种封孔方法及封孔参数开展现场对比试验。

针对6 煤层试验区13516 运顺、21216 底抽巷具体条件，开展顺层钻孔和穿层钴孔的封孔参数研究。试验方案见表1。

表1 6 煤层试验区钻孔封孔参数试验方案

4 不同封孔方式下的抽采效果分析

如图4 所示，44-2#、46-1#和47-1#为改进型联动封孔装置+新材料封孔；45-2 和46-2 为聚氨酯+普通水泥封孔；47-2 为聚氨酯分段封孔。从图中可以看出，囊袋式两堵一注封孔装置与聚氨酯封孔两种情况下瓦斯抽采效果对比情况，可以看出在其他参数相同的情况下，囊袋式两堵一注封孔效果要优于聚氨酯封孔。

图4 不同封孔方法瓦斯抽采效果对比

图5 穿层钻孔不同封孔参数瓦斯抽采效果对比

表2 不同封孔参数瓦斯抽采效果

根据图5 及表2 可以看出，同等抽采条件下，上向穿层钻封孔效果在0～15m 范围内随着封孔长度的增加而提高；当封孔长度大于15m 后，封孔效果提高较小。

根据试验地点顶板岩层岩性特点，穿层钻孔施工巷道存在松动裂隙圈，其值可以达到3m，穿层钻孔封孔时，若注浆压力满足不了要求，往往不能有效封堵巷道松动裂隙圈。另外，煤矿井下的采动应力处于变化中，爆破、顶板垮落引起的动压往往会降低钻孔孔口的注浆封孔质量，导致巷道松动裂隙圈密闭质量难以持续保证。

地质资料显示穿层钻孔施工所在的底抽巷巷道顶板赋存有6～7m 厚的砂岩，砂岩上覆有泥岩或砂质泥岩。泥岩或砂质泥岩与砂岩相比，自身具有较好的可塑性，抵抗外界应力扰动的能力较强，完整性较好，扰动裂隙较少。

综上所述，在6 煤层穿层钻孔封孔过程中，更应注重封孔位置的选择。选择距离孔口一定距离的泥岩或(和)砂质泥岩进行封孔，即岩段的封孔长度应超过8m，才能有效提高穿层钻孔封孔质量。

5 顺层钻孔封孔效果

图6 所示的是顺层钻孔不同封孔参数下的瓦斯抽采效果，从测试结果看，随着顺层钻孔封孔长度在0～18m 范围内增大过程中，瓦斯抽采纯量相应呈增长趋势，瓦斯抽采效果愈加良好；当封孔长度超过18m后，抽采纯量增长速度减缓，甚至趋于停滞，瓦斯抽采效果提高较小。

根据封孔长度为5～25m 和0～20m 两种条件下的单孔纯量对比可知，封孔长度增大，瓦斯抽采效果并没有太大提高。综合分析表明，封孔长度为20-25m时，在保证了封孔质量的同时，也更加经济合理。

图6 顺层钻孔不同封孔深度下的单孔抽采纯量变化图

从封孔参数与瓦斯抽采效果看，预想的穿层钻孔条带预抽距巷帮15m 范围的区域并未完全破碎，即采用两堵一注封孔装置及方法能够有效封堵该区域的部分裂隙。表明顺层钻孔封孔范围为5～18m 的区域，即封孔长度13m 即可满足顺层钻孔封孔质量要求；煤体较破碎时，可封堵5～20m。

6 结 论

1）采用“囊袋式+两堵一注”封孔方式能够有效封堵封孔段周围煤岩体裂隙，密封效果优于“聚氨酯+水泥浆”封孔方式。

2）提高6 煤层穿层钻孔封孔质量的关键在于确定合理的封孔位置，上向穿层钻封孔效果随着封孔长度的增加而提高，但封孔长度不宜超过15m。

3）6 煤层顺层钻孔封孔长度为13m 时，即可满足正常条件下的顺层钻孔封孔质量要求。