一种新型封孔技术在顺层钻孔瓦斯抽采作业中的应用分析

陈五一

（潞安化工集团常村煤矿，山西 长治 046103）

1 概述

在我国的燃气能源之中，其最核心的资源就是瓦斯，在进行开采的过程中，其最关键的一道程序就是封孔技术，如果该技术不合理，将会导致瓦斯泄露、气体浓度降低等结果。因此，在进行抽采的过程中，需要积极引入全新的封孔技术，以提高抽采的效果。

何奇等[1]利用大庆油田喇嘛甸区块所开展的项目进行研究，提出了运用锁孔成膜封堵剂来进行封孔，促使工程可以取得较好的防漏效果，通过运用该技术，也可以对储层进行保护，对储层进行了较好的保护。郭烃[2]选择四川龙滩矿井开采过程中出现的瓦斯事故来进行分析，明确了裂隙的发育，并利用两堵一注的形式来实施封孔处理，以有效治理煤矿瓦斯。冯亮亮[3]指出通过运用定向水力压裂技术，可有效改善传统钻孔存在的缺陷，并借助古书院矿井项目来检验这一方法的可行性，以有效解决漏气问题。

由上述可知，目前的研究主要是基于封孔与钻孔两种技术来对瓦斯抽采过程中存在的漏气问题进行研究，并且极少涉及到顺层钻孔的瓦斯抽采[4]。但是，在该工程中，由于受到了矿山压力的影响，钻孔十分容易发生变形问题，进而导致漏气问题的发生。因此，本文研发了一种全新的封孔技术，并将其积极运用到本矿井中，极大提升了瓦斯的抽采率。

2 工程背景与抽采现状

2.1 工程背景

本次研究以潞安化工集团常村煤矿为依托来进行研究，对其瓦斯抽采工作进行研究，本矿井的预期生产力为800×104t/a，在煤炭开采过程中，其方法为倾斜式长壁采煤法，主煤层较为稳定，对瓦斯的含量进行检测为6.85m3/t，瓦斯压力处于0.2～0.49MPa之间[5]。

2.2 原封孔技术

煤矿原钻孔操作是利用PVC 管来进行，并运用聚氨醋来进行封孔，之后迅速实施钻孔，以完成顺层钻孔的封孔操作，对矿井内四个孔深为60m 的瓦斯抽采纯量进行统计，并绘制相关的曲线图，见图1。

图1 原封孔工艺下抽采瓦斯纯量随抽采时间变化关系

根据图1 可以发现，随着抽采时间的推移，四个钻孔的抽采纯量持续降低，并且速度逐渐减缓[5]。在初期开采的时候，四个钻孔每分钟抽采瓦斯纯量分别为0.047m3、0.065m3、0.040m3和0.024m3，而在持续进行了10d之后，每一个钻孔每分钟抽采瓦斯的纯量均降低至0.02m3，其中，744 号钻孔基本趋于0。因此，如果封孔过程采取原聚氨醋则无法取得较好的效果，并且会加重漏气问题，无法取得较好的抽采效果，因此，需对封孔技术进行积极创新。

3 新型封孔技术

3.1 抽采漏气规律

在进行瓦斯抽采的时候，由于受到诸多因素的影响，如封孔技术、围岩性质等，瓦斯会出现不同的泄露状况。通过开展现场调查，与工程、岩石力学等理论相结合，发现抽采阶段主要发生了以下三种漏气问题：

（1）破碎围岩漏气。如图2 所示，为抽采过程中气体的流动图。通过该图可知，在形成了钻孔之后，由于开挖问题，钻孔周围出现出现了围岩松动、破碎等问题，根据岩石力学的理论，将围岩划分为三个区域，分别为弹性区、塑性区和破碎区。在气体泄露的问题上，破碎区是关键原因，需要采取有效措施来进行及时封堵[6]。

图2 顺层钻孔瓦斯抽采气体流动

（2）钻孔壁与封孔材料存在贴合差。由于受到矿山压力的影响，钻孔围岩将会发生一定的变形问题，例如，封孔材料无法较好地粘结钻孔壁，导致两者之间会出现空隙，进而导致钻孔之中存在一定的空气，从而出现漏气的问题[7]。

(3)封孔材料漏气。与图2 相结合，在发生这一问题的情况下，空气将会进入到抽采管之内，导致瓦斯的浓度持续降低，无法取得较好的抽采结果[8]。导致这一问题发生的原因较多，例如操作不当、材料质量较差等，因此，需要对材料的质量进行严格把控，促使瓦斯的抽采效率得到显著提升。

3.2 封孔原则

以上述漏气的规律及原因分析为基础，与封孔技术及其要求相结合，提出以下几点原则：

（1）遵循优先封堵破碎围岩的原则。在进行抽采的过程中，由于受到开采的破坏，并且由于受到矿山压力的影响，会发生蠕变变形，这就导致围岩的受破坏情况更为严重。在进行抽采的时候，造成瓦斯出现泄露的核心因素在于围岩破碎，因此，应遵循优先封堵破碎围岩的原则来进行封堵[9]。在这一过程中，首先需要运用岩石力学理论，对其他的参数进行综合考虑，选择适合的方法来对钻孔的卸压直径进行计算。

（2）遵循封堵深度优化原则。抽采过程中之所以出现漏气问题，其关键在于钻孔的卸压区与峰后的应力区，由于这一区域之内的煤岩受到了破坏，岩石内部的裂隙会存在良好的发育，因此，钻孔之时应当对围岩的卸压区和峰后的应力区进行综合考虑来选择封孔的深度[10]。

3.3 封孔工艺优化

图1 表示的是处于原聚氨醋封孔技术的背景下瓦斯的抽采纯量与时间之间的曲线图，这一封孔技术不具有较高的效率，因此需要对封孔技术进行完善。由于聚氨醋无法较好地渗入煤体之中，封堵的效果较差，因此，封孔材料可以选择SRS-Ⅱ型高强微膨胀型的速凝材料。这一材料具有较多的优势，如较好地渗透性、较快地凝结速度等，并且具有较长的使用寿命，可以将围岩裂隙进行有效地封堵[11]。为了确保封孔深度达到标准，在作业面周围需要进行打钻，以取得深度不同的钻孔，图3表示的各个深度下煤屑瓦斯解吸参数的变化规律。根据图3可知，从整体上讲，这一参数会随着深度的改变而不断变化，其主要呈现为上升趋势，但是在钻孔抽采到11m 的深度时，该曲线的斜率将会急剧增加，因此，明确11m为围岩卸压区，因此，钻孔的深度为11m的时候，瓦斯抽采才可以取得较好的效果[12]。

图3 钻孔煤屑瓦斯解吸参数随钻孔深度变化趋势

3.4 优化效果

本文所研究的钻孔深度与以往封孔技术所运用的钻孔深度相一致，最终得到了四个钻孔抽采的瓦斯纯量，且其数值会随着时间的延长而发生变化，详见图4，两者之间呈现出指数函数关系，即抽采的瓦斯纯量会伴随着时间的不断延长而持续降低，但是两者的变化速度会持续变缓，这与传统的封孔工艺的变化基本一致[13]。在初次开采的时候，这四个钻孔的瓦斯纯量分别为0.043m3、0.019m3、0.025m3和0.046m3，而持续进行了10d 之后[14]，在每一分钟内，四个钻孔所开采的瓦斯纯量持续降低，其中，744号钻孔基本趋于0。

图4 新型封孔工艺下抽采瓦斯纯量随抽采时间变化关系

对利用新型封孔技术之后瓦斯的抽采效率与利用之前进行对比，对各个钻孔瓦斯的初始含量进行综合考虑，因此，选择两个瓦斯抽采的初始纯量相接近的钻孔进行对比[15]。选择880 和992 号钻孔来进行比较研究，其瓦斯抽采的初始纯量分别为每分钟0.047m3和0.046m3，当抽采时间持续进行20d之后[16]，在不同的封孔技术之下，抽采瓦斯的纯量分别为每分钟0.003m3和0.008m3。利用新型的封孔技术来完成封孔，之后的瓦斯抽采纯量得到了显著提升，因此，在顺层钻孔的瓦斯抽采之中，新型的封孔技术可以取得较好的效果[17]。

4 结论

为了改善我国煤矿顺层钻孔进行瓦斯抽采的效果，本文以潞安化工集团常村煤矿瓦斯抽采项目为对象来开展研究，针对其中顺城钻孔发生的漏气问题进行分析，并开发出新的封孔技术，得到以下结论：

（1）在以顺层钻孔为技术来开展开采作业时，瓦斯泄露问题主要在于以下三个因素：钻孔壁与封孔材料之间的贴合差、破碎围岩出现漏气、封孔材料出现漏气，因此需要严格遵照相应的原则来优化这一问题。

（2）随着抽采时间的延长，瓦斯纯量持续降低，但是速率却逐渐缓慢，两者之间呈现出了一种指数函数的变化趋势；与以往所运用的技术相对比，通过运用合适的封孔技术来实施封孔，其瓦斯的抽采量得到明显提升。