坦家沖礦瓦斯抽放鉆孔封孔工藝技術(shù)研究

方前程 黃淵躍 劉學(xué)服

（1.湖南省煤炭科學(xué)研究所，湖南省長沙市，410004；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南省長沙市，410083）

坦家沖礦瓦斯抽放鉆孔封孔工藝技術(shù)研究

方前程1，2黃淵躍1劉學(xué)服1

（1.湖南省煤炭科學(xué)研究所，湖南省長沙市，410004；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南省長沙市，410083）

針對傳統(tǒng)的聚氨酯封孔工藝存在的缺陷，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了采用聚氨酯－膨脹水泥砂漿封孔技術(shù)，實(shí)踐表明，該技術(shù)的應(yīng)用提高了礦井的瓦斯抽采率，解決了抽放過程中抽放鉆孔漏氣及抽放率低等問題。

瓦斯抽放 聚氨酯 膨脹水泥 封孔工藝

我國煤礦大多數(shù)是瓦斯礦井，瓦斯事故為煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。抽采瓦斯是解決礦井瓦斯含量高、瓦斯涌出量大等問題中最根本的措施，影響礦井瓦斯抽放效果的因素是多方面的，其中抽放鉆孔的封孔質(zhì)量是做好抽放工作的最基礎(chǔ)的保障性措施。坦家沖礦是我國著名的煤與瓦斯突出礦井，一直致力于瓦斯抽采高效技術(shù)的探索。隨著開采深度的增加，采區(qū)地應(yīng)力及瓦斯含量逐步增大，加之煤質(zhì)松軟，采用聚氨酯封孔后，鉆孔邊緣部位漏氣嚴(yán)重，導(dǎo)致抽放效率低，不能有效地消除突出危險(xiǎn)，故進(jìn)行了新型封孔材料的試驗(yàn)探索。

1 礦井抽放系統(tǒng)概況

坦家沖礦地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，井田內(nèi)頂?shù)装迨軜?gòu)造應(yīng)力的影響明顯，近年來，隨著礦井開采深度的增加，造成開采區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力大、瓦斯含量及壓力逐步增大，給礦井采掘活動(dòng)造成較大影響。現(xiàn)采掘活動(dòng)區(qū)域2264工作面的瓦斯含量原始最高已達(dá)到15.09m3／t，原始瓦斯壓力為0.78～1.55MPa，瓦斯放散初速度為14.3～20.6ml／s，2010年礦井瓦斯等級(jí)鑒定的絕對瓦斯涌出量達(dá)到64.5m3／min，2011年礦井瓦斯等級(jí)鑒定的絕對瓦斯涌出量為77.46m3／min，透氣性系數(shù)僅為0.0116～0.0520m2／（MPa2·d），這些不利因素都導(dǎo)致礦井瓦斯抽采難度增大。

該礦建立了地面永久瓦斯抽放泵站，目前全礦在抽鉆孔533個(gè)，礦井抽放量為15.74m3／min，其中本煤層抽放量為14.56m3／min，礦井抽放率維持在19%左右，其余鉆孔因濃度低于8%而關(guān)閉。

2 礦井抽放效率低的原因分析

在相同抽放系統(tǒng)下，瓦斯抽出量大小與瓦斯抽放工藝、抽放鉆孔布孔方式、通風(fēng)系統(tǒng)、煤產(chǎn)量大小及工作面長度、工作面推進(jìn)速度和井下煤層開拓及開采間隔時(shí)間等因素有關(guān)。影響礦井抽放效率的因素主要有：抽放設(shè)備；抽放管網(wǎng)；抽放鉆機(jī)；抽放鉆孔間距；鉆孔的封孔工藝及抽放負(fù)壓。坦家沖礦井瓦斯抽放系統(tǒng)的實(shí)際情況主要?dú)w納為4個(gè)方面。

2.1 抽放周期短

由于煤體透氣性差，瓦斯衰減快，瓦斯來源補(bǔ)充有限，抽放難度較大；同時(shí)構(gòu)造發(fā)育、煤層松軟，造成抽采鉆孔易塌孔、成孔率低，抽采效果非常差。

以2263進(jìn)風(fēng)巷試驗(yàn)孔為例，抽放20d后鉆孔抽放濃度平均衰減19%左右，抽放100d后鉆孔抽放濃度平均衰減26%左右。由于抽放衰減較快，新接抽鉆孔僅能彌補(bǔ)抽放衰減所損失的部分，使抽放總量維持一個(gè)較穩(wěn)定水平。

2.2 抽放鉆孔少

工程量小：鉆孔工程量不足是導(dǎo)致瓦斯抽放率偏低的主要原因之一。按2263工作面在抽鉆孔最多時(shí)586個(gè)計(jì)算，其噸煤鉆孔量僅為0.03m3，遠(yuǎn)低于其他礦井。

在抽鉆孔少：目前全礦在抽鉆孔僅533個(gè)，其中2264抽放泵站覆蓋抽放區(qū)域在抽鉆孔294個(gè)，抽放量為14.24m3／min，占抽放總量的91%；而2263采空區(qū)和2261抽放泵站抽放區(qū)域在抽鉆孔合計(jì)239個(gè)，抽放純量合計(jì)1.49m3／min，僅占抽放總量的9%。

表1 抽放鉆孔參數(shù)表

2.3 抽放管路漏氣嚴(yán)重

針對井下本煤層瓦斯抽放濃度低、負(fù)壓小的問題，抽放隊(duì)對井下抽放系統(tǒng)進(jìn)行了全面普查和整改。盡管如此，抽放系統(tǒng)漏氣現(xiàn)象仍然普遍存在。通過對抽放主管加接防漏氣裝置，抽放管路漏氣現(xiàn)象基本得到有效控制。但部分鉆孔仍然存在封孔不嚴(yán)、孔口漏氣現(xiàn)象，造成抽放系統(tǒng)短路，鉆孔孔口負(fù)壓降低，致使抽放濃度低影響抽放效果。其中43064泵站抽放區(qū)域146個(gè)鉆孔，漏氣現(xiàn)象極為嚴(yán)重，鉆孔濃度和孔口負(fù)壓均達(dá)不到抽放標(biāo)準(zhǔn)，該部分鉆孔占全礦井在抽鉆孔數(shù)的45%，均無法得到有效抽放效果。

2.4 抽放負(fù)壓與抽放量不匹配

原2264抽放泵站負(fù)壓為20kPa左右，回風(fēng)巷及孔口負(fù)壓為10kPa左右；通過對抽放系統(tǒng)整改，負(fù)壓現(xiàn)已達(dá)到48kPa左右，2263工作面3條回風(fēng)巷及孔口負(fù)壓均在40kPa左右。而為了進(jìn)一步提高礦井瓦斯抽放率，采取了關(guān)閉低濃度鉆孔的措施，這樣在原有的抽放負(fù)壓條件下，在抽的鉆孔數(shù)量較少，使得在抽的鉆孔內(nèi)瓦斯流量較小。雖然能提高部分區(qū)域內(nèi)抽放管路中的瓦斯?jié)舛龋V井瓦斯抽采率并未提高。

3 封孔工藝改進(jìn)

3.1 聚氨酯封孔

抽放鉆孔普遍采用聚氨酯材料進(jìn)行封孔，該方法是采用3種不同的化學(xué)藥劑，按照一定的混合比例調(diào)配，將配好的藥液均勻涂抹在綁有棉紗布的封孔器或抽放管路上，在膨脹發(fā)泡前送入鉆孔，待膨脹充分密封鉆孔后進(jìn)行抽放作業(yè)，見圖1。

圖1 聚氨酯封孔裝置示意圖

在2264進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)操作，封孔抽放后發(fā)現(xiàn)，抽放鉆孔單孔及抽放管路中的瓦斯?jié)舛绕汀＝?jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，孔口負(fù)壓直線下降，而管路及鉆孔連接頭處未漏氣。經(jīng)過研究分析，單純用聚氨酯封孔導(dǎo)致瓦斯抽放濃度偏低的原因有如下3個(gè)方面：

（1）該封孔方式的鉆孔長度有限，一般封孔器的長度僅為3m，故封孔段長度小于3m，不能實(shí)現(xiàn)長距離多方位保障措施，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)抽放負(fù)壓較低，最大只能達(dá)到9～10kPa，未能影響到鉆孔深處的鉆孔瓦斯；

（2）由于該工作面地應(yīng)力較大，在實(shí)行封孔后，鉆孔內(nèi)受到頂板擠壓，凝固的聚氨酯在應(yīng)力擠壓下出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致漏氣。

（3）從現(xiàn)場調(diào)查得出，由于該工作面煤質(zhì)松軟，在打鉆成孔期間受到鉆機(jī)的擾動(dòng)影響，在鉆孔周圍形成裂隙，而該封孔方式未能完全填滿鉆孔周圍的次生裂隙，使得抽放負(fù)壓與巷道內(nèi)大氣連通，造成漏氣。

3.2 聚氨酯－膨脹水泥封孔

為了提高瓦斯抽放效果，一般的礦井都普遍采用“高負(fù)壓”的抽放方式，而采用聚氨酯封孔導(dǎo)致抽放效率低，不能很好地降低開采煤層瓦斯。經(jīng)過探索研究，提出了“聚氨酯－膨脹水泥”封孔方式，該方法的實(shí)質(zhì)是將抽放鉆孔的封孔段用高分倍膨脹水泥砂漿填滿，聚氨酯作為封孔的一種輔助材料，其中封孔段長度加長至12m。

圖2 聚氨酯－膨脹水泥封孔工藝示意圖

該封孔材料選用撫順研究院研制的一種新型封孔材料，它是由膨脹率大、密封性好、粘合力強(qiáng)并且絕緣阻燃的煤礦專用合成樹脂（由A、B兩種液體組成），膨脹率達(dá)20倍以上，膨脹時(shí)間為2～5 min，能保證在抽放負(fù)壓為60～80kPa條件下鉆孔的密封效果。

聚氨脂－膨脹水泥封孔工藝示意圖見圖2。具體操作步驟為：

（1）取出足量的A、B膠，然后在連好的封孔管接口處纏3～5m的白布，將取出的A、B膠均勻倒入裹好的白布內(nèi)，使用工具攪拌均勻，待發(fā)泡開始，將纏好白布帶膠的封孔管塞進(jìn)孔內(nèi)，外露長度保持300mm；

（2）使用風(fēng)動(dòng)水泥注漿泵往抽放鉆孔內(nèi)注入水泥砂漿進(jìn)行二次封孔，使用風(fēng)動(dòng)注漿泵向孔內(nèi)注漿，直到水泥從排氣孔內(nèi)流出后停止注漿。然后將外露的排氣管口封嚴(yán)。排氣管不透氣后，繼續(xù)注漿，直到水泥從孔口石膏處溢出，結(jié)束注漿。

（3）下行孔將注漿管伸進(jìn)孔內(nèi)約8m左右，排氣管伸入孔口1m，孔口用石膏封口；上行孔將排氣管伸入孔內(nèi)約8m左右，注漿管伸入孔口1 m，孔口用石膏封口；水平孔應(yīng)視現(xiàn)場情況確定注漿管和排氣管深入鉆孔的長度及位置，保證水泥能將鉆孔封堵嚴(yán)密。

3.3 封孔效果考察

為了能考察傳統(tǒng)聚氨酯封孔與膨脹水泥－聚氨酯組合封孔工藝對坦家沖礦瓦斯抽放鉆孔的適應(yīng)性，在2263進(jìn)風(fēng)巷施工鉆孔60個(gè)，選取了各個(gè)封孔工藝中效果較明顯的幾組鉆孔進(jìn)行了考察分析，結(jié)果見圖3。

圖3 不同封孔工藝的鉆孔瓦斯抽放濃度及純量對比

由圖3中可以得出，在相同的抽放負(fù)壓條件下，應(yīng)用膨脹水泥－聚氨酯組合材料封孔比傳統(tǒng)聚氨酯封孔效果顯著，相同的條件下，瓦斯抽放效率提高了近16.6%。

4 結(jié)論與建議

聚氨酯－膨脹水泥封孔工藝可以在較高的外界壓力下，使膨脹水泥能很好地充填鉆孔內(nèi)煤體的原生裂隙和次生裂隙，有效杜絕了鉆孔壁漏氣問題。與單純應(yīng)用聚氨酯封孔工藝相比，聚氨酯－膨脹水泥封孔工藝進(jìn)一步提高了礦井的瓦斯抽放率，為礦井應(yīng)用水力化措施增大煤層透氣性以提高瓦斯抽采率提供了有力保證。

［1］ 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

［2］ 袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004

［3］ 王顯政.煤礦安全新技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2002

［4］ 中國煤炭工業(yè)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì).瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［5］ 林柏泉.影響煤層瓦斯抽放的因素及其分析［J］.煤礦安全，1999（9）

［6］ 張愛然.瓦斯抽放效果的影響因素分析及對策［J］.山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（4）

Study on gas drainage borehole sealing technique for Tanjiachong Coal Mine

Fang Qiancheng1，2，Huang Yuanyue1，Liu Xuefu1
（1.Coal Science Research Institute of Hunan Province，Changsha，Hunan 410004，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

Aimed at the defects of borehole sealing by polyurethane，a new technique was proposed for the borehole sealing by polyurethane and expandable cementmortar.The application showed that the gas drainage efficiency was enhanced and the problem such as gas leakage during the gas drainage was solved.

gas drainage，polyurethane，expandable cement，borehole sealing technique

TD712.6

A

方前程（1982－），男，河南汝南人，工程師，現(xiàn)就職于湖南省煤炭科學(xué)研究所，任副主任，主要從事瓦斯災(zāi)害治理方面的研究。

（責(zé)任編輯 梁子榮）