順層鉆孔膠囊封孔技術研究及應用

楊啟軍，薛闕章，石志亮

（1.義煤河南大有能源股份有限公司 技術中心瓦斯研究所，河南 義馬472300；2.義煤集團新義礦業(yè)公司，河南 新安471821；3.鄭煤集團國瑞煤業(yè)有限公司 通風防突處，河南 新密452371）

瓦斯災害嚴重威脅礦井安全生產。目前，防治煤礦井下瓦斯災害最有效的措施是瓦斯抽采，而我國95%以上高瓦斯和突出礦井屬于低透氣性煤層〔1－3〕，其透氣性系數只有10－3～10－4mD〔3－5〕，煤層透氣性差，加之目前瓦斯抽采鉆孔封孔不嚴造成抽采過程中漏氣嚴重，鉆孔的瓦斯抽采濃度衰減較快，瓦斯抽采困難、瓦斯抽采效率低是國內突出礦井普遍存在的技術難題。為實現高負壓、高濃度連續(xù)瓦斯抽采，著手開展了膠囊封孔技術研究。該技術已在義煤集團新義礦業(yè)公司12041工作面皮帶順槽本煤層鉆孔進行了封孔應用，效果顯著。

1 膠囊封孔技術封孔機理及配套設備研究

1.1 膠囊封孔技術封孔機理研究

膠囊封孔技術，是基于采煤工作面煤壁內存在應力擾動溝通的裂隙，利用帶壓注漿方式來達到改變瓦斯抽采鉆孔周圍煤體特性和密封微孔裂隙的目的。該膠囊封孔技術的具體施工工藝為：封孔前利用壓風吹凈孔內鉆屑，然后將膠囊封孔器和抽采花管置入鉆孔預定位置，利用專用風動雙液注漿泵將A、B兩種封孔材料經注漿泵混合槍頭注入膠囊；在注漿泵的壓力下，封孔材料充滿整個膠囊，膠囊與鉆孔內壁緊密接觸，初步實現了封孔效果。由于膠囊兩端采用的是防滲透材料而膠囊中部采用的是可滲透材料，隨著注漿泵繼續(xù)泵入封孔材料，在強大的注漿壓力下，封孔材料從膠囊中部透過到達膠囊和鉆孔之間的空隙，充滿整個空間并向煤體裂隙內部運移，從而實現密閉瓦斯泄漏通道的目的（見圖1）。

圖1 膠囊封孔技術封孔系統(tǒng)示意

1.2 膠囊封孔技術配套設備的研制

1.2.1 膠囊封孔器膠囊研制

膠囊封孔器膠囊采用特殊材料制成，由特殊羅紋布和高密封無污染橡膠材料兩部分構成，膠囊的大小和長度可以根據需要定制。膠囊用羅紋布具有伸縮性，即膠囊的直徑可以脹大，且膠囊羅紋布在較高的壓力下具有滲透性能，膠囊兩端采用橡膠密封。

1.2.2 膠囊封孔用注漿材料研制

膠囊封孔注漿材料應具有膨脹、速凝、可注性等特點。為實現良好的封孔效果，在滿足上述要求的基礎上，成功研制了雙液型注漿封孔材料，該材料滲透性好，固結強度高，凝結時間可調，可操作性強。

1.2.3 膠囊封孔用注漿泵研制

為實現A、B兩種封孔材料均勻混合并具備一定的壓力注入封孔器，結合井下現有壓風資源研制了體積小、重量輕、移動方便以壓風為動力的封孔用注漿泵，并研制了高密封、免清洗、自動混合槍頭。

2 膠囊封孔技術瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度的確定

瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度的范圍必須超過巷道松動區(qū)范圍，但同時又要小于巷道煤壁應力峰值點的深度。由于鉆屑量沿鉆孔的變化與沿鉆進方向煤體內的應力變化趨勢一致，因此，可以從鉆屑量的變化規(guī)律分析煤體內的應力分布規(guī)律，從而確定出松動區(qū)的范圍和應力峰值點的位置，為確定合理封孔深度提供依據。經現場實測，抽采鉆孔合理封孔深度應在鉆孔7～9m深度位置。

3 膠囊封孔技術現場應用

3.1 試驗工作面及現場應用情況簡介

本次試驗地點為義煤集團新義礦業(yè)公司12041工作面皮帶順槽。在皮帶順槽施工了巷幫本煤層鉆孔，鉆孔孔徑Φ89mm，孔間距3m，鉆孔仰角2°；鉆孔開孔位置距巷道頂板1.4m，鉆孔深72m，施工完畢后及時進行了封孔，封孔段長度均為8m。

3.2 應用效果分析

試驗鉆孔自2011年12月5日開始施工，自2011年12月9日施工完畢。各鉆孔施工結束后立即封孔、聯(lián)管抽采并監(jiān)測抽采濃度。本次共計封孔12個，其中采用聚氨酯－水泥砂漿所封鉆孔3個，采用膠囊封孔技術所封鉆孔9個。各試驗鉆孔抽采濃度隨抽采時間變化折線見圖2，采用聚氨酯－水泥砂漿封孔鉆孔及采用膠囊封孔技術所封鉆孔平均抽采濃度隨抽采時間變化折線見圖3。

圖2 各試驗鉆孔抽采濃度隨抽采時間變化折線

圖3 兩種封孔方法下鉆孔平均瓦斯抽采濃度隨抽采時間變化折線

通過圖2、圖3可以得出以下結論：

（1）采用聚氨酯－水泥砂漿封孔法對抽采鉆孔進行封孔后，鉆孔最大抽采濃度可達75.1%，但持續(xù)時間較短；采用膠囊封孔技術后，鉆孔最大抽采濃度可達89%，表明采用該技術后，鉆孔的密封效果更好，正是由于新型瓦斯抽采鉆孔封孔法不僅密封了鉆孔，還封堵了鉆孔內壁與煤層溝通的發(fā)育裂隙，才實現了鉆孔瓦斯較高濃度的抽采。

（2）由圖2可知，采用聚氨酯－水泥砂漿封孔的大部分抽采鉆孔，在抽采7天后就發(fā)生抽采濃度急劇衰減的現象，這是由于膨脹后的聚氨酯幾乎沒有抗壓強度，不足以抵抗在地應力的作用下鉆孔周圍煤體的變形，而由于煤層傾角較小，水泥砂漿不能充滿整個鉆孔封孔段空間，在高地應力作用下，固化的聚氨酯材料被壓縮，造成固化的聚氨酯與鉆孔內壁出現裂隙而漏氣；而膠囊封孔材料在封孔初期就對鉆孔施加支護力，限制鉆孔變形，保持鉆孔的穩(wěn)定，避免了上述漏氣現象，因此能保持在相對較長時間內實現較高濃度的穩(wěn)定抽采。

（3）由圖3可知，經過91天的抽采，采用膠囊封孔技術后，鉆孔平均最大抽采濃度達64.7%，最小平均抽采濃度為34.3%；而采用聚氨酯－水泥砂漿封孔后，鉆孔平均最大抽采濃度為43.8%，最小平均抽采濃度為6.8%。采用膠囊封孔技術后，鉆孔平均抽采濃度較聚氨酯封孔方法提升95%以上，且在91天的抽采過程中一直保持較高的抽采濃度（34%以上），而聚氨酯－水泥砂漿封孔鉆孔經過35天的抽采后平均抽采濃度已不足20%。

綜上所述，采用膠囊封孔技術的抽采鉆孔有效地抵抗了地應力作用下鉆孔周圍煤體的變形，鉆孔的密封效果得到了提升，鉆孔的平均瓦斯抽采濃度較聚氨酯－水泥砂漿封孔法有較大程度的提高，具有較大的優(yōu)越性。目前該技術已在義煤集團千秋煤礦、孟津煤礦、義安礦業(yè)公司、新安煤礦、新義礦業(yè)公司等推廣應用，具有廣闊的應用前景。

4 結語

1）研制了順層鉆孔膠囊封孔器，該膠囊具有膨脹性能，且在較高的壓力下具有較強的滲透性，能透過封孔材料，可實現對封孔器和鉆孔內壁之間的間隙及鉆孔內壁發(fā)育裂隙的有效封堵，有效提高鉆孔的瓦斯抽采濃度。

2）研制了具有微膨脹性、速凝、可注性的注漿封孔材料，并研制了配套的雙液封孔泵和免清洗混合槍頭，消除了殘余在注漿泵混合槍頭中的余料固結造成槍頭堵塞的弊病。

3）在對膠囊封孔技術進行深入研究的基礎上，進行了工業(yè)試驗。試驗結果表明，經過91天的抽采后，采用膠囊封孔技術的鉆孔平均瓦斯抽采濃度仍保持在34%以上，而經過相同時間的抽采，采用聚氨酯－水泥砂漿封孔法的鉆孔平均瓦斯抽采濃度已不足7%。

〔1〕汪有剛，李宏艷，齊慶新，等.采動煤層滲透率演化與卸壓瓦斯抽放技術〔J〕.煤炭學報，2010，35（3）：406－410.

〔2〕李運宏.松軟煤層瓦斯抽采鉆進關鍵技術研究〔J〕.煤，2010，09（023）：56－57，75.

〔3〕秦躍平，姚有利，劉長久.鐵法礦區(qū)地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯技術及應用〔J〕.遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2008，27（1）：5－8.

〔4〕周連清.興安煤礦開采保護層的應用及效果分析 〔J〕，江西煤炭科技，2012，02：5－7.

〔5〕謝生榮，武華太，趙耀江，等.高瓦斯煤層群“煤與瓦斯共采”技術研究〔J〕，采礦與安全工程學報，2009，26（02）：173－179.