兩種不同抽采鉆孔封孔工藝應(yīng)用及效果研究

廉振山，趙 晶，張志榮

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

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兩種不同抽采鉆孔封孔工藝應(yīng)用及效果研究

廉振山1,2，趙 晶1,2，張志榮1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

通過對(duì)聚氨酯封孔袋和新型膨脹材料與聚氨酯封孔袋結(jié)合的“兩堵一注”式封孔工藝的對(duì)比，得到在相同封孔工藝和抽采負(fù)壓條件下，封孔深度為8m時(shí)，“兩堵一注”式封孔工藝能夠避免巷道擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙卸壓對(duì)抽采鉆孔封孔段的影響，保證良好的抽采效果。在抽采負(fù)壓和封孔深度相同的條件下，考察2種工藝的抽采效果，得知“兩堵一注”式封孔工藝的瓦斯?jié)舛仁冀K高于聚氨酯式封孔工藝，尤其抽采后期瓦斯?jié)舛雀吡?倍以上，封孔效果更好。

瓦斯抽采；封孔工藝；聚氨酯封孔袋；新型膨脹材料

瓦斯抽采是目前煤礦瓦斯治理的主要手段，抽采效果的好壞直接決定著煤礦生產(chǎn)的安全和高效。在瓦斯抽采過程中， 由于受到煤層塌孔和涌水、抽采系統(tǒng)漏氣和積水、封孔工藝和質(zhì)量等多種因素的影響，往往出現(xiàn)抽采濃度偏低，抽采效果較差，預(yù)抽時(shí)間較長等問題。而在諸多影響因素中，鉆孔的封孔工藝和質(zhì)量作為一次性隱蔽工程，起著決定性的作用[1-2]。目前，我國煤礦使用的封孔工藝有：聚氨酯封孔法、水泥砂漿封孔法、囊袋式封孔法、“兩堵一注”帶壓封孔法等[3-5]。本文對(duì)目前煤礦使用最多的聚氨酯封孔袋和新型膨脹材料和聚氨酯封孔袋結(jié)合的“兩堵一注”式封孔工藝進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了2種封孔方式的抽采效果。

1 2種封孔工藝說明

1.1 聚氨酯封孔袋封孔工藝

聚氨酯封孔袋是新型無機(jī)與有機(jī)復(fù)合材料，將A,B兩種配料按1∶1的比例封裝在2個(gè)中間隔離的特殊復(fù)合鋁膜袋內(nèi)，混合膨脹后會(huì)生成樹脂泡沫，能滲入煤(巖)壁縫隙，可充分封堵煤(巖)壁的裂隙。該種材料結(jié)構(gòu)致密、滲透性強(qiáng)、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、密實(shí)性好，成型后具有較高的硬度，保證封孔效果。同時(shí)，使用時(shí)無需配比，定向膨脹，操作簡便，快速高效，節(jié)省材料。具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 聚氨酯封孔袋A，B配料技術(shù)參數(shù)

聚氨酯封孔袋封孔流程：

(1)將聚氨酯封孔袋的前段用通明膠帶捆綁在封孔管上，捆綁方式有2種：第1種在同一位置捆綁2袋封孔袋，對(duì)稱擺放；第2種在不同位置捆綁1袋封孔袋，交錯(cuò)擺放。

(2)捆綁結(jié)實(shí)后(確保膨脹方向指向孔口，以防反向堵塞封孔管)，用手握住反應(yīng)袋的任意一端，向反應(yīng)袋的中間用力擠壓液體，A，B料混合反應(yīng)膨脹撐開中間的熱封處，或拔掉隔離密封夾。

(3)撐開后擠壓揉捏搖晃反應(yīng)袋多次，使2種液體充分混合均勻。

(4)液體充分混合后，迅速將封孔管送入鉆孔的指定位置，材料在5min左右撐破鋁膜袋，并向鉆孔內(nèi)和煤(巖)壁縫隙滲透，在10min左右完全凝固，封孔完畢。

1.2 “兩堵一注”式封孔工藝

“兩堵”是指采用前述的聚氨酯封孔袋堵住封孔管前后兩端；“一注”是指對(duì)中間空腔注入新型膨脹封孔材料[6]。選用中國礦業(yè)大學(xué)和徐州博安科技發(fā)展有限責(zé)任公司共同開發(fā)的一種PD新型封孔材料，該材料在鉆孔內(nèi)會(huì)發(fā)生體積緩慢膨脹，同時(shí)漿體強(qiáng)度不斷增加至柔軟固體程度，在膨脹過程中會(huì)向鉆孔周邊裂隙逐漸滲透封堵，使得材料與煤體緊密粘合在一起，封堵煤(巖)體裂隙，封孔效果更好[7]。新型膨脹材料技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 新型膨脹材料技術(shù)參數(shù)

封孔工藝設(shè)備主要由注漿泵、注漿管、返漿管、聚氨酯封孔袋、PD新型膨脹封孔材料和瓦斯抽采管等組成[8]。封孔流程：

(1)計(jì)算所需漿液量 根據(jù)封孔孔深h、孔徑r1、封孔管管徑r2，計(jì)算封孔注漿體積V。 PD材料按照一定比例混合后的密度是1.8kg/L，計(jì)算出漿液的總重量，再根據(jù)水灰比計(jì)算出所需混合水灰重量。

(2)排渣 清除抽采鉆孔封孔段內(nèi)的大塊煤渣，將封孔管帶花眼的一端放在最前端。

(3)前端堵頭 將準(zhǔn)備好的2袋聚氨酯封孔袋用透明膠帶纏繞在抽采管上，與花眼保持一定的距離，并使封孔袋自動(dòng)撐開的一面對(duì)著漿體將要流出的方向，防止材料將花眼堵死?；旌暇鶆驌伍_封孔袋后，將封孔管送入孔內(nèi)指定位置。

(4)后端堵頭 按步驟3將封孔管后端封堵嚴(yán)實(shí)，并將注漿管、返漿管一并送到要求的位置。

(5)注漿 待聚氨酯反應(yīng)完全凝固后，使用配套的注漿軟管將注漿泵的出料口和注漿管連接；啟動(dòng)注漿設(shè)備，開始注漿。

(6)返漿保壓 當(dāng)漿液從返漿管流出時(shí)，關(guān)閉返漿管，觀察注漿泵的壓力表，當(dāng)壓力維持在1～2MPa時(shí)，持續(xù)30min進(jìn)行保壓后，停止注漿，封孔完畢。

2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究及效果分析

宏巖煤礦為高瓦斯礦井，目前開采9+10號(hào)煤層，瓦斯含量12.51m3/t，煤層平均傾角7°，平均厚度6.3m，煤層透氣性系數(shù)λ為0.238～0.512m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)a為0.018～0.031d-1，屬于可以抽采范圍，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.3～0.54。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在膠帶下山450m處，該區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，周圍煤體未受到開采擾動(dòng)。通過對(duì)2種封孔工藝不同封孔深度的對(duì)比，分析出不同封孔深度下，同種封孔工藝的抽采效果差異，以及相同封孔深度下，不同封孔工藝的抽采效果差異。具體鉆孔參數(shù)見表3。

表3 鉆孔施工參數(shù)

每5個(gè)鉆孔作為一組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化連孔，孔口安裝銅嘴以便觀測單孔濃度和負(fù)壓，每組安裝1個(gè)孔板流量計(jì)以便觀測抽采量等，安裝1個(gè)放水器以便及時(shí)清除鉆孔管路積水。每組鉆孔嚴(yán)格按照封孔工藝操作，保證封孔質(zhì)量，施工完畢后應(yīng)及時(shí)接抽，并每天觀測單孔和每組的抽采參數(shù)，觀測時(shí)間為60d。為了均衡各鉆孔的差異，每種工藝取其平均值，抽采負(fù)壓在20kPa左右，每組鉆孔不同封孔工藝和深度下瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖1至圖4所示。

圖1 封孔深度8m兩種封孔工藝下濃度對(duì)比

圖2 封孔深度12m兩種封孔工藝下濃度對(duì)比

圖3 “兩堵一注”封孔不同封孔深度下濃度對(duì)比

圖4 聚氨酯封孔不同封孔深度下濃度對(duì)比

從圖1和圖2可以看出，在封孔深度為8m和12m時(shí)，在相同的抽采負(fù)壓條件下，2種封孔工藝抽采瓦斯?jié)舛鹊淖兓€趨勢是一致的，總體呈下降趨勢，且不論封孔深度為8m還是12m，“兩堵一注”式封孔工藝的瓦斯?jié)舛仁冀K高于聚氨酯式封孔工藝。但兩者瓦斯?jié)舛认陆档乃俾蚀嬖谝欢ú町悾椴沙跗?0d內(nèi)，2種封孔工藝封孔效果很好，平均抽采濃度能達(dá)到70%以上。但20d以后，聚氨酯封孔袋封孔工藝出現(xiàn)了瓦斯迅速衰減，濃度持續(xù)降低，說明聚氨酯長時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)收縮，不能對(duì)煤體裂隙充分封堵嚴(yán)密，加之鉆孔周圍煤體受地應(yīng)力的持續(xù)作用，形成新的裂隙空間，原有的封孔材料不能對(duì)新的裂隙封堵，造成了濃度不斷降低。而“兩堵一注”式封孔工藝瓦斯抽采濃度衰減緩慢，且濃度較高，比聚氨酯封孔袋封孔工藝濃度高了1倍以上，說明新型膨脹材料在保壓作用下，體積不會(huì)隨著時(shí)間的推移而變形，在鉆孔初始的裂隙內(nèi)滲透延伸擴(kuò)展的范圍較大，形成一個(gè)較強(qiáng)的支撐體，保護(hù)鉆孔形成較少的裂隙，從而使封孔效果更好，抽采瓦斯保持較高濃度。

從圖3和圖4可以看出，“兩堵一注”式封孔工藝的瓦斯?jié)舛仁冀K高于聚氨酯式封孔工藝，說明“兩堵一注”式封孔工藝封孔質(zhì)量更好。另外，在相同封孔工藝和抽采負(fù)壓條件下，封孔深度分別為8m和12m時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛然颈３忠恢?，變化較小，說明在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)封孔深度為8m時(shí)，“兩堵一注”式封孔工藝能夠避免巷道擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙卸壓對(duì)抽采鉆孔封孔段的影響，保證良好的抽采效果。

3 結(jié) 論

(1)聚氨酯封孔袋將桶裝配料進(jìn)行改進(jìn)，直接將A，B配料按比例封裝在獨(dú)立封孔袋內(nèi)，無需人工配比，操作更簡便，效果更可靠。

(2)新型膨脹材料相對(duì)于普通水泥，膨脹后生成樹脂泡沫，能夠滲入煤(巖)壁縫隙，強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)，能夠長時(shí)間內(nèi)保持良好的密實(shí)性，保證封孔效果。

(3)在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，封孔深度為8m時(shí)，能夠避免巷道擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙卸壓對(duì)抽采鉆孔封孔段的影響，保證良好的抽采效果。

(4)新型膨脹材料與聚氨酯封孔袋結(jié)合的“兩堵一注” 式封孔工藝抽采的瓦斯?jié)舛仁冀K高于聚氨酯式封孔工藝，說明其封孔質(zhì)量更好。尤其利用膨脹材料的二次封堵，避免了聚氨酯長時(shí)間后的體積收縮變形，抽采后期比聚氨酯封孔袋封孔工藝濃度高了1倍以上，封孔效果更好。

[1]秦江濤，楊 春，龐 成，等.A-B膠封孔工藝在煤礦順層抽采鉆孔中的應(yīng)用性試驗(yàn)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(6)：77-78.

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[3]張宏杰.王坡煤礦瓦斯預(yù)抽鉆孔封孔工藝優(yōu)化研究[J].煤炭與化工，2015，38(5)：80-82.

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Application of Two Different Drainage Hole Sealing Process and Effect

LIAN Zhen-shan1，2，ZHAO Jing1，2，ZHANG Zhi-rong1，2

(1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China)

According comparison two different sealing process that polyurethane sealing bag and ‘two stopping and one injection’ sealing process with new expanding material and polyurethane sealing bag combined，under the same sealing process and drainage negative pressure condition，sealing depth is 8m，‘two stopping and one injection’ sealing process could avoid influence to sealing section of drainage hole by fractures unloaded that generated by roadway deformation，and drainage effect could be assured.The drainage effect of different two process under the same condition of drainage negative pressure and sealing hole depth，the methane density was all larger with ‘two stopping and one injection’ sealing process than polyurethane sealing process，methane destiny was improved one time at the last step of drainage process，sealing results was good.

methane drainage；hole sealing technique；polyurethane sealing bag；new style expanding material

2016-04-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.023

國家科技重大專項(xiàng)：近距離高含氣量煤層群煤層氣開發(fā)利用技術(shù)集成與示范(2016ZX05067005-005)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：煤層群開采的多次采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力演化的響應(yīng)機(jī)制研究(51604154)

廉振山(1986-)，男，遼寧海城人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)槊旱V瓦斯災(zāi)害防治方面。

廉振山，趙 晶，張志榮.兩種不同抽采鉆孔封孔工藝應(yīng)用及效果研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：81-83.

TD712

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1006-6225(2016)06-0081-03