河興煤礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔封孔工藝研究

馬宏宇

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.國家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

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河興煤礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔封孔工藝研究

馬宏宇1,2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.國家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

為更好地提高河興煤礦C8煤層順層鉆孔的瓦斯抽采效果，改善瓦斯治理狀況，針對礦井現(xiàn)有條件，從抽采效果和成本等方面比較和研究了袋裝聚氨酯兩段封孔、棉紗裹纏聚氨酯三段封孔及水泥砂漿封孔3種封孔工藝。確定采用袋裝聚氨酯兩段封孔作為該礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔的封孔工藝，保證了封孔質(zhì)量，提高了瓦斯抽采效果。

順層鉆孔 抽采效果 聚氨酯封孔工藝 水泥砂漿封孔工藝

封孔工藝是影響瓦斯抽采效果的直接因素，封孔長度越深、封孔材料越好，則封孔效果越好，直接反應(yīng)為瓦斯抽采濃度和抽采量的增加，但是相應(yīng)的封孔成本也越高。

針對河興煤礦C8煤層賦存條件，通過考察不同種類的封孔工藝，在保證抽采鉆孔不漏氣，提高煤層抽采效果的前提下，能有效降低封孔成本，從中選擇適用于河興煤礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔的封孔工藝。

1 封孔工藝介紹

河興煤礦是高瓦斯礦井，為了防止瓦斯超限，在C8煤層工作面的掘進(jìn)和回采之前都必須對工作面進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理。我國大多數(shù)礦井采用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，但瓦斯抽采鉆孔封孔效果不佳、抽采濃度低、抽采瓦斯量小，導(dǎo)致大多數(shù)礦井預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求，當(dāng)預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取改進(jìn)封孔的措施，以提高封孔質(zhì)量。

煤層瓦斯的預(yù)抽效果很大程度上取決于抽采鉆孔的封孔質(zhì)量。針對河興煤礦C8煤層傾角4°～8°的賦存條件，決定考察水泥砂漿封孔、傳統(tǒng)棉紗裹纏聚氨酯三段封孔和袋裝聚氨酯兩段封孔的封孔效果，選擇適合河興煤礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔的封孔工藝。

(1)水泥砂漿封孔工藝原理。水泥砂漿封孔法是在預(yù)抽鉆孔孔口處安好截止裝置后，將水泥砂漿用注漿泵壓入鉆孔，可以封堵較長的鉆孔。其封孔材料在注入時(shí)為液態(tài)，凝固后為固態(tài)，能較好地封閉鉆孔周圍的一些裂隙，從而能較好的封實(shí)鉆孔。用一根回漿管即可檢驗(yàn)其封孔長度，操作比較簡單省時(shí)。

(2)聚氨酯(馬麗散)封孔工藝原理。目前國內(nèi)本煤層鉆孔封孔普遍采用高分子發(fā)泡材料，其中以聚氨酯材料為主要材料，根據(jù)配方配料的差異又有很多名稱的叫法。封孔時(shí)將雙組分高分子發(fā)泡材料混合攪拌后，用棉紗、棉布、毛巾等織物浸澤纏繞在封孔管的某個(gè)長度上，然后插入鉆孔10 m左右的深處，高分子發(fā)泡材料發(fā)泡膨脹，將鉆孔封堵。

聚氨酯(馬麗散)封孔有些類似于膠圈膠囊封孔，但由于其膨脹倍數(shù)大，粘結(jié)力高，密封性好，因而封孔更嚴(yán)密，是一種非常值得推廣的方法，普及前景較為可觀。

2 試驗(yàn)地點(diǎn)及封孔流程

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

根據(jù)目前河興煤礦C8煤層的采掘條件，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在11803回風(fēng)巷和11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷。

(1)11803回風(fēng)巷。河興煤礦11803回采工作面布置于+1790 m水平一采區(qū)C8煤層，東鄰尚未布置的11805回采工作面，西鄰+1790 m運(yùn)輸大巷，北鄰+1790 m東運(yùn)輸大巷，南鄰礦井邊界。根據(jù)地勘資料，C8煤層厚度0.16～2.45 m，平均厚度1.19 m，視密度為1.34 t/m3，平均傾角為8°。

11803回風(fēng)巷從+1790 m東運(yùn)輸大巷開口，開口位置標(biāo)高+1798 m，巷道方位198°，目前已掘進(jìn)長度144.1 m，11803回風(fēng)巷由于受到前方煤層變薄及斷層構(gòu)造的影響，總設(shè)計(jì)長度暫未確定。在掘進(jìn)工作面范圍內(nèi)C8煤層賦存整體不穩(wěn)定，掘進(jìn)頭煤層厚度約2 m。

(2)11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷。河興煤礦11803運(yùn)輸巷從+1790 m東運(yùn)輸大巷開口，開口位置標(biāo)高+1798 m，巷道方位198°，目前已掘進(jìn)長度135 m，11803運(yùn)輸巷由于受到前方煤層變薄及斷層構(gòu)造的影響，掘進(jìn)頭停止施工。

11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面由11803運(yùn)輸巷原掘進(jìn)頭后退15 m，垂直煤壁向東南方向進(jìn)入19 m，再垂直煤壁向西南方向掘進(jìn)，巷道方位角為198°，巷道長度預(yù)計(jì)在煤層沒有構(gòu)造影響的情況掘進(jìn)至礦井邊界，目前掘進(jìn)長度約50 m。

目前11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面范圍內(nèi)C8煤層賦存整體不穩(wěn)定，現(xiàn)掘進(jìn)頭煤層變厚，煤層厚度約3 m。

2.2 鉆孔布置和竣工參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場條件，在11803回風(fēng)巷選擇2組煤巷條帶k42.7(水泥砂漿封孔)和k144.1(袋裝聚氨酯兩段封孔)，在11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷選擇1組煤巷條帶k3(棉紗裹纏聚氨酯三段封孔)的抽采鉆孔作為考察對象，每組抽采鉆孔均經(jīng)過氣密性測試。

11803回風(fēng)巷煤巷條帶k42.7鉆孔直徑75 mm，鉆孔間距6 m；11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷煤巷條帶k3鉆孔直徑75 mm，鉆孔間距3 m；11803回風(fēng)巷煤巷條帶k144.1鉆孔直徑75 mm，鉆孔間距3 m。11803回風(fēng)巷及補(bǔ)掘運(yùn)輸巷鉆孔竣工圖如圖1所示。

圖1 11803回風(fēng)巷及補(bǔ)掘運(yùn)輸巷鉆孔竣工圖

2.3 封孔材料和封孔過程

本次試驗(yàn)的目的是向11803回風(fēng)巷和11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷施工煤巷順層條帶預(yù)抽鉆孔，成孔后進(jìn)行不同的封孔工藝試驗(yàn)，11803回風(fēng)巷k144.1選擇袋裝聚氨酯兩段封孔、11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷k3選擇棉紗裹纏聚氨酯三段封孔、11803回風(fēng)巷k42.7選擇水泥砂漿封孔，并對這3組鉆孔分別接抽，測試每組的瓦斯抽采參數(shù)(負(fù)壓、壓差、瓦斯?jié)舛鹊?，通過計(jì)算對每組鉆孔的瓦斯?jié)舛群桶倜足@孔瓦斯抽采純量的對比，對三組抽采鉆孔的封孔工藝作出比較。

(1)袋裝聚氨酯兩段封孔。袋裝聚氨酯封孔是指在抽采管孔內(nèi)固定段兩端固定棉紗，每個(gè)孔內(nèi)固定段將聚氨酯A、B料各250 ml放入塑料袋內(nèi)混合均勻，將多余空氣擠出，然后將塑料袋固定在兩端棉紗之間，最后將抽采管送到指定位置。11803回風(fēng)巷k144.1掘進(jìn)條帶共計(jì)17個(gè)鉆孔為聚氨酯封孔，實(shí)際鉆孔鉆進(jìn)長度共計(jì)706.04 m。封孔完畢后進(jìn)行聯(lián)抽，袋裝聚氨酯兩段封孔方式如圖2所示。

1—煤層；2—孔口擴(kuò)孔段；3—抽采管；4—孔內(nèi)固定段(Ⅰ)；5—孔內(nèi)固定段(Ⅱ)；6—篩孔管圖2 袋裝聚氨酯兩段封孔工藝示意圖

封孔過程：封孔前，采用?113 mm鉆頭對抽采鉆孔孔口0～3 m處進(jìn)行擴(kuò)孔；檢查抽采鉆孔所需的抽采管(?50 mm)和封孔所需用的工具、配件等是否齊全；根據(jù)封孔深度，向鉆孔送入篩孔管2 m、抽采管8～10 m，并在孔內(nèi)6～7 m處(孔內(nèi)固定段Ⅰ)和孔內(nèi)9～10 m處(孔內(nèi)固定段Ⅱ)用袋裝聚氨酯進(jìn)行密封；封孔完畢后，對鉆孔的氣密性進(jìn)行檢查，如果達(dá)不到要求，采取補(bǔ)充封孔措施，即在孔口擴(kuò)孔段采用棉紗裹纏聚氨酯送入孔內(nèi)進(jìn)一步密封；按以上方法進(jìn)行下一個(gè)鉆孔的袋裝聚氨酯兩段封孔。

(2)棉紗裹纏聚氨酯三段封孔。棉紗纏裹聚氨酯封孔是指每個(gè)孔口和孔內(nèi)固定段將聚氨酯A、B料各250 ml放入桶內(nèi)混合均勻，然后將棉紗纏裹聚氨酯混合物全部固定在抽采管孔口和孔內(nèi)固定段，最后將抽采管送到指定位置。11803補(bǔ)掘運(yùn)輸巷k3掘進(jìn)條帶共計(jì)14個(gè)鉆孔為聚氨酯封孔，實(shí)際鉆孔鉆進(jìn)長度共計(jì)413.92 m。封孔完畢后進(jìn)行聯(lián)抽，棉紗裹纏聚氨酯三段封孔方式如圖3所示。

1—煤層；2—孔內(nèi)固定段(Ⅰ)；3—抽采管；4—孔內(nèi)固定段(Ⅱ)；5—孔內(nèi)固定段(Ⅲ)；6—篩孔管圖3 棉紗裹纏聚氨酯三段封孔工藝示意圖

封孔過程：檢查抽采鉆孔所需的抽采管(?50 mm)和封孔所需用的工具、配件等是否齊全；根據(jù)封孔深度，向鉆孔送入篩孔管2 m、抽采管8～10 m，并在孔口1.5～2.5 m處(孔口固定段Ⅰ)、孔內(nèi)5～6 m處(孔內(nèi)固定段Ⅱ)和孔內(nèi)8～9 m處(孔內(nèi)固定段Ⅲ)用棉紗纏裹聚氨酯進(jìn)行密封；封孔完畢后，對鉆孔的氣密性進(jìn)行檢查，如果達(dá)不到要求，采取補(bǔ)充封孔措施，即在孔口0～1.5 m處采用棉紗裹纏聚氨酯送入孔內(nèi)進(jìn)一步密封；按以上方法進(jìn)行下一個(gè)鉆孔的棉紗裹纏聚氨酯三段封孔。

(3)水泥砂漿封孔。11803回風(fēng)巷k42.7掘進(jìn)條帶共計(jì)19個(gè)鉆孔采用水泥砂漿封孔，實(shí)際鉆孔鉆進(jìn)長度共計(jì)為718.34 m。封孔完畢后進(jìn)行聯(lián)抽，水泥砂漿封孔方式如圖4所示。

1—注漿泵；2—注漿管；3—孔內(nèi)固定段；4—水泥砂漿；5—抽采管；6—煤層；7—返漿管；8—孔內(nèi)固定段；9—篩孔管圖4 水泥砂漿封孔工藝示意圖

封孔過程：檢查注漿泵是否完好，封孔所需用的工具、配件等是否齊全；檢查抽采鉆孔所需的抽采管(?50 mm)、注漿管(4分管)和返漿管(4分管)是否齊全；根據(jù)封孔深度，向鉆孔送入篩孔管2 m、抽采管8～10 m、注漿管≥1 m和返漿管≥8 m，并在孔內(nèi)8～10 m處和孔口0～0.5 m處用棉紗纏裹聚氨酯進(jìn)行密封；為防止水泥砂漿凝固后因收縮產(chǎn)生裂隙，根據(jù)封孔深度，按照水泥∶水=1∶2的比例進(jìn)行配比，并添加適量膨脹劑，在按以上比例配制好水泥漿后，按注漿泵的操作規(guī)程，開動(dòng)泵攪拌水泥漿，均勻后一次性連續(xù)將水泥漿注入鉆孔內(nèi)，直到水泥漿達(dá)到預(yù)定封孔深度，即當(dāng)返漿管開始返漿時(shí)停止注漿；按以上方法進(jìn)行下一個(gè)孔的注漿封孔；清洗注漿泵。

3 3種封孔工藝對比

3.1 抽采結(jié)果對比分析

考察測試期間，對不同抽采時(shí)間下3組順層條帶預(yù)抽鉆孔抽采效果進(jìn)行了測試，計(jì)算得到抽采支管每天的瓦斯?jié)舛群图兺咚沽髁俊?種封孔抽采濃度和百米鉆孔純瓦斯流量變化對比如圖5所示。

圖5 3種封孔抽采濃度和百米鉆孔純瓦斯流量變化對比圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)通過對不同的封孔工藝的抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛群桶倜足@孔瓦斯抽采純量的變化比較可知，3種封孔工藝下的抽采效果均隨著抽采時(shí)間的增加呈現(xiàn)減小趨勢，衰減幅度基本一致。

(2)3種封孔工藝相互對比，瓦斯?jié)舛龋捍b聚氨酯兩段封孔>棉紗裹纏聚氨酯三段封孔>水泥砂漿封孔;百米鉆孔純瓦斯流量：袋裝聚氨酯兩段封孔>棉紗裹纏聚氨酯三段封孔>水泥砂漿封孔，說明袋裝聚氨酯兩段封孔工藝更能有效地抽采瓦斯，更快的達(dá)到煤層消突的效果。

3.2 封孔成本對比分析

通過聚氨酯封孔工藝、水泥漿封孔工藝現(xiàn)場試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，順層鉆孔采用袋裝聚氨酯兩段封孔在抽采濃度、抽采量方面具有明顯的優(yōu)勢，并且封孔工藝最簡單、封孔時(shí)間最短。為了探尋出最為經(jīng)濟(jì)有效的封孔工藝，對順層鉆孔封孔工藝的成本進(jìn)行對比，具體見表1。

表1 順層預(yù)抽鉆孔不同封孔工藝的單孔封孔成本

根據(jù)順層預(yù)抽鉆孔不同封孔工藝條件下的單孔封孔成本可知，單孔封孔成本價(jià)格從高到低依次為棉紗裹纏聚氨酯三段封孔>水泥漿封孔>袋裝聚氨酯兩段封孔。

4 結(jié)論

對于河興煤礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔，綜合瓦斯抽采效果和封孔工藝成本，袋裝聚氨酯兩段封孔與棉紗裹纏聚氨酯三段封孔和水泥砂漿封孔相比，抽采效果優(yōu)越，封孔時(shí)間最短，造價(jià)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此確定采用袋裝聚氨酯兩段封孔作為C8煤層順層預(yù)抽鉆孔的封孔工藝。

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Researchonsealingtechnologyofpre-pumpingboreholesalonglevelbedinC8coalseamofHexingMine

Ma Hongyu1, 2

(1. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China; 2. National Research Center of Coal Mine Safety Technology Engineering, Shapingba, Chongqing 400037, China)

In order to improve the gas drainage effect of bedding boreholes in C8 coal seam of Hexing Mine, and improve the gas control status, according to the existing conditions of the mine, three sealing processes including two-section-sealing with polyurethane, three-section-sealing with cotton-wrapped polyurethane and cement mortar sealing were compared and studied from the aspects of drainage effect and costs. Two-section-sealing with polyurethane was determined to be used as the sealing technique for pre-pumping boreholes along level bed in C8 coal seam of Hexing Mine because sealing quality was guaranteed and the gas drainage effect was effectively improved by using this method.

boreholes along level bed, drainage effect, sealing technology of polyurethane, sealing technology of cement mortar

馬宏宇. 河興煤礦C8煤層順層預(yù)抽鉆孔封孔工藝研究[J].中國煤炭，2017,43(12)：151-154，158.

Ma Hongyu . Research on sealing technology of pre-pumping boreholes along level bed in C8 coal seam of Hexing Mine[J]. China Coal, 2017，43(12):151-154，158.

TD712

A

馬宏宇(1983-)，男，河北省唐山人，助理研究員，碩士研究生，2011年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害防治。

(責(zé)任編輯 張艷華)