煤礦瓦斯抽放鉆孔封孔技術(shù)研究

徐軍 淮滬煤電有限責(zé)任公司 丁集煤礦

一、引言

瓦斯氣體學(xué)名為煤層氣，從其名稱中就可看出，該氣體是煤炭資源在成藏過程中逐漸形成并貯留在煤層內(nèi)的，由于受到煤層和圍巖的壓力而逐漸匯聚。在煤炭開采過程中，由于外力條件發(fā)生變化，瓦斯氣體由于外界壓力的減小而從煤層中逸散甚至突出。眾所周知，瓦斯氣體本身是一種易燃易爆的有毒氣體，主要成分為甲烷，同時也包含硫化氫等雜質(zhì)氣體。瓦斯既可作為一種清潔能源，同時也是煤礦安全生產(chǎn)的重要隱患，因此在井下開采作業(yè)過程中，針對瓦斯氣體的科學(xué)勘探與合理抽排就成為保障煤礦安全生產(chǎn)的重要舉措，另一方面，隨著煤炭領(lǐng)域內(nèi)精準開采理念的提出，對瓦斯資源的綜合利用也受到了越來越多的重視，而瓦斯氣體的科學(xué)勘探與抽排則是實現(xiàn)這一目標的前提。

目前在煤礦瓦斯抽采環(huán)節(jié)，使用最普遍的方式為鉆孔抽排模式，通過合適的鉆孔方法，并配以對應(yīng)的抽排設(shè)備，就能夠可靠的將煤層中貯藏的瓦斯氣體采集并輸送至地面工作站，由其負責(zé)進行后續(xù)的工藝的處理。對于連續(xù)進行多個鉆孔的封孔作業(yè)，須進行水泥漿的多次攪拌時，將停留于泵體及注漿管內(nèi)的干稠水泥漿排出，防止在短時間內(nèi)凝結(jié)造成堵塞。具體操作為：向攪拌機內(nèi)注入清水進行攪拌，將泵體及注漿管內(nèi)的干稠水泥漿用清水或稀漿置換。隨著近年來煤礦開采自動化程度的提高，各種大型的開采設(shè)備不斷投入使用，顯著提高了井下工作面的掘進速度，為了跟上生產(chǎn)需求，確保生產(chǎn)安全，瓦斯抽排工作也面臨著提高精確性和加快工作進度的迫切要求。本文從實踐應(yīng)用和技術(shù)理論兩方面出發(fā)，對目標在瓦斯抽采工藝中使用的幾種主流的封孔技術(shù)進行類比分析與探討，具有顯著的實踐價值。

二、煤礦封孔技術(shù)

（一）聚氨酯封孔技術(shù)

國內(nèi)本煤層鉆孔普遍采用“高分子發(fā)泡材料”，其中以聚氨酯材料為主要材料。封孔時將雙組分“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長度上，然后插入鉆孔10 米左右的深處，“高分子發(fā)泡材料”發(fā)泡膨脹，將鉆孔封堵（見圖1）。

觀察圖1 可以發(fā)現(xiàn)，該方法存在一些固有的缺陷，且均是由高分子發(fā)泡材料的具有的高發(fā)泡倍數(shù)所導(dǎo)致的：

（1）抗壓強度低，發(fā)泡材料材質(zhì)輕且存在大量的氣孔，固化后的支撐力有限，在壓強升高的情況下很容易產(chǎn)生形變，影響封堵效果；

（2）可壓縮量很大。高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井往往采深較大，相應(yīng)的地應(yīng)力也較大，加之煤層強度普遍較低，井下煤層鉆孔在地應(yīng)力作用下將逐漸蠕變，鉆孔在蠕變的過程中，鉆孔周圍的煤體將會產(chǎn)生松動裂隙（漏氣通道）。

（二）機械彈性封孔技術(shù)

該技術(shù)主要分為螺旋彈性脹圈式封孔器和彈性串球式封孔器，圖2 給出了前者的結(jié)構(gòu)特征。這兩種封孔技術(shù)的原理都是在外加力的擠壓作用下，迫使彈性膠桶或者彈性串球膨脹，在鉆孔內(nèi)壁中貼緊，通過摩擦力來封堵鉆孔；而在不需要封堵時，可去除工作壓力，使得膠桶或串球在自身的彈性力作用下恢復(fù)原狀，即可從鉆孔中取出。

機械彈性封孔技術(shù)主要應(yīng)用在臨時封孔需求場合，一般位于鉆孔深度前（5-10米），主要針對抽采工作面前方松動區(qū)內(nèi)的瓦斯，在距離孔口1-2 米封孔。其優(yōu)點在于操作簡單，材料可重復(fù)使用，降低了封堵成本；缺點是密封性能較差，無法實現(xiàn)對鉆孔的百分之百的封堵，存在不同程度的漏氣情況，無法長期使用。

圖1 高分子發(fā)泡材料封孔法漏氣通道擴張示意圖

圖2 螺旋式封孔器示意圖

（三）充氣式封孔器

充氣式封孔器主要有兩種，一種是免充氣氣囊式，另一種是充氣氣囊式。前者將氣體封閉在一個橡膠囊里，氣囊中部有一根抽采管，利用氣體的可壓縮性將氣囊塞進鉆孔里實現(xiàn)封孔，主要在孔口1 米范圍內(nèi)封孔；后者的氣囊里沒有封閉空氣，氣囊中部有一根抽采管，將囊?guī)M鉆孔之后，讓后再向囊?guī)С錃?。兩者的效果幾乎是一樣的，只能做為臨時性封孔。

三、新型加壓注漿封孔法

鉆孔封孔后，必須及時聯(lián)管抽放，聯(lián)管時以前的鉆孔抽放管必須保留，聯(lián)管接頭必須用專用膠水連接。必須確保管路不漏風(fēng)，保證管路抽放暢通。加壓注漿封孔法主要原理是由于樹脂膨脹量比較大而且材質(zhì)堅硬，通過樹脂包在鉆孔中兩端膨脹封堵，在中間的空隙中通過單向閥注入水泥。樹脂包的封堵可以承受一定的水泥壓力。這種封孔方法一方面能使鉆孔周圍的裂隙得到充填，消除開孔時形成的裂隙，即消除初期漏氣通道；另一方面能使鉆孔得到可靠的支護，保證鉆孔的穩(wěn)定，使鉆孔周圍不再產(chǎn)生新的裂隙，即避免后期漏氣通道的產(chǎn)生和發(fā)展。

四、結(jié)論

本文結(jié)合生產(chǎn)實踐和理論基礎(chǔ)，選擇出目前在煤礦井下瓦斯抽排領(lǐng)域內(nèi)常用的幾種封孔技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進行了類比分析，分別探討了這些封孔技術(shù)的特性與適用場合，為該環(huán)節(jié)的施工提供了可靠的技術(shù)參考。目前，在瓦斯勘探與抽排領(lǐng)域，最主流的發(fā)展方向就是結(jié)合工業(yè)自動化技術(shù)、計算機分析能力和人工智能技術(shù)等多個領(lǐng)域內(nèi)的研究成果，取長補短，有機結(jié)合，形成準確性高、響應(yīng)速度快強、穩(wěn)定性好的綜合型抽排工藝。相信隨著各個研究領(lǐng)域不斷進步，會涌現(xiàn)出更多的針對瓦斯智能化勘探與抽排的技術(shù)和設(shè)備，進一步該領(lǐng)域的施工水平，保障煤礦井下安全生產(chǎn)。