瓦斯抽采鉆孔噴涂式封孔技術(shù)

孔維一， 趙和平， 劉泉霖， 周鑫

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033300；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤層瓦斯抽采不僅是有效防治煤與瓦斯突出、瓦斯超限等災(zāi)害事故的技術(shù)手段，而且對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放等具有重要意義[1-3]。瓦斯抽采需要預(yù)先由巷道向煤層施工鉆孔，然后進(jìn)行密封，密封質(zhì)量直接影響瓦斯抽采效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有65%的回采工作面預(yù)抽瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于30%，充分反映了現(xiàn)有封孔技術(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到密封隔絕的理想效果[4-6]。

目前，我國封孔技術(shù)從工藝原理上可分為非帶壓封孔技術(shù)和“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)2類。非帶壓封孔技術(shù)主要包括水泥砂漿封孔、高分子發(fā)泡材料封孔、機(jī)械式封孔等[7-9]，這些技術(shù)封孔距離較短、封孔質(zhì)量較差?！皟啥乱蛔ⅰ睅悍饪准夹g(shù)主要包括有機(jī)-無機(jī)材料聯(lián)合封孔(如聚氨酯-水泥砂漿)、封孔劑帶壓封孔、囊袋封孔等[10-12]，是近年來我國大部分煤礦瓦斯抽采常用的封孔技術(shù)。王世超等[13]以“兩堵一注”技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種高壓吹送與負(fù)壓抽采聯(lián)合送粉的預(yù)制粉料充填封孔技術(shù)。周福寶等[14]采用發(fā)泡聚合材料及微細(xì)膨脹粉料，提出了鉆孔變形前與變形后分別進(jìn)行封孔的二次封孔技術(shù)。上述封孔技術(shù)均以被動(dòng)式封孔為主，即依靠套管與煤壁間充填材料的膨脹，起到封閉、加固作用。但封孔材料多為膨脹發(fā)泡類，存在易老化、滲透性較差、阻燃效果一般等問題，且依賴人工操作，無法實(shí)現(xiàn)對鉆孔的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)密封，導(dǎo)致抽采濃度下降速度快，嚴(yán)重影響了抽采效果[15]。而主動(dòng)式封孔則是依靠先進(jìn)的封孔裝置、封孔材料，動(dòng)態(tài)化、自主化將鉆孔封閉、加固，保證煤層瓦斯抽采鉆孔結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)更好的煤層瓦斯抽采效果。翟成等[16]提出了瓦斯預(yù)抽鉆孔動(dòng)態(tài)封孔技術(shù)，采用新型柔性膏體材料封堵鉆孔，并根據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓M(jìn)行重復(fù)補(bǔ)漿，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采鉆孔動(dòng)態(tài)封孔，但該技術(shù)無法采用高壓力注入密封液，密封距離不足且補(bǔ)漿繁瑣。張超等[17]應(yīng)用PD漿液、PB聚氨酯和果凍狀膠體，提出了“強(qiáng)弱強(qiáng)”帶壓封孔技術(shù)及加固式動(dòng)態(tài)密封技術(shù)，但存在封孔過程繁瑣、裝置連接復(fù)雜、封孔效率低且注漿材料成本較高的問題。

針對當(dāng)前被動(dòng)式封孔質(zhì)量差、鉆孔抽采瓦斯?jié)舛鹊?、主?dòng)式封孔過程繁瑣等問題，本文提出了一種噴涂式封孔技術(shù)，并研發(fā)了一種新型非膨脹型封孔材料，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的封孔裝置，通過現(xiàn)場應(yīng)用并與傳統(tǒng)的聚氨酯封孔技術(shù)對比來進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 噴涂式封孔技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

噴涂式封孔技術(shù)是依靠先進(jìn)的鉆孔內(nèi)壁噴涂式封孔機(jī)理、強(qiáng)度與韌性兼?zhèn)涞膰娡渴椒饪撞牧霞白詣?dòng)化封孔裝置，將專用的封孔材料噴涂于鉆孔內(nèi)壁，利用材料本身高強(qiáng)度、高黏結(jié)性、阻燃抗靜電等優(yōu)良屬性，將鉆孔封固，阻止煤體氧化，提高煤體強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)鉆孔密封，其原理如圖1所示。

(a) 噴涂式封孔工藝

(b) 噴涂式封孔孔內(nèi)圖1 噴涂式封孔技術(shù)原理Fig.1 Principle of spray sealing technology

噴涂式封孔流程：鉆孔施工完成后，將氣動(dòng)深孔離心噴杯式高轉(zhuǎn)速(2.2×104r/min)噴頭送入鉆孔預(yù)設(shè)位置，同時(shí)啟動(dòng)封孔材料預(yù)熱系統(tǒng)，待噴涂式封孔材料溫度穩(wěn)定在70～80 ℃時(shí)，打開氣動(dòng)式吸料泵，將封孔材料(WMT-1型)吸入并通過氣動(dòng)深孔離心噴杯式高轉(zhuǎn)速噴頭混合噴出，使其固化于鉆孔內(nèi)壁；通過四象限位滑道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)引導(dǎo)噴頭自孔底向孔口移動(dòng)，完成噴涂式封孔作業(yè)；在鉆孔口用聚氨酯發(fā)泡材料固定2.0～3.0 m的PVC堵頭，而后連接抽采系統(tǒng)即可。

1.2 封孔深度確定

從巷道向煤層中施工瓦斯抽采鉆孔時(shí)，受巷道開挖后形成的采動(dòng)應(yīng)力場影響，周圍煤體會(huì)隨著鉆孔深度的變化產(chǎn)生不同程度的變形和破壞。因此，確定合理的封孔深度，對于防止抽采鉆孔漏氣、保證鉆孔密封質(zhì)量至關(guān)重要。

巷道采動(dòng)應(yīng)力分布如圖2所示?？煽闯鱿锏啦删蚝?，煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在煤壁前方依次形成應(yīng)力降低區(qū)(Ⅰ)、峰后應(yīng)力升高區(qū)(Ⅱ)、峰前應(yīng)力升高區(qū)(Ⅲ)和原巖應(yīng)力區(qū)(Ⅳ)。這4個(gè)區(qū)域的裂隙分布特征：應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤體大部分發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生大量宏觀裂隙，鉆孔在此區(qū)域內(nèi)遇輕微擾動(dòng)極易發(fā)生失穩(wěn)變形；峰后應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)煤體大部分處于塑性軟化階段，產(chǎn)生大量微裂隙，鉆孔在此區(qū)域內(nèi)易發(fā)生失穩(wěn)變形；峰前應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)煤體尚未達(dá)到應(yīng)力峰值狀態(tài)，處于彈性變形階段，原生裂隙受擠壓作用被壓實(shí)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量新裂隙，鉆孔在此區(qū)域內(nèi)不易發(fā)生失穩(wěn)變形；原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體仍處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，煤體內(nèi)裂隙為原生裂隙，鉆孔在此區(qū)域內(nèi)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)變形[18]。

圖2 巷道采動(dòng)應(yīng)力分布Fig.2 Mining stress distribution in roadway

由上述分析可知，瓦斯抽采鉆孔密封段應(yīng)至少處于峰前應(yīng)力升高區(qū)，但封孔過長會(huì)造成不必要的人力物力浪費(fèi)，因此將密封段設(shè)置于峰前應(yīng)力升高區(qū)，即鉆孔密封深度L滿足以下關(guān)系：

L1+L2≤L≤L1+L2+L3

(1)

式中L1，L2,L3分別為應(yīng)力降低區(qū)、峰后應(yīng)力升高區(qū)、峰前應(yīng)力升高區(qū)的寬度。

2 噴涂式封孔材料

自主研發(fā)的噴涂式封孔材料是一種由結(jié)合劑、分散劑、成膜劑、抗靜電劑、懸浮劑、增稠劑、消泡劑、表面混合劑、密度黏度調(diào)節(jié)劑及復(fù)合填料等按一定配比制成的非膨脹型材料。結(jié)合劑是一種通過核殼包覆聚合工藝制成且具有高耐候、高耐水、抗污染特性的環(huán)保型建筑用硅丙乳液(質(zhì)量比為0.3～0.4)，密度黏度調(diào)節(jié)劑為去離子水(質(zhì)量比為0.1～0.3)。封孔材料各組分通過專用噴涂式封孔裝置的氣動(dòng)深孔離心噴杯式高轉(zhuǎn)速噴頭混合噴出，快速反應(yīng)固化生成高強(qiáng)度、高韌性的阻燃密封薄膜。為驗(yàn)證封孔材料的透水性、透氣性、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、低溫彎折性、附著強(qiáng)度、阻燃性、防靜電性等性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室檢測。

(1) 透過性是指氣體對薄膜、涂層、織物等高分子材料的滲透性。將預(yù)先處理好的涂層試樣放置在透氣性檢測儀上下測試腔之間，對低壓腔(下腔)進(jìn)行真空處理，然后對整個(gè)系統(tǒng)抽真空，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的真空度后，關(guān)閉測試下腔；向高壓腔(上腔)充入一定壓力的試驗(yàn)氣體，并保證在試樣兩側(cè)形成一個(gè)恒定的壓差(可調(diào))，這樣氣體會(huì)在壓差梯度的作用下，由高壓側(cè)向低壓側(cè)滲透，通過對低壓側(cè)內(nèi)壓強(qiáng)的監(jiān)測處理，得出所測試樣的各項(xiàng)透過性參數(shù)。

(2) 抗拉強(qiáng)度是指由均勻塑性變形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是材料在靜拉伸條件下的最大承載能力。試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的，但超出之后，材料開始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，使用拉伸強(qiáng)度檢測儀對材料進(jìn)行拉伸測試。

(3) 附著力是指2種不同物質(zhì)接觸部分間的相互吸引力。根據(jù)GB 9153—1988《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》使用附著力測試儀對材料進(jìn)行附著力測試。

(4) 阻燃性是指被測物推遲火焰延續(xù)、蔓延、擴(kuò)散等的能力，阻燃級(jí)別一般分A，B 2個(gè)等級(jí)，其中A級(jí)別為不燃材料，B級(jí)別為難燃材料，二者均符合煤礦井下應(yīng)用條件。根據(jù)MT/T 113—1995《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》對材料進(jìn)行測試，選用長90 mm、寬15 mm、厚5 mm的3塊涂膜試塊，采用酒精噴燈和酒精燈燃燒試驗(yàn)法進(jìn)行測試。

噴涂式封孔材料的部分理化性能指標(biāo)測試結(jié)果見表1?？煽闯鲈摲饪撞牧暇哂幸簯B(tài)速凝、密封性好、黏結(jié)性強(qiáng)、阻燃、高韌性、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于煤層鉆孔這一高濕度、低氧、密閉、淋水、光滑、狹小空間的材料噴涂作業(yè)，且各項(xiàng)測試結(jié)果均滿足井下噴涂封孔技術(shù)要求。

表1 噴涂式封孔材料部分理化性能指標(biāo)測試結(jié)果Table 1 Test results of some physical and chemical properties of spray sealing materials

3 噴涂式封孔裝置

噴涂式封孔裝置主要由噴槍組件、提料泵、動(dòng)力導(dǎo)向輪組件、防爆自動(dòng)控制柜、噴涂式封孔機(jī)(含加熱部分)等構(gòu)成，如圖3所示。

1-噴槍組件； 2-噴槍行走機(jī)構(gòu)； 3-動(dòng)力導(dǎo)向輪組件； 4-防爆自動(dòng)控制柜； 5-履帶式行走車； 6-提料泵； 7-噴涂式封孔機(jī)。圖3 噴涂式封孔裝置Fig.3 Intelligent spraying type hole sealing device

噴涂式封孔裝置采用標(biāo)準(zhǔn)化的行走平臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，由噴涂功能單元、加熱功能單元、吸料功能單元、控制功能單元、移位功能單元等核心組件搭建而成，整機(jī)對于復(fù)雜多變的煤礦井下環(huán)境具有了極高的適應(yīng)性，不僅方便設(shè)備的運(yùn)輸與安裝，更利于施工工藝的順利完成與后期持續(xù)的升級(jí)、更新、改造、維護(hù)服務(wù)。

封孔裝置的動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，人工輔助指定自動(dòng)噴涂車的行走方向及位置，操作者將料筒擺放至提料泵下方，將噴槍放在噴涂孔頂部，根據(jù)噴涂工藝要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，提料泵自動(dòng)下降，噴槍行走至噴涂孔底部，提料泵啟動(dòng)對噴槍進(jìn)行供料，噴槍開始噴涂，噴槍行走機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)定參數(shù)帶動(dòng)噴槍后退，完成孔內(nèi)噴涂。

封孔材料的噴涂式施工工藝是瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)的核心。相較于常溫噴涂技術(shù)，熱噴涂是指將噴涂材料進(jìn)行加熱，用高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒，以很高的速度噴射到工件表面進(jìn)行快速反應(yīng)并形成涂層的一系列過程。采用熱噴涂技術(shù)時(shí)封孔材料的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、反應(yīng)更迅速，能充分發(fā)揮封孔材料的優(yōu)良特性，可以更好地在鉆孔內(nèi)表面形成一道致密的固化薄膜，實(shí)現(xiàn)鉆孔裂隙有效封堵的目的。因此，噴涂式封孔裝置采用熱噴涂技術(shù)。

氣動(dòng)式吸料系統(tǒng)不易發(fā)生失爆、短路、漏電、電火花爆炸等事故，且具備高適應(yīng)性，溫升較小，可以遠(yuǎn)距離作業(yè)。由于瓦斯抽采裝置多應(yīng)用于煤與瓦斯突出礦井，考慮到高瓦斯、高粉塵、高濕度、高淋水環(huán)境下封孔作業(yè)過程的安全性，噴涂式封孔裝置吸料系統(tǒng)選擇氣動(dòng)式吸料系統(tǒng)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 工程概況

華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲二號(hào)煤礦為全國瓦斯涌出強(qiáng)度較高的煤礦之一，2017年礦井絕對瓦斯涌出量為134.11 m3/min，相對瓦斯涌出量為70.42 m3/t，煤層瓦斯壓力為1.5 MPa，瓦斯含量為10.89 m3/t，透氣性系數(shù)為3.524～3.785 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.024～0.028 d-1，具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

沙曲二號(hào)煤礦4號(hào)煤層之前采用聚氨酯封孔技術(shù)，4901膠帶巷預(yù)抽鉆孔(孔深100 m)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。可看出剛開始時(shí)鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)70%，但在隨后10 d內(nèi)迅速下降到33%，之后增加到36%再下降到21%,說明瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間增加大幅下降，嚴(yán)重影響了瓦斯抽采效果。

圖4 4901膠帶巷預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Gas concentration curve of 4901 belt roadway pre-extraction borehole

4.2 應(yīng)用效果

為考察噴涂式封孔技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，在4401工作面向4號(hào)煤層施工2組順層鉆孔，每組6個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為96 mm。其中，第1組1—6號(hào)鉆孔采用聚氨酯封孔技術(shù)，第2組7—12號(hào)鉆孔使用噴涂式封孔技術(shù)。2組鉆孔封孔深度均為12 m，取鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定后10 d內(nèi)的平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比，如圖5所示?？煽闯?—6號(hào)鉆孔平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為49.7%，7—12號(hào)鉆孔平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為68.7%，相較于聚氨酯封孔技術(shù)，采用噴涂式封孔技術(shù)后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了19%，說明噴涂式封孔技術(shù)的密封性能優(yōu)于聚氨酯封孔技術(shù)。

圖5 噴涂式封孔工藝下鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Gas-extraction volume fraction under spray sealing process

噴涂式封孔材料能滲入鉆孔周圍裂隙群內(nèi)，對煤體孔隙、裂隙起到了有效的封堵作用，且因材料本身的高強(qiáng)度、高韌性特性,對鉆孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到了一定的保護(hù)作用，從而提高瓦斯抽采濃度，保證瓦斯抽采效果。

聚氨酯封孔與噴涂式封孔技術(shù)對比結(jié)果見表2。可看出相較于聚氨酯封孔技術(shù)，噴涂式封孔技術(shù)每米封孔成本節(jié)約了62.4%，單孔封孔成本節(jié)約了53%，單孔封孔時(shí)間節(jié)省了50%，表明噴涂式封孔技術(shù)能在最大程度上提升抽采效率，減少瓦斯抽采成本，有利于實(shí)現(xiàn)礦區(qū)安全效益與經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

表2 2種封孔技術(shù)對比Table 2 Comparison of the two sealing technologies

5 結(jié)論

(1) 提出了噴涂式封孔技術(shù)，研發(fā)了一種新型噴涂式封孔材料，并對材料的透氣性、抗拉強(qiáng)度、附著強(qiáng)度、阻燃性等參數(shù)進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，新型的噴涂式封孔材料具有液態(tài)速凝、密封性好、黏結(jié)性強(qiáng)、阻燃、高韌性、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

(2) 研發(fā)了噴涂式封孔裝置，采用標(biāo)準(zhǔn)化的行走平臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),選用熱噴涂技術(shù)和氣動(dòng)式吸料系統(tǒng),達(dá)到了鉆孔封固、阻止煤體氧化、提高煤體強(qiáng)度和抽采濃度的目的。

(3) 與聚氨酯封孔技術(shù)相比，采用噴涂式封孔技術(shù)后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了19%，單孔封孔成本節(jié)約了53%，單孔封孔時(shí)間節(jié)省了50%，表明噴涂式封孔技術(shù)提升了瓦斯抽采效率，減少了瓦斯抽采成本，有利于實(shí)現(xiàn)礦區(qū)安全效益與經(jīng)濟(jì)效益的最大化。