煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究

摘要：为解决平煤股份十矿煤层瓦斯抽采封孔技术这一难题，结合国内外煤层瓦斯抽采封孔工艺，通过对煤体渗透扩散机理的研究，提出了煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术原理，即：通过带压注浆封孔，实现封堵钻孔周围煤岩松动裂隙的目的，从而达到了理想封孔效果，并与改进前抽采效果进行了对比，大大提高了煤层钻孔瓦斯抽采浓度。

关键词：瓦斯抽采；封孔工艺；带压封孔

在煤炭开采过程中，瓦斯灾害一直是威胁矿井安全的主要灾害之一。虽然国内外学者在瓦斯治理方面进行了大量试验研究工作，但实践效果均差强人意。目前煤层瓦斯预抽采措施仍然被认为是预防瓦斯灾害最为有效的方法之一。

抽采浓度偏低成为困扰瓦斯灾害预防的瓶颈，一般来说造成钻孔抽采浓度低的因素有很多，其中封孔工艺是影响因素之一，也是最重要、最关键的影响因素。目前十矿煤层瓦斯抽采孔普遍采用水泥砂浆封孔、开放式注浆(即无压注浆)，显然抽采浓度低与该工艺封孔效果不理想有很大的关联。因此，开展带压封孔技术研究是改变十矿煤层瓦斯抽采现状的关键。

1 矿井抽采概况

平顶山股份煤业股份有限公司十矿（以下简称十矿）是全国瓦斯治理难度最大的煤矿之一，井田瓦斯具有储量大、含量高、压力大的特点[1]。近年来，随着煤层开采深度的进一步增加，复杂瓦斯地质因素的相互作用使得开采条件变得渐趋恶化，瓦斯动力灾害逐渐显现并趋严重，而作为该矿重要预防手段实施的本煤层瓦斯抽采措施却存在着抽采浓度偏低的现状（数据显示仅为5%左右）[2]，严重影响了十矿安全生产的进度。抽采效果是以瓦斯抽采浓度为首要表现形式，并直接决定了瓦斯抽采进度，因此，如何提高瓦斯抽采浓度就成为十矿瓦斯治理方面亟待解决的首要问题。

2 煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术

2.1 煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术原理

根据抽采钻孔封孔工艺现状分析和空气扩散渗透进入抽采管的途径，我们可以清楚的知道，要成功提高煤层钻孔抽采浓度，其钻孔封孔段必须具备两个关键条件：一是抽采钻孔周围煤体裂隙封堵密实[3]；二是封孔段不能出现空气通道[4]。为了实现这一目标，本文提出了煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术，即双侧聚氨酯-水泥砂浆带压封孔工艺。实现了封堵煤体周围松动裂隙、杜绝空气通道形成的目的，从而达到抽采钻孔密封技术要求，提高钻孔抽采浓度，进而提高煤层瓦斯抽采率。

2.2 双侧聚氨酯-水泥砂浆带压封孔工艺

该封孔工艺是对双侧聚氨酯-水泥砂浆封孔工艺的彻底改进，其本质改进有两点：一、为了加强重力对浆液在煤体扰动裂隙内渗透扩散的影响，对封孔段长度做了重新调整，延长封孔段长度；二、给浆液的渗透扩散一个直接的源动力，带有一定的注浆压力。

由于现在煤矿企业所使用的聚氨酯大多是预先调配好的，通过添加一定试剂方式对反应时间调整余地不大，因此，本封孔工艺中固定抽采管、配合延长封孔段使用的聚氨酯就不能采用将其均匀涂抹到缠裹在抽采管预定位置毛巾上的方式。通过理论和试验论证决定采用手压泵将聚氨酯注入预留固定位置的方式，这样就可以解决由于反应过快而带来的难以实现延长封孔注浆段长度的问题。

注浆压力的选择要根据钻孔周围煤体情况，聚氨酯固定段长度、抗压强度及抽采钻孔的密集程度等等作出。

该工艺实施步骤：

(1) 封孔前，利用压风吹净孔内钻屑；

(2) 然后将经过严格挑选的无裂缝抽采管放入抽采孔一定深度；

(3) 抽采管预定封孔段两端缠有具有一定长度的用来约束聚氨酯不至于四溢流失的毛巾；

(4) 利用预留的聚氨酯注入胶管将一定量的聚氨酯注入，待聚氨酯反应完全，再通过孔口端预留注浆管利用压力可调风动注浆机向封孔段注入水泥砂浆，要求达到一定的压力；

(5) 待水泥凝固后并网进行瓦斯抽采。封孔示意图，如图2-1所示。

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图2-1双侧聚氨酯-水泥砂浆封孔示意图

1——瓦斯抽采管2——水泥砂浆封孔段3——聚氨酯固定段

4——预留注浆管5——高压球阀

2.3 施工工艺参数

普通封孔工艺参数：开孔长度14.4m、封孔段长度15 m、抽采管长度14.4 m；设计封孔工艺参数：封孔段长度15 m、抽采管长度15.15 m。根据十矿的实际情况，施工队伍的钻头规格最小的为Ф54 mm，故确定抽采管的孔径规格为Ф94×5 mm，普通工艺开孔孔径选为Ф120 mm，扫孔孔径为Ф54 mm；设计工艺施工孔径选Ф120 mm。确定十矿戊组煤层带压注浆的注浆压力为：2.1MPa本文中所设计的封孔工艺单孔需0.63的聚氨酯，而普通封孔工艺需要0.315的聚氨酯。当水玻璃加热到38°时，0.75:1 比例的灰浆凝固速度达到最快，这与添加波美度39°的水玻璃反应速度相同。所以，本文注浆用的水泥与水玻璃也按上述比例进行配比。

3 煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔工艺的效果考察

参数设计要求：封孔后钻孔封孔段可以满足注水承压实验，在注浆压力下封孔段周围不会出现漏浆、涌浆现象。并网抽采时，可以实现较高的抽采负压。

本文中所设计的带压封孔工艺与普通封孔工艺在十矿戊9-20180机巷进行试验。设计封孔工艺钻孔与普通封孔工艺钻孔共施工8个，依据十矿要求可知，一般本煤层抽放钻孔皆超过50米，封孔长度一般在20米。（钻孔布置如图3-1所示），设计封孔工艺钻孔和普通封孔工艺钻孔各四个，抽采管采用相同的Ф89×5mm。

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图3-1试验钻孔布置图

1——1#孔设计工艺2——2#孔普通工艺3——3#孔设计工艺4——4#孔普通工艺

5——5#孔普通工艺6——6#孔设计工艺7——7#对普通工艺8——8#孔设计工艺

封孔半径：注浆扩散半径影响注浆加固范围内的煤体的密实性，在给定注浆布置条件下，注浆扩散半径越大，各注浆孔浆液扩散圈相交重叠厚度越大，则煤体被浆液充填的密实性越高。封孔半径就是注浆浆液扩散所达到的有效范围，主要基于钻孔扰动裂隙影响范围而言。

有效半径是浆液渗透扩散的下限，一般结合煤体地质特性确定。其次封孔半径是注浆压力确定的基础。根据经验，瓦斯抽放钻孔的煤体扰动破坏范围一般为孔径的5~ 10倍，考虑到抽采钻孔周围煤体由于地应力的存在而具有随时间的卸压裂隙延伸，故可确定钻孔扰动裂隙影响范围较计算值大一些，从而使得打钻活动照成的扰动裂隙影响范围均囊括在封孔半径影响范围之内。

注浆压力：注浆压力即为带压封孔时实现有效封孔半径的注浆理论压力。

3.2 实验结果分析

由于数据较多，本文只取了前23天的抽采数据，且文中只列举了1#和2#孔的瓦斯浓度变化曲线作为直观的比较。

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图3-21#孔设计工艺瓦斯抽采浓度曲线图

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图3-32#普通孔钻孔抽采浓度与时间的关系

从观测得到的抽采数据制成的浓度随瓦斯抽采天数的变化曲线中可以直观的看出，随着煤层瓦斯抽采工作的进行煤层瓦斯是呈现递减态势，这与煤与瓦斯突出的防治目标正好吻合。从列出来的曲线图中可以观察出，本文中所设计的带压封孔工艺技术措施与普通单侧聚氨酯-水泥设计带压封孔工艺从抽采浓度变化曲线效果来分析，我们可以发现本文所设计带压封孔工艺较十矿以前所采用的封孔工艺瓦斯抽采浓度有大幅度的提升，可以实现大幅度提高煤层瓦斯抽采浓度的要求。

4 结论

带压注浆封孔技术是借助注浆设备提供一定的注浆压力，以此保证封孔材料在孔壁裂隙内的渗透扩散，加固、充填裂隙，在裂隙面上形成网络骨架，增强煤体强度，凝固后生成对煤体具有较高粘结性的有机塑性体。带压注浆封孔可以保证在钻孔周围一定范围内形成人造外壳从而达到杜绝孔壁裂隙对钻孔瓦斯抽采的影响。以此作出以下结论。

(1)提出了煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术原理。由于煤体是一多孔且裂隙发育的介质，在地层压力作用下，煤层本身具有一定的塑性，当钻孔在煤体内钻进时，钻孔周围煤体内会形成一定范围的松动裂隙，瓦斯气体可以通过这些裂隙解吸逸散，空气可以通过这些裂隙渗透到深部煤体，因此，必须对这些裂隙进行处理才能提高瓦斯抽采浓度。

(2)根据带压封孔技术原理，就目前采用的煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺自行改造设计了一套本煤层抽采钻孔封孔工艺。经十矿戊9-20180机巷的实地封孔抽采表明：带压封孔工艺技术可以成功的抽取较高浓度的煤层瓦斯，很好的实现了提高瓦斯抽采浓度的目的。

(3)由于该煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺能够实现较高瓦斯抽采浓度，满足提高煤层瓦斯抽采浓度的要求，因此有一定的推广价值。

参考文献：

[1] 平顶山股份煤业股份有限公司十矿矿井地质报告，内部资料，平煤股份十矿,2008.

[2] 平顶山股份煤业股份有限公司十矿瓦斯地质图说明书，内部资料，平煤股份十矿,2008.

[3] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[4] 韩贵雷，破裂岩体承压注浆加固力学特性试验研究[D].徐州：中国矿业大学硕士论文,2008:4-7.

作者简介：李广涛，男（1975—），河南郾城县人，助理工程师，1996年毕业于平顶山职工矿大，2009年荣获中平能化集团“青年科技奖”称号，长期从事煤矿瓦斯治理及防突技术研究，现任平顶山天安煤业股份有限公司十矿防突科副科长

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