楊啟軍，薛闕章，石志亮

（1.義煤河南大有能源股份有限公司 技術(shù)中心瓦斯研究所，河南 義馬472300；2.義煤集團(tuán)新義礦業(yè)公司，河南 新安471821；3.鄭煤集團(tuán)國瑞煤業(yè)有限公司 通風(fēng)防突處，河南 新密452371）

瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。目前，防治煤礦井下瓦斯災(zāi)害最有效的措施是瓦斯抽采，而我國95%以上高瓦斯和突出礦井屬于低透氣性煤層〔1－3〕，其透氣性系數(shù)只有10－3～10－4mD〔3－5〕，煤層透氣性差，加之目前瓦斯抽采鉆孔封孔不嚴(yán)造成抽采過程中漏氣嚴(yán)重，鉆孔的瓦斯抽采濃度衰減較快，瓦斯抽采困難、瓦斯抽采效率低是國內(nèi)突出礦井普遍存在的技術(shù)難題。為實(shí)現(xiàn)高負(fù)壓、高濃度連續(xù)瓦斯抽采，著手開展了膠囊封孔技術(shù)研究。該技術(shù)已在義煤集團(tuán)新義礦業(yè)公司12041工作面皮帶順槽本煤層鉆孔進(jìn)行了封孔應(yīng)用，效果顯著。

1 膠囊封孔技術(shù)封孔機(jī)理及配套設(shè)備研究

1.1 膠囊封孔技術(shù)封孔機(jī)理研究

膠囊封孔技術(shù)，是基于采煤工作面煤壁內(nèi)存在應(yīng)力擾動(dòng)溝通的裂隙，利用帶壓注漿方式來達(dá)到改變瓦斯抽采鉆孔周圍煤體特性和密封微孔裂隙的目的。該膠囊封孔技術(shù)的具體施工工藝為：封孔前利用壓風(fēng)吹凈孔內(nèi)鉆屑，然后將膠囊封孔器和抽采花管置入鉆孔預(yù)定位置，利用專用風(fēng)動(dòng)雙液注漿泵將A、B兩種封孔材料經(jīng)注漿泵混合槍頭注入膠囊；在注漿泵的壓力下，封孔材料充滿整個(gè)膠囊，膠囊與鉆孔內(nèi)壁緊密接觸，初步實(shí)現(xiàn)了封孔效果。由于膠囊兩端采用的是防滲透材料而膠囊中部采用的是可滲透材料，隨著注漿泵繼續(xù)泵入封孔材料，在強(qiáng)大的注漿壓力下，封孔材料從膠囊中部透過到達(dá)膠囊和鉆孔之間的空隙，充滿整個(gè)空間并向煤體裂隙內(nèi)部運(yùn)移，從而實(shí)現(xiàn)密閉瓦斯泄漏通道的目的（見圖1）。

圖1 膠囊封孔技術(shù)封孔系統(tǒng)示意

1.2 膠囊封孔技術(shù)配套設(shè)備的研制

1.2.1 膠囊封孔器膠囊研制

膠囊封孔器膠囊采用特殊材料制成，由特殊羅紋布和高密封無污染橡膠材料兩部分構(gòu)成，膠囊的大小和長度可以根據(jù)需要定制。膠囊用羅紋布具有伸縮性，即膠囊的直徑可以脹大，且膠囊羅紋布在較高的壓力下具有滲透性能，膠囊兩端采用橡膠密封。

1.2.2 膠囊封孔用注漿材料研制

膠囊封孔注漿材料應(yīng)具有膨脹、速凝、可注性等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)良好的封孔效果，在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，成功研制了雙液型注漿封孔材料，該材料滲透性好，固結(jié)強(qiáng)度高，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，可操作性強(qiáng)。

1.2.3 膠囊封孔用注漿泵研制

為實(shí)現(xiàn)A、B兩種封孔材料均勻混合并具備一定的壓力注入封孔器，結(jié)合井下現(xiàn)有壓風(fēng)資源研制了體積小、重量輕、移動(dòng)方便以壓風(fēng)為動(dòng)力的封孔用注漿泵，并研制了高密封、免清洗、自動(dòng)混合槍頭。

2 膠囊封孔技術(shù)瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度的確定

瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度的范圍必須超過巷道松動(dòng)區(qū)范圍，但同時(shí)又要小于巷道煤壁應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。由于鉆屑量沿鉆孔的變化與沿鉆進(jìn)方向煤體內(nèi)的應(yīng)力變化趨勢一致，因此，可以從鉆屑量的變化規(guī)律分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，從而確定出松動(dòng)區(qū)的范圍和應(yīng)力峰值點(diǎn)的位置，為確定合理封孔深度提供依據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，抽采鉆孔合理封孔深度應(yīng)在鉆孔7～9m深度位置。

3 膠囊封孔技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)工作面及現(xiàn)場應(yīng)用情況簡介

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為義煤集團(tuán)新義礦業(yè)公司12041工作面皮帶順槽。在皮帶順槽施工了巷幫本煤層鉆孔，鉆孔孔徑Φ89mm，孔間距3m，鉆孔仰角2°；鉆孔開孔位置距巷道頂板1.4m，鉆孔深72m，施工完畢后及時(shí)進(jìn)行了封孔，封孔段長度均為8m。

3.2 應(yīng)用效果分析

試驗(yàn)鉆孔自2011年12月5日開始施工，自2011年12月9日施工完畢。各鉆孔施工結(jié)束后立即封孔、聯(lián)管抽采并監(jiān)測抽采濃度。本次共計(jì)封孔12個(gè)，其中采用聚氨酯－水泥砂漿所封鉆孔3個(gè)，采用膠囊封孔技術(shù)所封鉆孔9個(gè)。各試驗(yàn)鉆孔抽采濃度隨抽采時(shí)間變化折線見圖2，采用聚氨酯－水泥砂漿封孔鉆孔及采用膠囊封孔技術(shù)所封鉆孔平均抽采濃度隨抽采時(shí)間變化折線見圖3。

圖2 各試驗(yàn)鉆孔抽采濃度隨抽采時(shí)間變化折線

圖3 兩種封孔方法下鉆孔平均瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間變化折線

通過圖2、圖3可以得出以下結(jié)論：

（1）采用聚氨酯－水泥砂漿封孔法對抽采鉆孔進(jìn)行封孔后，鉆孔最大抽采濃度可達(dá)75.1%，但持續(xù)時(shí)間較短；采用膠囊封孔技術(shù)后，鉆孔最大抽采濃度可達(dá)89%，表明采用該技術(shù)后，鉆孔的密封效果更好，正是由于新型瓦斯抽采鉆孔封孔法不僅密封了鉆孔，還封堵了鉆孔內(nèi)壁與煤層溝通的發(fā)育裂隙，才實(shí)現(xiàn)了鉆孔瓦斯較高濃度的抽采。

（2）由圖2可知，采用聚氨酯－水泥砂漿封孔的大部分抽采鉆孔，在抽采7天后就發(fā)生抽采濃度急劇衰減的現(xiàn)象，這是由于膨脹后的聚氨酯幾乎沒有抗壓強(qiáng)度，不足以抵抗在地應(yīng)力的作用下鉆孔周圍煤體的變形，而由于煤層傾角較小，水泥砂漿不能充滿整個(gè)鉆孔封孔段空間，在高地應(yīng)力作用下，固化的聚氨酯材料被壓縮，造成固化的聚氨酯與鉆孔內(nèi)壁出現(xiàn)裂隙而漏氣；而膠囊封孔材料在封孔初期就對鉆孔施加支護(hù)力，限制鉆孔變形，保持鉆孔的穩(wěn)定，避免了上述漏氣現(xiàn)象，因此能保持在相對較長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高濃度的穩(wěn)定抽采。

（3）由圖3可知，經(jīng)過91天的抽采，采用膠囊封孔技術(shù)后，鉆孔平均最大抽采濃度達(dá)64.7%，最小平均抽采濃度為34.3%；而采用聚氨酯－水泥砂漿封孔后，鉆孔平均最大抽采濃度為43.8%，最小平均抽采濃度為6.8%。采用膠囊封孔技術(shù)后，鉆孔平均抽采濃度較聚氨酯封孔方法提升95%以上，且在91天的抽采過程中一直保持較高的抽采濃度（34%以上），而聚氨酯－水泥砂漿封孔鉆孔經(jīng)過35天的抽采后平均抽采濃度已不足20%。

綜上所述，采用膠囊封孔技術(shù)的抽采鉆孔有效地抵抗了地應(yīng)力作用下鉆孔周圍煤體的變形，鉆孔的密封效果得到了提升，鉆孔的平均瓦斯抽采濃度較聚氨酯－水泥砂漿封孔法有較大程度的提高，具有較大的優(yōu)越性。目前該技術(shù)已在義煤集團(tuán)千秋煤礦、孟津煤礦、義安礦業(yè)公司、新安煤礦、新義礦業(yè)公司等推廣應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

1）研制了順層鉆孔膠囊封孔器，該膠囊具有膨脹性能，且在較高的壓力下具有較強(qiáng)的滲透性，能透過封孔材料，可實(shí)現(xiàn)對封孔器和鉆孔內(nèi)壁之間的間隙及鉆孔內(nèi)壁發(fā)育裂隙的有效封堵，有效提高鉆孔的瓦斯抽采濃度。

2）研制了具有微膨脹性、速凝、可注性的注漿封孔材料，并研制了配套的雙液封孔泵和免清洗混合槍頭，消除了殘余在注漿泵混合槍頭中的余料固結(jié)造成槍頭堵塞的弊病。

3）在對膠囊封孔技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過91天的抽采后，采用膠囊封孔技術(shù)的鉆孔平均瓦斯抽采濃度仍保持在34%以上，而經(jīng)過相同時(shí)間的抽采，采用聚氨酯－水泥砂漿封孔法的鉆孔平均瓦斯抽采濃度已不足7%。

〔1〕汪有剛，李宏艷，齊慶新，等.采動(dòng)煤層滲透率演化與卸壓瓦斯抽放技術(shù)〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（3）：406－410.

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〔3〕秦躍平，姚有利，劉長久.鐵法礦區(qū)地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)及應(yīng)用〔J〕.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（1）：5－8.

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