陳 忠，田國(guó)平，喬書明

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.天鼎恒砼外加劑科技發(fā)展有限公司，太原 030008；3.陽煤集團(tuán)壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

景福煤礦瓦斯抽采鉆孔無機(jī)封孔材料試制及應(yīng)用

陳 忠1，3，田國(guó)平2，喬書明3

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.天鼎恒砼外加劑科技發(fā)展有限公司，太原 030008；3.陽煤集團(tuán)壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

為了解決景福煤礦本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量差、漏氣率大、抽采濃度低的問題，試制了一種新型無機(jī)封孔材料。通過新型無機(jī)封孔材料的試制過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了各組份原料對(duì)材料的影響，為產(chǎn)品最終定型提供了依據(jù)。通過井下抽采鉆孔封孔效果檢驗(yàn)，平均抽采瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?2.8%提高到26.5%。

瓦斯抽采；漏氣；無機(jī)封孔材料；試制

1 瓦斯抽采鉆孔漏氣機(jī)理及對(duì)策

經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，瓦斯抽采鉆孔漏氣主要有以下幾個(gè)方面的原因：一是巷道掘進(jìn)后造成圍巖松動(dòng)圈裂隙，一般寬度為5～7 m；二是幫錨桿、幫錨索等支護(hù)鉆孔與抽采鉆孔貫通，一般寬度為2～5 m；三是瓦斯抽采鉆孔孔壁裂隙或裂縫，其形成與鉆孔周邊應(yīng)力變化和煤層堅(jiān)固程度有關(guān)，一般沿鉆孔全長(zhǎng)分布；四是礦山壓力通過鉆孔孔壁作用于封孔材料時(shí)，由于封孔材料抗壓強(qiáng)度不足，被壓裂或發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生裂隙或漏氣通道。

由瓦斯抽采鉆孔漏氣機(jī)理可知，針對(duì)第一、二條原因，應(yīng)當(dāng)采取加大封孔抽放管長(zhǎng)度、封孔深度的措施。近年來瓦斯抽采實(shí)踐中封孔抽放管長(zhǎng)度、封孔深度由原來的6～8 m逐漸增加到8～10 m，取得了比較好的抽采效果。而第三、四條原因，也恰恰是聚氨酯封孔材料不能克服的缺點(diǎn)。聚氨酯類材料的成分為高分子，很難填充到孔壁裂隙中，甚至比較大的裂縫也很難被阻斷而形成漏氣通道；同時(shí)，高分子材料易發(fā)生塑性變形，在孔壁與材料體之間形成比較大的漏氣通道。而無機(jī)類材料，比如水泥，由于材料分子較小，與煤層有很好的“親和力”，比較容易進(jìn)入并充填孔壁裂隙。水泥膠結(jié)物具有很高的抗壓強(qiáng)度，因此進(jìn)入孔壁裂隙后對(duì)煤層結(jié)構(gòu)有改善作用，有利于提高鉆孔周邊煤體的抗壓強(qiáng)度，對(duì)煤體產(chǎn)生加固作用。當(dāng)然，水泥最常見的問題是“干縮”，“干縮”將產(chǎn)生裂隙?！案煽s”的原因是保證材料和易性的水分流失。如果在材料中加入適量減水劑，就可以解決“干縮”問題，這種方法在路橋等諸多行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。如果在材料中再加入適量膨脹劑，不僅能進(jìn)一步抵消“干縮”影響，而且使材料在凝結(jié)過程中產(chǎn)生微膨脹。這種微膨脹在封閉的空間內(nèi)將轉(zhuǎn)化為壓力。據(jù)實(shí)測(cè)，體積膨脹率達(dá)到2%時(shí)，產(chǎn)生的壓力可達(dá)1 MPa，此壓力值足以保證材料進(jìn)入并充填孔壁裂隙，從而起到堵漏氣的作用。

2 無機(jī)封孔材料試制實(shí)驗(yàn)

解決問題的思路確定以后，太原理工大學(xué)與景福煤礦相關(guān)人員綜合考慮注漿機(jī)具性能、一次制漿量、單孔注漿所需時(shí)間及初始抽采時(shí)間等因素，共同擬定了無機(jī)封孔材料目標(biāo)技術(shù)參數(shù)（如表1所示），委托太原市天鼎恒砼外加劑科技發(fā)展有限公司開展試制實(shí)驗(yàn)。天鼎恒砼公司采用混凝土外加劑自動(dòng)配方系統(tǒng)，錄入主要試驗(yàn)原料技術(shù)指標(biāo)和試制目標(biāo)材料技術(shù)參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)生成了配方結(jié)果。主要試驗(yàn)原料技術(shù)指標(biāo)如表2、3、4所示，系統(tǒng)自動(dòng)生成配方結(jié)果如表5所示。試制人員按配方配制材料10 kg，交由有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，初凝時(shí)間、終凝時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)基本滿足目標(biāo)技術(shù)參數(shù)要求，材料抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率兩項(xiàng)指標(biāo)沒有達(dá)到預(yù)期效果。通過對(duì)表5、6的綜合分析，試制人員加大了水泥、石英砂的用量，尤其大幅度增加了膨脹劑的用量，二次配方結(jié)果如表7所示。試制人員按二次配方配制材料10 kg，交由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、材料抗壓強(qiáng)度和體積膨脹率四項(xiàng)指標(biāo)均滿足目標(biāo)技術(shù)參數(shù)要求。試制人員按二次配方配制材料100 kg，與景福煤礦相關(guān)人員進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)砂漿有離析現(xiàn)象。試制人員認(rèn)為離析現(xiàn)象主要是由于砂漿黏稠度不足引起的，于是增加引氣劑和纖維素的用量，再次對(duì)配方進(jìn)行了調(diào)整，改進(jìn)后的配方如表9所示。第二次井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，砂漿沒有發(fā)生離析現(xiàn)象，泵送條件大為改善。實(shí)驗(yàn)室對(duì)第三次配方材料進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表10所示。

3 無機(jī)封孔材料現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果檢驗(yàn)

無機(jī)封孔材料試制成功后，景福煤礦在15103工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。15103工作面煤層厚度3.8～4.0 m，煤層傾角5°～12°，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單；煤層直接頂為太原組灰?guī)r，厚度1.5～1.8 m；老頂為砂質(zhì)泥巖，厚度4.5～5.8 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度3.5～4.0 m。該工作面煤層瓦斯壓力0.3～0.5 MPa，瓦斯含量6.5～7.8 m3/t。

15103工作面回風(fēng)順槽長(zhǎng)度700 m，無機(jī)封孔材料試制成功后已掘進(jìn)500 m。抽采瓦斯鉆孔滯后于掘進(jìn)工作面100 m施工，鉆孔垂直于巷幫布置。先期施工的400 m巷道內(nèi)192個(gè)抽采瓦斯鉆孔封孔材料采用聚氨酯AB液混合藥包；以后施工的300 m巷道內(nèi)144個(gè)抽采瓦斯鉆孔采用“兩堵一注”封孔方式，即封孔段兩端先用聚氨酯AB液混合藥包封孔，隨后在兩段藥包之間注入無機(jī)封孔材料，“兩堵一注”封孔工藝如下圖1所示。

景福煤礦根據(jù)封孔方式的不同，將15103工作面回風(fēng)順槽內(nèi)336個(gè)鉆孔分為兩組，分別對(duì)抽采瓦斯?jié)舛?、抽采瓦斯流量進(jìn)行了為期3個(gè)月的觀測(cè)。第一組192個(gè)鉆孔采用聚氨酯封孔，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?2.8%，單孔平均抽采瓦斯流量為0.005 1 m3/min。第二組144個(gè)鉆孔采用“兩堵一注”封孔方式，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?6.5%，單孔平均抽采瓦斯流量為0.006 8 m3/min。根據(jù)對(duì)抽采瓦斯?jié)舛?、抽采瓦斯流量觀測(cè)報(bào)表的分析，還發(fā)現(xiàn)兩組鉆孔存在以下現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，第一組鉆孔瓦斯?jié)舛人p比較明顯，第二組鉆孔瓦斯?jié)舛缺容^穩(wěn)定；而瓦斯流量衰減速度第二組鉆孔明顯要大于第一組鉆孔，第二組鉆孔第50 d左右測(cè)定的單孔平均瓦斯流量與第一組鉆孔第80 d左右測(cè)定的單孔平均瓦斯流量相當(dāng)，之后呈快速下降趨勢(shì)。這些現(xiàn)象說明，“兩堵一注”封孔方式鉆孔所需的抽采時(shí)間可以比聚氨酯封孔鉆孔節(jié)約至少30 d左右。

4 結(jié)束語

景福煤礦瓦斯抽采鉆孔無機(jī)封孔材料試制及應(yīng)用實(shí)踐說明，無機(jī)封孔材料能大幅度地提高瓦斯抽采效率，抽采瓦斯?jié)舛雀?，可以?jié)省抽采時(shí)間，符合煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展要求，是新型封孔材料的發(fā)展方向。無機(jī)封孔材料試制過程最終確定的材料配方，滿足抽采瓦斯對(duì)封孔材料技術(shù)參數(shù)的要求，具備了進(jìn)一步推廣使用的條件，可以作為定型產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

「1」山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司.陽煤集團(tuán)壽陽景福煤業(yè)有限公司兼并重組整合項(xiàng)目礦井瓦斯抽采初步設(shè)計(jì)[R].山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，2010.

「2」林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

「3」中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50119-2013混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2014-08-01.

Trial Production and Application of Inorganic Sealing Material for Boreholes in Gas Drainage in Jingfu Mine

CHEN Zhong1，3,TIAN Guoping2,QIAO Shuming3
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Tianding Hengtong Admixture Technology Co.,Ltd.Taiyuan 030008,China; 3.Shouyang Jingfu Coal Co.,Ltd.,Yangquan Coal Group,Shouyang 045400,China.)

To solve the poor quality of boreholes in gas drainage,large leakage rate,low extraction concentration,and other problems,a new inorganic sealing material was trial-produced in Jingfu Mine.On the data from the trial production and experiment of the new material,the effect of each component on the material was studied to provide the evidence for the final determination.The effect test on sealing showed that mean gas concentration increased from 12.8%to 26.5%.

gas drainage;air leakage;inorganic sealing material;trial production

TD712.63

A

（編輯：薄小玲）

2014-11-03

陳忠(1969-)，男，山西平遙人，在讀工程碩士研究生，高級(jí)工程師，從事煤礦瓦斯治理技術(shù)工作。