文/孟鍵 白鵬

一、引言

煤層瓦斯抽采工作是煤礦瓦斯治理最主要的手段，也是瓦斯利用的重要環(huán)節(jié)，煤層瓦斯抽采效果的好壞，直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。瓦斯抽采工作在高瓦斯、突出礦井瓦斯治理工作中具有不可替代的作用。由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、透氣性差、地應(yīng)力大，使得常規(guī)的封孔方法和工藝封孔效率低、封孔效果差。

山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司目前所開采的3號(hào)煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，礦井瓦斯問題尤為嚴(yán)重。原有封孔技術(shù)缺陷使得石泉煤業(yè)抽采鉆孔漏氣嚴(yán)重、抽采瓦斯?jié)舛鹊?，不利于煤層瓦斯抽采工作，也非常不利于煤礦安全生產(chǎn)。基于此，結(jié)合石泉煤業(yè)3號(hào)煤層具體情況，開展針對(duì)巷道周邊煤巖體蠕變條件下的巷周及鉆孔周邊應(yīng)力分布規(guī)律與裂隙發(fā)育特征，并根據(jù)其確定結(jié)果，確立煤層鉆孔的合理始封位置、合理封孔深度、合理注漿壓力等參數(shù)研究，為提高煤層鉆孔封孔質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

二、目前我國煤礦煤層鉆孔封孔技術(shù)存在的主要問題

巷道周圍煤巖體的蠕變效應(yīng)對(duì)于鉆孔始封位置和封孔段長(zhǎng)度影響研究較少，注漿壓力等選擇不合理，導(dǎo)致鉆孔周邊裂隙無法被完全封堵、封孔效果不理想，使得煤層瓦斯抽采效果差、煤層測(cè)壓測(cè)值不準(zhǔn)，影響瓦斯治理措施，為煤礦安全生產(chǎn)埋下隱患。

三、采用聚氨酯封孔工藝現(xiàn)狀

石泉煤業(yè)原來采用聚氨酯材料對(duì)煤層鉆孔進(jìn)行封孔，并聯(lián)網(wǎng)抽采，但瓦斯抽采效果并不理想，瓦斯抽采效率普遍不高，其主要原因之一就是封孔質(zhì)量差。以采用聚氨酯封孔的巷幫鉆場(chǎng)抽采瓦斯參數(shù)為例，30106膠帶順槽在掘進(jìn)初期20d內(nèi)掘進(jìn)了50.4m，巷幫鉆場(chǎng)4個(gè)超前鉆孔瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在4%～6%，瓦斯抽采純量在0.1～0.14m3/min，單個(gè)鉆孔瓦斯抽采純量平均為0.025～0.035m3/min，由此可見，采用聚氨酯封孔方法的封孔效果并不理想。

四、“兩堵一注”帶壓注漿高效封孔工藝技術(shù)原理

1.早期的“兩堵一注”帶壓封孔原理

先在封孔段的兩端進(jìn)行封堵，兩端常用的封堵材料是袋裝聚氨酯。待兩端封堵材料發(fā)泡、凝結(jié)后，再使用位于兩端封堵材料之間的注漿管對(duì)封孔段中間部分進(jìn)行帶壓注漿；在注漿壓力的作用下漿液向鉆孔壁的裂隙中滲透填充，最終封堵鉆孔壁周邊的裂隙，完成封孔。

2.新型“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔工藝介紹及技術(shù)原理

“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔工藝?yán)米{泵產(chǎn)生的注漿壓力，先將封孔器兩頭的囊袋充滿漿液、兩端囊袋膨脹后液漿再封閉中間封孔段的縫隙，從而實(shí)現(xiàn)多層封孔，具有主動(dòng)封孔、封孔嚴(yán)密、操作簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.封孔器工作原理

將“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔器的注漿管與注漿泵連通，液漿在注漿泵壓作用下進(jìn)入注漿管，漿液經(jīng)過單向閥進(jìn)入囊袋1及囊袋2，囊袋迅速膨脹，將囊袋的外徑緊固在煤層孔壁上，將封孔器兩端的孔封閉；當(dāng)壓力大于1.6MPa時(shí)，中間爆破閥打開，液漿將兩個(gè)囊袋中間的封孔段部分充滿，并在注漿泵產(chǎn)生的壓力作用下對(duì)孔周邊裂隙進(jìn)行充填，壓力在2MPa持續(xù)一段時(shí)間后，周邊裂隙注滿，注漿泵自動(dòng)注停，實(shí)現(xiàn)密實(shí)封孔。待到漿液凝固后，即可連接抽采系統(tǒng)，通過瓦斯抽采軟管連接瓦斯抽采干管路抽采瓦斯。

圖130106膠帶順槽本煤層順層鉆孔封孔試驗(yàn)布置示意圖

圖2瓦斯抽采鉆孔封孔布置示意圖

五、試驗(yàn)地點(diǎn)概況

30106膠帶順槽沿3#煤層底板掘進(jìn)，該層位為二疊系下統(tǒng)山西組，該層位主要由3#煤層及其頂?shù)装迥鄮r、砂質(zhì)泥巖及砂巖組成。煤層賦存平緩，平均厚度為6.11m，走向角度10°左右，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1035m，按方位4°沿3#煤層底板掘進(jìn)；巷道采用錨索梁網(wǎng)支護(hù)方式，斷面：矩形；規(guī)格：掘=寬×高=4800×3200mm，凈=寬×高=4600×3100mm，如圖 1所示。

六、“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝試驗(yàn)方案的確定

1.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝確定的背景

組織對(duì)聚氨酯、專用封孔膠、“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔廠家分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，待鉆孔與抽采水箱連接到位后對(duì)單孔濃度、流量進(jìn)行連續(xù)跟蹤測(cè)定及封孔質(zhì)量檢查和分析，根據(jù)瓦斯抽采最佳效果，最終選擇確定“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝技術(shù)。

2.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝技術(shù)方案的確定

本次試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)鉆孔布置、巷道幫部錨桿孔布置，并結(jié)合煤層松動(dòng)圈機(jī)理制定了試驗(yàn)方案：封孔管下管長(zhǎng)度為15米，每節(jié)3m，每節(jié)采用絲扣連接，末端一節(jié)封孔管篩管（花眼）長(zhǎng)度為2m，末端一節(jié)封孔管口設(shè)置堵頭 （防止煤渣吸入封孔管影響抽采效果），為了盡量避開或排除外界對(duì)封孔氣密性因素的影響，選取第一個(gè)囊袋位于孔口3.5m，第二個(gè)囊袋位于篩管花眼外1.5m，保持兩個(gè)囊袋之間距離為8m，囊袋采用鐵絲捆扎在封孔管外壁，保證捆綁牢固可靠，如圖2所示。

3.抽采鉆孔封孔注漿泵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）注漿泵用風(fēng)壓為 0.4～0.5MPa，注漿壓力為 2～2.5MPa，注漿泵自動(dòng)注停則該鉆孔停止注漿，表明該鉆孔內(nèi)漿液已達(dá)到飽和狀態(tài)，漿液已填充滿封孔段煤體裂隙，該孔注漿結(jié)束。注漿過程中若注入專用水泥數(shù)量較多，注漿泵壓力仍未上升，說明存在竄孔（鉆場(chǎng)內(nèi)各鉆孔之間或鉆孔與幫部錨桿孔）現(xiàn)象，存在導(dǎo)通的通道，該孔斷定為無效孔，應(yīng)停止注漿作業(yè)。

（2）嚴(yán)格按要求進(jìn)行配料（注漿泵筒內(nèi)標(biāo)有刻度及量程，配料要求為45L水，3袋封孔料，每袋封孔料重15kg），封孔水泥有結(jié)塊現(xiàn)象時(shí)，入桶之前進(jìn)行篩選，嚴(yán)禁結(jié)塊物進(jìn)入攪拌桶內(nèi)。

（3）封孔結(jié)束后，及時(shí)清洗注漿泵，確保注漿泵清洗干凈。

（4）封孔完畢后由打鉆隊(duì)組將孔口采用水泥封堵抹平，固定孔口抽采管路。

4.抽采鉆孔聯(lián)網(wǎng)程序

（1）封孔注漿完畢8～16小時(shí)以內(nèi)對(duì)所封鉆孔進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采。

（2）鉆孔孔口通過專用彎頭與Ф50抽采軟管連接，采用管箍固定；鉆孔封孔管與彎頭接口處涂抹密封膠，防止漏氣；軟管連接配套閥門，采用管箍固定；閥門通過Ф50軟管短節(jié)與抽采水箱Ф50鋼管短節(jié)連接。連接軟管吊掛在巷道煤幫上，必須吊掛“平、直、穩(wěn)、牢”，不得彎曲。連接兩孔之間抽采軟管必須有支撐吊掛點(diǎn)。

（3）聯(lián)網(wǎng)后及時(shí)抽采，瓦斯抽采隊(duì)技術(shù)人員立即對(duì)單孔抽采參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并做好單孔抽采初始濃度記錄。

七、“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝試驗(yàn)效果分析

經(jīng)過在30106工作面采用“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔，并通過對(duì)封孔效果及數(shù)據(jù)的跟蹤測(cè)定分析，從主管路抽采參數(shù)、支管路抽采參數(shù)、單孔濃度方面均實(shí)現(xiàn)較大程度提高，且成效顯著。目前礦井高低負(fù)壓瓦斯抽采濃度、抽采純瓦斯量、礦井瓦斯抽采率均呈現(xiàn)出跳躍式提升，主管路瓦斯?jié)舛扔?%提高到10%，增幅近3倍多，主管路抽采純瓦斯量由7m3/min提高到36m3/min，增幅近5倍；支管路瓦斯?jié)舛扔?%提高到25%，增幅近12倍，支管路抽采純瓦斯量增幅近15倍，為瓦斯發(fā)電氣源保障奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過對(duì)兩種不同封孔方式的試驗(yàn)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤測(cè)定，從兩種封孔工藝試驗(yàn)鉆孔中選取現(xiàn)場(chǎng)施工最為成功且具有代表性鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行如下對(duì)比，如圖3所示（聚氨酯與“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔抽采濃度曲線圖）。

圖3聚氨酯與“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔抽采濃度曲線圖

八、結(jié)論

1.試驗(yàn)表明“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝能夠簡(jiǎn)單、快速、高效進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔的封孔，既可應(yīng)用于巖石鉆孔，也可應(yīng)用于煤層鉆孔，具有很強(qiáng)的瓦斯抽采鉆孔普適性。

2.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔率減慢，抽采濃度及抽采量高倍數(shù)遞加，有利于瓦斯利用氣源需求。

3.高壓封孔的水泥漿不但能封堵圍巖的漏氣通道，減緩了鉆孔變形的速度，而且所采用的速凝膨脹水泥在初凝后發(fā)生一定的體積膨脹，使封孔段鉆孔周圍形成高應(yīng)力區(qū)，膨脹力繼續(xù)壓密未曾充填的裂隙，進(jìn)一步減少漏氣通道，對(duì)鉆孔起到主動(dòng)支護(hù)的作用，減小了鉆孔的塑性區(qū)及鉆孔變形量，降低了封孔段巖體的透氣性。

4.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝設(shè)備成套性強(qiáng)，囊袋注漿和鉆孔注漿依據(jù)設(shè)定壓力依次自動(dòng)進(jìn)行，達(dá)到設(shè)定最終壓力注漿泵自動(dòng)停止，封孔結(jié)束無需人工干預(yù)，避免了人工由于經(jīng)驗(yàn)不足而造成的操作失誤。另外，共享啟動(dòng)馬達(dá)的自動(dòng)攪拌制漿系統(tǒng)，降低了操作人員的工作強(qiáng)度。