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(1.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.山東史達(dá)夫工控科技有限公司，山東 棗莊 277100)

瓦斯災(zāi)害是煤礦生產(chǎn)的主要災(zāi)害，也是煤礦安全治理難度最大的災(zāi)害[1-4]。瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，抽采瓦斯鉆孔封孔質(zhì)量以及有效抽采周期決定了礦井瓦斯抽采的效果，而瓦斯抽采率又是衡量抽采效果的重要技術(shù)參數(shù)之一，因此抽采瓦斯鉆孔的有效封孔技術(shù)是提高抽采率至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[5-16]。在瓦斯抽采初期其濃度一般較高，能夠達(dá)到預(yù)期效果，但隨著瓦斯抽采系統(tǒng)的延續(xù)，在有效地應(yīng)力、解吸瓦斯、抽放負(fù)壓等綜合作用下，抽采鉆孔圍巖裂隙迅速發(fā)育、擴(kuò)展，發(fā)生變形破壞并出現(xiàn)大量次生裂隙，封孔段與鉆孔壁或其圍巖拓展裂隙形成“漏氣”通道，導(dǎo)致抽采后期孔口抽采負(fù)壓急劇下降，降低了瓦斯抽采效果，并縮短了鉆孔有效抽采周期，嚴(yán)重影響煤層瓦斯抽采率。針對(duì)煤層尤其是含水煤層瓦斯抽采過(guò)程中鉆孔圍巖不斷產(chǎn)生大量新生孔裂隙，致使抽放瓦斯?jié)舛鹊?、有效抽放周期短等技術(shù)難題，傳統(tǒng)的一次封孔方法[5，6](包括膨脹水泥砂漿、黃泥漿等)對(duì)于鉆孔周?chē)a(chǎn)生的裂隙只能進(jìn)行一次性的封堵，而且封堵漿液在高濕度的鉆孔中凝固成形需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間，影響正常的工期；封孔材料凝固后一般也會(huì)因?yàn)樽陨淼氖湛s性而使鉆孔空間無(wú)法被完全填滿(mǎn)，從而導(dǎo)致裂隙區(qū)難以有效封堵，鉆孔漏氣嚴(yán)重，密封質(zhì)量差；在一次封孔的基礎(chǔ)上使用二次封孔技術(shù)來(lái)封堵鉆孔周?chē)牧严禰7-9]，不僅耗時(shí)耗工，而且還要購(gòu)置專(zhuān)門(mén)的二次封孔設(shè)備，增加生產(chǎn)成本。為解決含水瓦斯抽采鉆孔的密封問(wèn)題，本文提出了在傳統(tǒng)的“兩堵一注”封孔方式基礎(chǔ)上[10-13]的瓦斯抽采鉆孔非凝固恒壓漿液封孔方法，解決了瓦斯抽采過(guò)程中新生裂隙難以封堵的問(wèn)題，其方法簡(jiǎn)單、易操作、可顯著提高瓦斯抽采的效果、具有極好的推廣價(jià)值。

1 基本原理

漿體具有半流體性質(zhì)，是介于固體和液體之間的物質(zhì)，非常粘稠的液體。因此它同時(shí)具有良好的流動(dòng)特性及固態(tài)封堵的能力，這對(duì)于裂隙的封堵是非常有益的。只要存在壓力，即可以促使?jié){體進(jìn)行流動(dòng)，同時(shí)流動(dòng)的范圍不受到裂隙的尺寸影響。但裂隙小于一定尺寸時(shí)候，漿體的固態(tài)特性得以體現(xiàn)，在微小裂隙通道中穿梭則可能產(chǎn)生非常差大的阻力，致使流動(dòng)減緩，同時(shí)也達(dá)到了封堵裂隙的目的。在對(duì)瓦斯鉆孔進(jìn)行密封過(guò)程中，以一定的壓力將半流體狀的封孔漿液注入，注滿(mǎn)密閉空間后仍繼續(xù)帶壓注一段時(shí)間，直到達(dá)到提示停止注漿的壓力閥值。所注的封孔漿液始終處于一種相對(duì)恒壓的狀態(tài)，所以一旦鉆孔周?chē)霈F(xiàn)新發(fā)育的裂隙，漿液分子可以主動(dòng)滲透，自動(dòng)填堵裂隙，隔絕漏氣通道，減少空氣的進(jìn)入從而提高瓦斯抽采濃度。而且在整個(gè)抽采過(guò)程中，封孔段內(nèi)的漿液始終不脫水，保持半流體狀態(tài)，所以尤其適用于封堵含水瓦斯鉆孔。很好的實(shí)現(xiàn)了“液封固”的設(shè)想，使得瓦斯得以順利被抽采管路抽采出來(lái)。

2 技術(shù)裝備

瓦斯抽采鉆孔非凝固恒壓漿液封孔方法如圖1所示。其裝備主要包括瓦斯抽采管、捆綁在瓦斯抽采管上的聚氨酯封孔袋以及注漿管。在實(shí)施過(guò)程中首先按照常規(guī)在巷道鉆場(chǎng)內(nèi)施工一個(gè)瓦斯抽采鉆孔1，然后將瓦斯抽采管3、注漿管4、PVC管以及測(cè)壓空心橡膠球5用聚氨酯封孔袋8纏繞在一起，然后按照常規(guī)在巷道鉆場(chǎng)內(nèi)施工一個(gè)瓦斯抽采鉆孔1，將事先準(zhǔn)備好的瓦斯抽采管3連同其他材料、設(shè)備一并送入瓦斯抽采鉆孔1中的指定位置。待封孔段2兩頭的聚氨酯封孔袋8充分反應(yīng)、膨脹形成密閉空間后，打開(kāi)注漿管閥門(mén)10開(kāi)始將一種非凝固、無(wú)機(jī)類(lèi)、半流體狀的封孔漿液11以一定的壓力注入封孔段2內(nèi)，注滿(mǎn)封孔空間后繼續(xù)帶壓注漿一段時(shí)間，直到測(cè)壓空心橡膠球5被擠壓而使孔口處的U形管6內(nèi)的液面上升到提示停止注漿的壓力值，則關(guān)閉閥門(mén)10，停止注漿。定時(shí)觀測(cè)U形管6內(nèi)的液面高度，一旦液面下降到提示補(bǔ)充注漿的壓力值，打開(kāi)閥門(mén)4進(jìn)行注漿，直到液面高度重新達(dá)到提示停止注漿的壓力值。

1—瓦斯抽采鉆孔；2—封孔段；3—瓦斯抽采管；4—注漿管；5—測(cè)壓空心橡膠球；6—U形管；7—連接管；8—聚氨酯封孔袋；9—抽采管閥門(mén)；10—注漿管閥門(mén)；11—封孔漿液圖1 瓦斯抽采鉆孔非凝固恒壓漿液封孔方法示意圖

另外，還需要將PVC管和與之連接的空心測(cè)壓橡膠球固定在兩段聚氨酯封孔袋之間的瓦斯抽采管路上，空心測(cè)壓橡膠球可感知到的最小壓強(qiáng)為0.1MPa，可測(cè)量的最大壓強(qiáng)為4MPa，注漿時(shí)壓力為2～3MPa，提示補(bǔ)充封孔漿液的液面高度為150～160mm，提示停止注入封孔漿液的液面高度為200～210mm。所采用非凝固、無(wú)機(jī)類(lèi)、半流體封孔漿液是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的特種漿液，主要采用膨潤(rùn)土及高嶺土為主料，配合硅酸鈉等輔材經(jīng)過(guò)特殊加工制成，使用過(guò)程中依據(jù)需要與不同水進(jìn)行不同比例攪拌混合，經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明：至少在5個(gè)月內(nèi)，該半流體封孔漿液不脫水并能夠保持粘稠果凍狀，可以滿(mǎn)足封孔的需要。

3 優(yōu)勢(shì)分析

3.1 安全性

非凝固恒壓漿液材料主要以無(wú)機(jī)材料為主，制造、配制過(guò)程中均不會(huì)產(chǎn)生任何發(fā)熱現(xiàn)象，不存在任何安全隱患；現(xiàn)在多數(shù)礦區(qū)使用的聚氨酯類(lèi)封孔材料，封孔過(guò)程中存在漏漿聚集現(xiàn)象，加之配制過(guò)程中有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，容易形成熱量聚集從而引發(fā)發(fā)火問(wèn)題，安全性差。

3.2 技術(shù)性

傳統(tǒng)采用的水泥砂漿封孔，有下述問(wèn)題：①由于水泥的比重大，滲透性差，容易出現(xiàn)注不進(jìn)去的情況，不能完全封好孔；②水泥干燥成型后具有收縮問(wèn)題，與孔壁會(huì)有細(xì)微的分離，造成了漏氣現(xiàn)象，抽放瓦斯?jié)舛鹊?；③水泥比煤體強(qiáng)度大，煤體受到采動(dòng)影響，裂隙會(huì)逐漸發(fā)育成長(zhǎng)，封孔以后出現(xiàn)的裂隙，由于水泥已經(jīng)固結(jié)，對(duì)此毫無(wú)辦法。非凝固恒壓漿液材料可以保持長(zhǎng)時(shí)間的液態(tài)狀，一旦有新的裂隙成型，馬上通過(guò)流動(dòng)進(jìn)行堵漏，通過(guò)孔外的壓力監(jiān)測(cè)裝置，可以發(fā)現(xiàn)液體壓力下降，此時(shí)在進(jìn)行新漿液入注，壓力補(bǔ)償即可保持封孔的能力。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

以采用80mm直徑的瓦斯抽采鉆孔，封孔段達(dá)到10m，對(duì)100個(gè)瓦斯抽放孔作為例，分別采用非凝固恒壓漿液材料，聚氨酯材料，水泥砂漿封孔進(jìn)行比較，經(jīng)計(jì)算，使用非凝固恒壓漿液材料單孔的平均成本最高不大于100元(包括專(zhuān)用瓦斯封孔器)；采用聚氨酯類(lèi)封孔單孔耗材平均成本約為300元；采用水泥砂漿封孔則平均在60元左右。但是，實(shí)際應(yīng)用效果不如人意，目前已近較為少用。非凝固恒壓漿液材料有極強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵是其良好的封堵原理，能最大限度的能保證封孔質(zhì)量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在河南省永煤集團(tuán)城郊煤礦21106工作面布置8個(gè)抽采鉆孔，鉆孔間距2m，封孔長(zhǎng)度根據(jù)礦上規(guī)定為16m。其中實(shí)驗(yàn)孔三個(gè)，分別是SY1、SY2和SY3，采用非凝固恒壓漿液封孔方法進(jìn)行封孔操作，漿液配比分別為1∶8、1∶6、1∶7，其他5個(gè)孔作為對(duì)比鉆孔，采用傳統(tǒng)膨脹水泥材料進(jìn)行方法封孔操作。對(duì)封孔后的瓦斯抽采濃度進(jìn)行追蹤記錄，觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 各抽采鉆孔瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化

從圖2中可以看出，觀測(cè)開(kāi)始時(shí)，鉆孔瓦斯抽采濃度從傳統(tǒng)封孔方式的0%～32.8%增加至69.78%～79.56%；經(jīng)過(guò)10d的瓦斯抽采至觀測(cè)結(jié)束時(shí)，鉆孔瓦斯抽采濃度從傳統(tǒng)封孔方式的11.6%～29.2%增加至41.08%～51.96%，采用傳統(tǒng)封孔方式的瓦斯抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛仁冀K低于采用非凝固恒壓漿液封孔方法的瓦斯?jié)舛?。并且采用傳統(tǒng)封孔方法進(jìn)行封孔的5個(gè)鉆孔中，有三個(gè)鉆孔(275#、277-2#、276-1#)在剛開(kāi)始進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到瓦斯?jié)舛?。由此可?jiàn)，采用非凝固恒壓漿液封孔方法對(duì)于提高瓦斯抽采鉆孔中的瓦斯?jié)舛鹊男Ч浅Ｃ黠@。在這里要注意，從圖2中可以看到采用非凝固恒壓漿液封孔方法中死亡瓦斯鉆孔中的平均瓦斯?jié)舛认陆邓俣纫炔捎脗鹘y(tǒng)封孔方法進(jìn)行封孔的平均瓦斯?jié)舛瓤煨@是由于觀測(cè)時(shí)間較短，采用傳統(tǒng)封孔方法進(jìn)行封孔的5個(gè)鉆孔中瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)較大，變化趨勢(shì)并不明顯。

5 結(jié) 論

本文克服了已有封孔技術(shù)的不足，提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、能大幅度提高鉆孔密封效果的含水瓦斯抽采鉆孔密封方法及相關(guān)工藝，在對(duì)鉆孔內(nèi)進(jìn)行密封時(shí)，本方法解決了瓦斯抽采過(guò)程中新生裂隙難以封堵的問(wèn)題，其方法簡(jiǎn)單、易操作、可顯著提高瓦斯抽采的效果。通過(guò)在礦井工作面現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了其良好的性能，具有極好的推廣價(jià)值。