任興華

摘要：近年來，我國對瓦斯的需求不斷增加，瓦斯抽采工藝也越來越受到重視。本文針對目前瓦斯抽采鉆孔封孔材料封孔質(zhì)量差、抽采濃度低、材料強度低、固結(jié)時間長等缺點，以硫鋁酸鹽水泥熟料、石灰和石膏為主料，并輔以改性材料，研發(fā)了一種新型無機雙液瓦斯抽采鉆孔封孔材料。該材料固化速度快、強度高、滲透性強，具有微膨脹性能，能夠有效將孔內(nèi)封實，消除孔內(nèi)漏氣通道。該新型材料在抽采鉆孔封孔領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：封孔材料；抗壓強度；膨脹性；漏氣通道；抽采濃度

引言

我國部分地區(qū)的煤礦由于礦井煤層賦存條件差、噸煤成本高、經(jīng)濟效益差，長期以來一直采用傳統(tǒng)水泥砂漿的封孔方式，沒有引進和采用新材料、新工藝封孔，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯災(zāi)害越來越重，加之部分礦井煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的封孔方式已不能滿足礦井瓦斯治理的需要。新型礦用封孔材料PD采用了微膠囊化技術(shù)，能在2～4h內(nèi)保持一定的流動性，使得材料在體積緩慢膨脹的同時，漿體強度逐漸增加直至凝固，且在膨脹過程中能向鉆孔周邊裂隙逐漸滲透封堵，再輔以膨博封孔劑，其鉆孔密封效果比傳統(tǒng)方式要好。

1主要密封方法及特點

目前，采用的鉆孔封孔材料及工藝有：黏土/水泥砂漿封孔、封孔器封孔、水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔、馬麗散封孔等。采用以上封孔材料及封孔工藝均存在一定程度的局限性，主要存在封孔長度短、封孔質(zhì)量不易保證、抽采負壓不大、抽采濃度低、封孔工藝不易操作、封孔成本高、實用范圍小等缺點。

2原封孔方法存在的問題

煤礦瓦斯治理過程中，抽采鉆孔使用聚氨酯封孔較為常見，封孔一般包括三個工序：坐底、孔口封堵及注漿。坐底工序相對復(fù)雜，主要方法有倒聚氨酯法、吹聚氨酯法及抽拉式坐底法。傳統(tǒng)的坐底方法存在問題如下：（1）倒聚氨酯法。存在聚氨酯膨脹時間無法控制，經(jīng)常出現(xiàn)聚氨酯已膨脹而抽采管未下到預(yù)定位置現(xiàn)象；（2）吹聚氨酯法。若孔內(nèi)有水，聚氨酯遇水膨脹率低或不膨脹；（3）抽拉式坐底法。聚氨酯在孔底黑白藥混合不充分，膨脹率低，效果較差。由于工序相同，又存在共同的不足：（1）三個工序分開進行，程序較復(fù)雜；（2）聚氨酯坐底成功與否，效果如何，無法知曉，經(jīng)常出現(xiàn)坐底不實而造成整個鉆孔被堵實現(xiàn)象；（3）聚氨酯坐底需要根據(jù)孔壁巖性情況確定聚氨酯用量，往往很難掌握；（4）聚氨酯膨脹時發(fā)出大量的熱量，可能造成煤炭自燃或封孔套管變形。因此，根據(jù)現(xiàn)場需要研發(fā)了一款新型的囊袋帶壓注漿式封孔器，可以解決上述存在的問題。

3新型封孔材料配比及性質(zhì)

3.1材料簡介

新型封孔材料基系主要由封孔主料和輔助添加劑構(gòu)成，其中封孔主料主要由A料，硫鋁酸鹽水泥熟料、B料，石膏和石灰組成，輔助添加劑主要由早強劑、減水劑、速凝劑、發(fā)泡劑等組成，其用量雖少，但在新型封孔材料基系中起優(yōu)化、改進、激發(fā)性能的重要作用。新型封孔材料水和組合物的重量比為（1.0～1.5）∶1.0，組合物由A、B2種組分按質(zhì)量比1∶1的比例組合而成。該材料具備固化速度快、早期強度增長快、凝固時間可調(diào)、封孔致密性好、滲透性強、不收縮、膨脹性能好、結(jié)實率高、密封性能強等特性。

3.2封孔原理

囊袋帶壓注漿式封孔器封孔原理為：先下入兩個囊袋到指定位置，通過連接在囊袋上的注漿管注漿，將囊袋腔體內(nèi)注滿水泥，注漿壓力達到爆破閥爆破壓力后爆破閥爆破，水泥進入兩個囊袋間環(huán)狀間隙，繼續(xù)注漿注滿環(huán)狀間隙達到封孔目的。注漿水泥的初凝時間為10～12min，爆破閥爆破壓力為1.5～2.0MPa。

3.3“兩堵一注”封孔裝置密封機理

該封孔裝置的工作流程為：①啟動注漿泵；②注漿管漿液壓力達到單向閥開啟壓力；③前后堵頭打開，填充堵頭；④堵頭漿液注滿后，注漿管壓力升高；⑤漿液壓力達到爆破閥開啟壓力，爆破閥門開啟；⑥漿液注入鉆孔內(nèi)；⑦漿液滲透進入鉆孔周圍煤體裂隙；⑧封孔結(jié)束。待堵頭中密封漿液到達設(shè)定壓力時，在預(yù)定的鉆孔封孔位置兩頭產(chǎn)生耐高壓的堵頭，在2個堵頭中間產(chǎn)生封孔注漿空間，在堵頭中所注液體壓力到了爆破閥預(yù)定壓力時，爆破閥就會開啟，漿液就能順利到達指定地點進行封孔。由于單向閥的存在，封孔裝置及堵頭中的液體不會發(fā)生反向流動，從而使堵頭壓力始終保持一種膨脹狀態(tài)與孔壁產(chǎn)生較大的摩擦力，有效進行封堵。密封漿體占滿整個封孔段后，如果持續(xù)注漿，漿體就會受壓力作用滲透到孔壁周圍裂隙中，對裂隙中氣體的流動途徑進行封堵。

4鉆孔密封材料選擇原則

鉆孔的密封直接影響著瓦斯抽采效果的好壞，因此，在實際操作過程中，封孔工藝應(yīng)滿足密封性好、操作方便、速度快、材料省等要求。依據(jù)對鉆孔微裂隙進行密封的要求，結(jié)合水泥和聚合物的優(yōu)點選擇抽采鉆孔密封材料要遵循以下原則：密封材料整體致密，耐老化性、抗干裂性強；密封材料要具有一定的膨脹性，用于密封鉆孔周邊的微裂隙，且其膨脹性主要用于封堵微裂隙；針對不同用途的鉆孔（如正壓和負壓），均能有合適的密封材料；密封材料以水泥為主，應(yīng)用聚合物對水泥進行改性；密封材料在井下使用方便，操作配比技術(shù)難度低，使操作人員容易掌握；密封材料的各原料均為日?；げ牧希瑏碓磸V泛；用于改性的聚合物必須接觸無毒或低毒；成本易控制。

5鉆孔密封工藝

①清孔。鉆孔施工完成后，鉆桿退出鉆孔，再用風(fēng)動鉆孔清理鉆孔內(nèi)殘余煤渣。②煤渣清理干凈后，插入瓦斯抽采管和堵頭等裝置。按照鉆孔密封設(shè)計方案往鉆孔內(nèi)放抽采管，當長2.3m的抽采管放置完成后，再放置安裝有“兩堵一注”封孔設(shè)備的瓦斯抽采管，鉆孔密封設(shè)備安裝的同時，將抽采管和封孔裝置往鉆孔里送（兩堵頭之間的距離是12m，外堵頭距離孔口5m）。整個封孔裝置全部進入鉆孔。③注漿。待全部封孔設(shè)備都進入預(yù)定位置后，將準備好的滿足注漿性能的漿體通過注漿泵進行注漿。注漿時必須注意注漿設(shè)備的壓力變化，據(jù)此對注漿情況及進程進行分析判斷。應(yīng)特別關(guān)注注漿設(shè)備壓力持續(xù)不發(fā)生變化的時間，這時爆破閥即將開啟。在注漿設(shè)備壓力經(jīng)過一段時間不發(fā)生變化而又再次地發(fā)生壓力增長后，還需要再不停地注漿7min左右才可結(jié)束注漿，這時保證孔內(nèi)有足夠的壓力和漿體。④瓦斯抽采。在封孔工作結(jié)束24h后，漿液已完全凝固，這時即可將抽采管連接進入抽采系統(tǒng)進行瓦斯抽采。

結(jié)語

綜上所述，采用新型封孔工藝封孔，提高了采掘工作面的瓦斯預(yù)抽率，減少了煤體向采掘空間的瓦斯涌出量，同時也降低了采掘工作面的瓦斯超限、“三級報警”的次數(shù)及發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性，大幅提高了采掘過程中的安全性；抽采孔的抽采效果提升后，增加瓦斯利用量，減少瓦斯對大氣的污染。對于掘進工作面，減少了抽采時間，增加了有效掘進時間，從而緩解了杉木樹煤礦綜采工作面采掘接替緊張的局面。

參考文獻

[1]劉廣北，李書田，張宏軍.新型封孔材料在煤礦探放水中的應(yīng)用[J].煤，2010，19（1）：50-52.

[2]林柏泉，張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3]林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4]AQ1026—2007，煤礦瓦斯抽采規(guī)范[S].

[5]郝志勇.新型封孔材料研究現(xiàn)狀與材料原理[R].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)瓦斯研究所，2006.

[6]殷文韜.煤層瓦斯抽放封孔工藝研究與應(yīng)用[J].煤炭工程，2011（2）：31-33.

（作者單位：平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司）