“两堵一注”式顺层钻孔封孔技术研究与应用＊

时间：2024-07-28

桑朋杨磊韩巍卢惠召刘春

（1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008；3.平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南省平顶山市，467000）

瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的根本措施，不仅可以降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出，而且抽出的瓦斯还可变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用。封孔质量的好坏直接关系到瓦斯抽采效果的好坏，据统计，我国约有65%的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%，充分反映了抽采钻孔封孔质量差的现状。

目前，我国煤矿井下常采用的封孔技术主要有机械注水泥砂浆封孔、封孔器封孔、高分子发泡材料封孔等。水泥砂浆封孔具有材料便宜、操作方便的优势，主要适用于倾斜钻孔，对于近水平或缓倾斜煤层，在孔内上部易形成月牙形孔隙，影响封孔质量；封孔器封孔具有封孔速度快特点，但重复利用率低，对操作人员要求高，封孔质量无法保证，总体效果较差，仅适用于临时封孔；高分子发泡聚合材料封孔具有封孔时间短、发泡倍数高等优点，在我国的很多矿井都得到了应用，但由于煤层钻孔在地应力及采掘干扰的情况下会发生变形和蠕变，发泡材料抗压能力有限，不能形成有效地支护作用，导致封孔段钻孔周围在封孔之后持续的产生裂隙，当这些裂隙与巷道松动圈内的微小裂隙贯通后，将形成后期漏气通道，使瓦斯抽采浓度大幅度下降，有效抽采周期缩短。针对以上技术难题，课题组提出了 “两堵一注”式顺层钻孔封孔新技术，该技术在平煤十矿进行了工业性试验，取得了良好的效果。

1 试验区概况

平煤十矿位于河南省平顶山市东北部，平顶山煤田东部。井田南北倾向长2.0～4.7km，开采深度40～-800m，井田面积20.6158km2，矿井于1964 年建成投产，设计生产能力1.2 Mt／a，2008年核定生产能力为3.3 Mt／a。据煤矿资料显示，该矿自1988 年发生第一次煤与瓦斯突出事故起，截至2009年2月共发生煤与瓦斯突出51次，其中在戊组煤层发生19 次，安全生产形势严峻。

试验地点戊8.9-20230工作面机巷位于十矿北翼戊组二水平东翼第六区段，东到采区边界，西到二水平专回下山保护煤柱，南与已经回采结束的戊9.10-20210工作面相邻，北部尚未开采。采面所采煤层是戊8.9煤层，戊8煤层厚度0.8～1.0m，向下是戊8与戊9的夹矸，厚度1.0～2.4m，戊9煤层厚度在1.2～1.5 m，平均1.3 m，煤层倾角8°左右。煤层瓦斯含量13 m3／t，原始瓦斯压力2.0 MPa，坚固性系数约0.1～0.5，煤层顶底板致密不透气。

2 “两堵一注”式顺层钻孔封孔技术原理及工艺

2.1 技术原理

开采煤层受到采掘活动的影响，巷道周围煤体在高应力作用下发生破碎变形，在一定范围内会形成松动圈，在松动圈区域内钻孔周围发育着微小裂隙，而抽采钻孔在施工的过程中，钻孔受到扰动影响，破坏了原有的应力平衡，钻孔周围会形成大量的裂隙，这些裂隙与松动圈内的微小裂隙贯通，构成了钻孔周边的裂隙带，成为钻孔封堵后的漏风通道。在联网抽采一段时间后，由于受到地应力和采掘干扰，钻孔发生变形和蠕变，封孔段钻孔周围在封孔之后持续产生裂隙，形成后期的漏气通道。因此，有效地封堵钻孔周边的裂隙带是抽采瓦斯钻孔封孔技术的关键。

“两堵一注”式顺层钻孔封孔工艺利用聚氨酯具有良好的渗透性、膨胀性和早强性的特点，可密封整个钻孔空间。聚氨酯封孔段处于煤体原始应力区，在该区段内聚氨酯基本不承受煤体间剪切、挤压应力，克服了聚氨酯抗压能力低、可压缩量大的缺陷，在采前预抽阶段不易发生挤压破碎从而产生后期持续裂隙。聚氨酯可以在短时间内支撑钻孔、填充裂隙，具有一定的承压能力，当聚氨酯快速反应后，提供了一个相对闭合的注浆空间。水泥浆液在一定的注浆压力作用下，能够充填、胶结和封闭破碎煤体之间的裂隙，恢复其整体性，可以劈裂、扩展煤体内的微小裂隙，充填孔隙和煤体凹凸面，增大浆液扩散范围，密实充填钻孔周边裂隙。浆体凝固后，对钻孔产生支撑作用，使钻孔得到可靠支护，增加钻孔稳定性，消除抽采后期裂隙通道的产生与发展。该工艺避免了单纯的聚氨酯封孔工艺所带来的封孔长度、封孔深度受限，不能形成足够的膨胀力，不能充分挤入封孔段周围钻孔裂隙，以及抗压能力低、支护作用差导致产生后期裂隙和漏气通道的弊端，发挥水泥浆液在凝固后既充填钻孔周边裂隙、又主动支护钻孔的优势，在抽采阶段不产生新漏气通道，有效提高抽采浓度和纯流量，延长钻孔有效抽采时间，提高瓦斯抽采率。

2.2 封孔工艺

“两堵一注”式顺层钻孔封孔工艺先用聚氨酯快速构筑抽采钻孔封孔段注浆空间，待聚氨酯反应完毕具有一定的强度后，再通过孔口预留注浆管注入水泥浆。该技术主要包括构筑注浆空间和注浆两个阶段。

构筑注浆空间原理如图1所示，首先将引流管和抽采管固定在一起（引流管的始端管口位置与抽采管的最后一处筛眼平齐），完毕后，再将一段长度为2 m、宽0.75 m 的棉布的一侧固定在其上（应保证聚氨酯完全发泡后不会堵上引流管的两端口，即引流管的最小长度应大于a段聚氨酯在钻孔内完全发泡后形成泡沫体的长度，其长度由地面模拟试验得出），铺平，再在棉布上均匀涂抹一定量混合完全的聚氨酯A、B 料，迅速卷缠并固定完毕后，快速塞入钻孔内指定深度。上述过程完成后，再取一根长度2.5 m 的注浆管，从距末端0.5 m位置开始绑上长度为1m、宽0.75m 的棉布，铺平，均匀涂抹混合好的聚氨酯A、B料，卷缠并固定完毕后迅速塞入钻孔。

图1 构筑注浆空间原理图

注浆原理如图2 所示，在完成第一阶段约15 min后，取普通硅酸盐水泥按水灰比1∶1的比例混合，利用风动注浆泵，向预留注浆空间内注入水泥浆液，待抽采管口处有水泥浆液连续流出时停止注浆，即完成封孔的第二阶段。

图2 注浆原理图

该工艺利用长度相对较短的引流管与抽采管的组合构成反浆系统，不设专用反浆管。当水泥浆液在注浆压力作用下充满整个注浆空间及扩散完全后，混合浆液通过引流管进入封孔段上端，穿过筛眼后经抽采管流出。

3 引流管长度的确定

引流管的长度应满足在聚氨酯完全反应后，不堵塞其两端的孔口。利用假设法验证一定长度的引流管是否能够满足要求，即先假设引流管的长度为一定值L1，聚氨酯完全反应后的长度为L2，显然L1＞L2，根据假设和已知条件，计算出参加反应的聚氨酯的量，验证在该定量情况下的实际反应是否满足L1＞L2。设L2为2 m，L1为2.5 m。在地面模拟聚氨酯封孔之前首先模拟钻孔的具体情况，模拟钻孔采用直径为100 mm PVC 管内壁粘附不同粒径煤粒，再用另一根直径为45mm PE管模拟抽采管，用毛巾布卷缠聚氨酯发泡模拟钻孔中的发泡，试验流程与井下实际工艺流程相似。设定聚氨酯的发泡倍数为4倍，利用式（1）计算出聚氨酯A、B料的混合体积。

式中：V——聚氨酯A、B料混合体积，m3；

D——钻孔直径，m；

d——抽采管直径，m；

L——聚氨酯反应完毕后在钻孔内的长度，m。

代入已知数据，由式（1）计算出聚氨酯A、B料混合体积为0.0029m3，约为3L。

试验时，分别准备长度为2.2mPVC管3根、长度为2.5m PE 管3根、长度2m 毛巾布3条、橡胶手套3 双、计时器1 台、卷尺1 把、量杯2个、玻璃棒和钢锯条1根。先把毛巾布铺开摊平，取聚氨酯A、B料各1.5L，混合搅拌均匀后，迅速涂抹在毛巾布上，然后将其卷缠PE 管上，完毕后迅速插入PVC 管内，重复试验3 次。经过10 min后，聚氨酯完全反应完毕，经测量，聚氨酯完全反应后L2分别为2.05m、2.15m、2.05m，均小于2.5 m。该试验验证了引流管的长度L1取2.5m是合理的。

4 封孔深度的确定

封孔深度是影响钻孔密封质量的一个重要因素。沿煤层掘进巷道后，巷道周围煤体由外向里依次形成卸压带、应力集中带和原始应力带（简称为巷道“三带”）。在卸压带内，煤层得到较充分的卸压，同时会形成大量的贯穿裂隙，巷道内的空气经卸压带的贯穿裂隙被抽入钻孔，从而降低瓦斯抽放浓度和瓦斯抽放效果。由于煤体应力的变化会造成不同深度煤体的钻屑量变化，因此，采用向巷帮打钻的方法，测定不同深度煤体的煤屑量S 值可以确定巷道卸压带、应力集中带和原始应力带的分布深度，从而确定合理的钻孔封孔深度。

在戊8.9-20230机巷掘进头后方每隔15 m 选择6个地点，用煤电钻垂直煤壁向巷帮施工直径42mm 钻孔，单孔深度18 m，钻孔施工过程中，每钻进1.5 m 用弹簧秤测量一次钻屑量，钻孔钻屑量随钻孔深度变化关系如图3所示。

图3 钻孔钻屑量随钻孔深度变化关系图

由图3可以看出，钻屑量在0～9m 处有递增的趋势，在10.5m 以后有递减的趋势，钻屑量S在9～10.5 m 范围内取得极值，由此，原始应力区为距巷帮10.5m 以外的区域。为了避开巷道松动圈及应力集中区范围，并考虑到巷道扰动裂隙影响冗余度，确定封孔深度为13m，其中聚氨酯（a段）2m，水泥浆段10 m，聚氨酯（b 段）1 m，各封孔段长度如图4所示。

图4 各封孔段长度示意图

5 工业应用及效果分析

十矿原有的封孔工艺是麻袋片卷缠聚氨酯药液法，封孔深度5m，处在巷道松动圈范围内，经过20～30d 的抽采，单孔浓度迅速由封孔初期的40%～60%衰减到10%～20%，钻孔有效抽采期较短，达不到抽采效果。后改用聚氨酯封孔袋封孔，两袋1组，每隔2m 一组，共使用5组，封孔深度达到10m，虽然工艺得到了改进，封孔深度提高，但该种工艺不能保证封孔段全段封孔，容易在长期瓦斯抽采中造成钻孔壁产生离层裂隙，与巷道松动圈内的裂隙贯通，导致瓦斯抽采浓度较低。

试验区域共设计钻孔20个，其中对照组原工艺孔10个，使用聚氨酯封孔袋封孔，试验组新工艺孔10个，每5 个一组，交叉封孔，即1＃～5＃（ⅰ组）、11＃～15＃（ⅲ组）为原工艺孔，6＃～10＃（ⅱ组）、16＃～20＃（ⅳ组）为新工艺孔，要求每组5个钻孔封孔时间同步，考察参数同步，单孔孔口负压不低于13kPa。封孔完毕后，每7d考察1次浓度和流量，每组内取5个单孔浓度、流量的平均值作为该组孔的平均浓度和平均流量，累计连续观测10周。两种工艺钻孔抽采瓦斯平均浓度、平均纯流量对比分别如图5和图6所示，

图5 不同工艺瓦斯平均浓度对比图

图6 不同工艺瓦斯平均纯流量对比图

由图5可以看出，采用原工艺的ⅰ、ⅲ两组钻孔在抽采4周后，浓度降低到30%以下，在10周考察期内平均浓度为23.8%，并随着抽采时间的延长，下降速度加快，高浓度持续周期短；采用“两堵一注”新工艺的ⅱ、ⅳ两组钻孔在考察期10周内浓度保持在40%以上，平均浓度为59.4%，浓度下降缓慢，高抽采浓度持续周期长。由图6可以看出，采用原工艺的ⅰ、ⅲ两组钻孔瓦斯纯流量在0.016m3／min以下，在考察期10周内的平均纯流量为0.007 m3／min；采用 “两堵一注”新工艺的ⅱ、ⅳ两组钻孔在考察期10周内纯流量保持在0.016m3／min以上，平均纯流量为0.022m3／min。