瓦斯抽采钻孔封孔工艺改进及应用研究

匡春阳

重庆千牛建设工程有限公司 重庆 400700

摘要：本文将采用速封注式注浆囊袋封孔技术对穿层钻孔进行封孔，并结合实际应用情况，对封孔效果进行分析研究。最终研究发现，速封注式注浆囊袋技术不仅可以消除钻孔的漏气通道，促使钻孔可以得到有效支护，防止因钻孔扰动而产生新漏气通道的情况。相比较传统的封孔工艺来说，使用速封注式注浆囊袋技术后，平均单孔瓦斯浓度及纯量将可以提高2倍以上，可以有效提高瓦斯的抽采速率。

关键词：封注式注浆囊袋；瓦斯抽采 ；穿层条带网格

0 引言：贵州水矿集团文家坝二矿是一座设计年产240万吨的现代化矿井，含煤24～44层，一般30～33层，其中可采及局部可采煤层共七层，有2、6、7、16、23、27、30号煤等。经重庆煤科院提供《文家坝二矿 6、7 号煤层瓦斯基本参数测定及突出危险性测定报告》得知，该矿6#煤层的最大原始瓦斯压力为1.07Mpa，最大原始瓦斯含量为10.72m³/t，属于突出煤层。6#煤层的透气性系数为0.52-0.94 m²/Mpa²·d，属于可以抽放类型；钻孔流量衰减系数为0.21-0.39 /d，属于较难抽放类型。

1 概况

B110602工作面位于11采区中部，该工作面设计走向长1980m，倾向长205m，6#煤层平均厚2.8m，煤层倾角为3～5°。在B110602回风顺槽下部布置一条B1102瓦斯抽放巷，用于治理B110602回风顺槽的瓦斯。由于6#煤层底板为灰岩，属于含水层且裂隙较为发育，导致该区域抽放钻孔在抽放过程中，巷道帮壁漏气严重，抽放效果极差。无法快速实现“双达标”。为了解决抽放过程中，巷道帮壁漏气严重的困境，我矿在钻孔封孔工艺上进行了改进，改进后经过对比，新工艺比原封孔工艺单孔流量及抽采浓度均提高2倍以上。

2 钻孔的设计施工

在B1102瓦斯抽放巷内各选取两段50m进行钻孔施工，钻孔控制B110602回风顺槽两帮各15m（均沿煤层层面方向的距离）。抽放钻孔采用ZDY4000L（A）型煤矿用履带式全液压坑道钻机+Ø73mm钻杆配合Ø94mm钻头进行施钻，采用高压水力排渣。设计抽放半径为2.5m，最终形成5×5的条带穿层网格进行抽放治理瓦斯。

图1 B1102瓦斯抽放巷钻孔设计图

3 封孔原理

速封注式注浆囊袋封孔技术的实际原理如图2所示。在钻孔封孔段两端为2个注浆囊袋。在实际应用过程中，需要将注浆囊袋用卡扣进行固定在抽采管外部。待注浆囊袋送入到指定位置后，在通过注浆管向注浆囊袋进行注浆，待注浆囊袋膨胀到可以达成钻孔封孔效果后，再使用浆液向注浆囊袋周边的空隙进行带压注浆，促使浆液中的无机材料可以完全渗透到钻孔周边的裂隙中，对岩层的裂隙进行封堵，提高钻孔的气密性效果。在实际注浆过程中，工作人员需要时刻注意注浆管上的压力表数值，待压力数值达到标准区间后，需要及时停止注浆，完成封孔工作^[1]。

图2 速封注式注浆囊袋封孔技术原理图

4 封孔材料及原理

4.1 ND-P型注浆囊袋

ND-P型注浆囊袋的主体材料为尼龙布，其内部设置有2个带有单向流动压力控制阀的注浆管，注浆囊袋内的2个单向阀可承受0.5MPa的爆破压力，注浆囊袋外的单向阀可承受0.6MPa的爆破压力。在应用过程中，浆液将会随着注浆管注入，当注浆压力达到或超过0.5MPa后，因为此压力值已经超过单向阀可承受的爆破压力值，浆液将会突破单向阀向囊袋中进行注浆^[2]。在浆液的持续注入后，注浆囊袋中的压力值在持续增加，当达到一定压力值后，注浆囊袋中浆液内的水分将会析出，并渗透到注浆囊袋外，而无机材料则会被留在注浆囊袋中，促使注浆囊袋中的浆液浓度在逐步提升，进而加快浆液的凝固速度。在浆液注入过程中，注浆囊袋对钻孔壁的压力也将会持续增加，当注浆囊袋中的压力值超过注浆囊袋外单向阀的爆破压力值以后，浆液将会流入到注浆囊袋周边的空隙中，对钻孔中的空隙进行封堵，进一步加强钻孔的气密性，提高封孔效果。

4.2 KFGP-Ⅲ型无机封孔材料

KFGP-Ⅲ型无机封孔材料是一种由多种无机材料结合速凝剂复合而成的一种混合无机材料，在实际应用过程中，KFGP-Ⅲ型无机封孔材料可以高水灰比的情况下快速凝固，并且在凝固后有着极高的体积膨胀系数，最高可达135%，所以此种材料在凝固后将会于有着较好的密封性效果。另外，在凝固后，该种材料的最高抗压强度可达到26.5MPa，抗拉强度可达到33.5MPa^[3]。在高水灰比条件下，该种材料具有较强的流动性和渗透性，可以更好的渗透到微缝隙中，提高钻孔气密性，再加上该种情况有着极高的体积膨胀系统，可以在凝固后为钻孔提高良好的支撑效果，降低因扰动而再次产生的缝隙情况，促使该种材料可以有效满足速封注式注浆囊袋封孔技术的封孔材料需求。

5 封孔工艺及参数

5.1 注浆囊袋长度

通常来说，速封注式注浆囊袋封孔技术所采用的注浆囊袋的长度越长，越有利于提高钻孔的支护效果，减少因扰动而产生的缝隙情况。但同样，随着注浆囊袋的长度加长，其制作和使用过程中所使用的材料量也将会同比上升，进而增加封孔工艺的实际成本^[4]。因此，在对注浆囊袋长度进行确定的时候，需要工作人员对钻孔区域的裂缝发育程度进行考察分析，然后结合材料成本与质量要求进行综合考虑分析，最终确定注浆囊袋的实际长度，通常钻孔里侧注浆囊袋的长度为0.5～1m；而对于外侧注浆囊袋长度的确定，其需要结合煤壁上支护锚杆的深度来决定。结合本矿的历年来的经验，囊袋长度选取0.8m，能满足要求。

5.2 封孔深度

由于本矿6#煤层底板裂隙较为发育，在抽放过程中，裂隙漏气，导致抽放效果不佳，漏气严重，故本组实验选取将第一组囊袋下至6#煤层底板2m位置处，两组囊袋之间为12m，最后在孔口采用玛丽散进行烦封堵。孔口采用玛丽散封堵主要是为了囊袋封孔失败则在此注浆进行二次封孔，其次是为了避免抽放管在钻孔内摆动，导致PVC抽放管的连接处松动漏气。见图2。

6 速封注式注浆囊袋封孔技术应用试验

6.1 封孔试验概况

在试验过程中，将第一组50m区域抽放孔做为速封注式注浆囊袋封孔技术试验，第二组50m抽放孔区域做为传统囊袋试验。每一组各施工钻孔10组，共计设计施工160个钻孔。然后对两个区域内的钻孔分别采用DG3（B）型矿用瓦斯抽放多参数传感器进行浓度和纯流量监测，单孔为人工使用WGCB瓦斯抽放管道气体参数测定仪进行测定，并分析两组钻孔瓦斯抽采过程中浓度和纯流量变化情况。

6.2 试验结果

整个试验过程持续1个月时间，在经过1个月的监测后，获取对照组和试验组的瓦斯抽采纯流量和抽放浓度变化情况如图3、4所示。

图3 钻场抽放瞬时纯量及衰减度对比曲线

图4 平均单孔瓦斯抽采浓度和纯流量变化情况

由图3、4可知，相比较对照组来说，试验组的平均瓦斯抽采浓度和抽放纯量均提高了2倍以上，可以有效提高瓦斯的抽采速率。钻孔浓度及抽放纯量均成为线性降低，上下波动幅度较小，符合浓度衰减梯度。

经过后期的实际统计，采用了新型封孔工艺后，“双达标”周期由原来的平均35天降低至24天降幅达到31.4%，且在抽放巷道内未发现有漏气现象，解决了由于裂隙发育引起钻孔漏气，抽采质量差的问题。经过对封孔工艺的改进，为本矿的采掘部署创造了良好的条件。

经过对监控系统进行统计分析，采用新型封孔工艺后，该掘进工作面的炮后瓦斯浓度较原来降低了38%，其最大炮后浓度降低至0.61%，基本解决了炮后瓦斯浓度超限的问题。

7 结语

采用高水灰比的注浆材料，使浆液具有较好的渗透性和流动性，加上材料具有较高的膨胀体积系数，可有效地实现钻孔漏气通道的效率，同时又能使材料凝固后的抗压、抗拉强度优良，凝固后对钻孔具有良好的支撑作用，避免因钻孔扰动而产生更多的漏气通道，提高了钻孔的气密性，有效地提高了瓦斯抽采单孔的瓦斯浓度。

通过试验分析后可以发现，相比较传统的钻孔封孔工艺，速封注式注浆囊袋封孔技术的平均单孔瓦斯抽采浓度和纯流量提高了2倍以上，可以有效提高瓦斯的抽采速率，有利于抽、掘、采之间的平衡，为煤矿的安全生产打下坚实的基础。

参考文献

[1]周俊.端氏煤矿瓦斯抽采钻孔封孔质量检验方法应用研究[J].矿业安全与环保,2018,45(04):72-75.

[2]国林东, 赵旭生, 张永将,等. 顺层瓦斯抽采钻孔封隔一体化封孔工艺研究[J]. 煤炭科学技术, 2018, 046(005):114-119.

[3]韩兵.近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动膨胀快速封孔装置及应用[J].煤矿安全,2019,050(008):72-74,79.

[4]梁建国,刘铭悦.煤矿顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺[J].煤炭技术,2018,037(005):190-191.