松软突出煤层瓦斯抽采孔封孔新技术研究与应用

松软突出煤层瓦斯抽采孔封孔新技术研究与应用

谷晓伟

平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南平顶山，467091

内容提要平顶山矿区突出煤层具有松软、易塌孔特性，常规聚胺脂封孔方法有效封孔长度短、裂隙多、密封效果差。新型封孔技术针对松软突出煤层瓦斯抽采孔封孔困难的技术难题，科学分析松软煤层钻孔周边裂缝发育、分布规律，研究开发了组合封孔器带压封孔技术。在井下现场实施过程中，进一步优化了封孔施工工艺，取得了明显效果。

关 键 词松软突出煤层  瓦斯抽采  组合封孔器  带压封孔 

我国煤炭资源总量5.57万亿t，煤矿地质条件极其复杂，95%以上为井工开采，国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，大部分为低透气性煤层（渗透率＜1mD）。近年来，预抽煤层瓦斯技术孔已取得较大发展。就平顶山矿区而言，矿区单一低渗透突出煤层分布广泛，目前矿区突出煤层瓦斯主要抽采方式有本煤层顺层抽放、采面浅孔抽放、高（低）位巷穿层抽放、高位钻场水平钻孔抽放、采空区抽放等，年施工钻孔近350万m、抽采量近1.1亿m3。

由于突出煤层多是构造煤，煤层结构复杂，施工现场普遍存在抽采钻孔密封效果差、泄漏严重的技术难题，钻孔瓦斯抽采半径较小，从而导致钻孔工程量很大、瓦斯抽采难度很大。突出煤层钻孔密封效果差、钻孔瓦斯抽采流量小、衰减快、效果差，严重制约着钻孔瓦斯抽采工作的顺利发展。

1　瓦斯抽采钻孔泄漏机理

在钻孔施工过程中，钻孔孔壁周围的煤体可形成破碎区、塑性区和弹性区，形成一定范围的裂隙圈。由于钻孔直径较小，在煤体理想弹塑性条件及具有一定单轴抗压强度下，钻孔施工后，其径向卸压圈直径一般为施工直径的2.3倍以上。较软煤体，其径向卸压裂隙圈直径更大。

1－瓦斯气体CH4流；2－漏入空气流；3－聚氨酯发泡体；4－封孔抽采管

图1 钻孔漏气途径示意图

钻孔泄漏有两种途径：一种是钻孔内封孔材料与孔壁结合不紧密以及径向裂隙未封堵导致的漏气，另一种是由于封孔深度短而导致巷道卸压带内的裂隙未封堵产生的漏气。如图1所示。

2　松软突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔新技术研究

2.1　注浆泵

井下现场封孔一般采用带压封孔技术,把封孔浆料压入到钻孔周围的裂隙圈内。目前市场上的注浆泵体积较大、较为笨重，搬运困难、操作复杂。根据现场需要研制出具有压力高、重量轻、操作方便的新型注浆泵，注浆压力可达到15MPa以上，整机重量控制在30kg左右，注浆流量达到10～15L/min。

2.2　组合式封孔器

组合式封孔器利用里外两端胶囊膨胀而形成密闭的空间的原理进行带压封孔。封堵胶囊采用具有自排气能力的新型胶囊，通过安装在埋管上的单向阀，从埋管内利用专用注浆管向两端胶囊注入微膨胀浆料，浆料凝固后再利用注浆管从埋管内注浆，浆液从埋管中间的单向阀压出。

2.3　高渗透封孔材料

封孔材料渗透性高，能够进入微裂隙中，且自身膨胀率达1.5倍以上，浆体固结后本身裂隙少，可满足裂隙发育煤层现场封孔要求。

2.4　封孔工艺流程

组合式封孔带压封孔，封孔深度为距巷帮10～15m范围，封孔段有效长度为5m。使用注浆设备将具有一定膨胀性及较好渗透性的材料注入两段封堵胶囊内，再继续带压注浆，使浆液在压力的作用下进入钻孔周围裂隙，浆液凝固后具有较强的抗压性能及密封性能，从而达到密封钻孔的目的。封孔工艺流程图见图2。

为防止封孔管摆动造成的封孔管扭曲变形，当注浆封孔完成后，立即在孔口处采用有机封孔材料封堵孔口，将封孔管固定，使孔内管路达到畅通不变形的效果。

图2  封孔工艺流程图

3　现场应用

3.1　工作面概况

八矿己15－14120工作面位于己四下延采区西翼，工作面走向长度866m，采长185m，平均煤层厚度3.6m，可采储量735000 t。煤层瓦斯压力1.6MPa，瓦斯含量16m3/t。回采前在工作面两巷布置倾向钻孔预抽煤层瓦斯，钻孔直径89 mm、孔深90～100m，孔间距2m。

3.2　应用效果分析

工作面共封孔300孔次，封孔失败的钻孔共8个，失败率仅为2.7%；抽采浓度较低的钻孔5个，漏气率1.7%；总体成功率达95.6%。钻孔平均抽采瓦斯浓度为40.5%。见下图钻孔抽采浓度变化曲线。

图-3  八矿已15－14120回风巷1～5#钻孔抽采瓦斯浓度曲线图

4　结论

（1）由于突出煤层松软，钻孔周围裂隙圈与煤体内破碎区域裂隙相互沟通，带压封孔时，将导致大量浆液进入裂隙网中。合理控制注浆料的初凝时间是有效控制浆液扩散范围的基础，是实现封孔范围可控、封孔成本可控的前提。

（2）使用组合封孔器带压封孔的施工工艺核心是合理控制注浆压力及流量，把浆液扩散范围控制在钻孔抽采瓦斯半径以内，不仅能有效提高钻孔密封性能，而且也能有效控制封孔成本。

（3）对于大多数突出矿井而言，预抽煤层瓦斯是防突工作的必要手段之一，采取先进合理瓦斯抽采钻孔的封孔技术，是提高钻孔密封性能、改善抽采效果的基本要求。