分段注漿封孔技術在瓦斯抽采中的應用

胡 斌

(西山煤電集團 鎮城底礦，山西 古交 030200)

·技術經驗 ·

分段注漿封孔技術在瓦斯抽采中的應用

胡 斌

(西山煤電集團 鎮城底礦，山西 古交 030200)

以某礦2404工作面為工程實例，介紹了“兩堵一注”分段注漿封孔技術的封孔參數與工藝。工程實踐表明，與采用普通的聚氨酯、水泥砂漿封孔法相比，聚氨酯“兩堵一注”施工工藝優越性明顯，可以提高封孔后的抽采濃度，且該法封孔后抽采濃度降低速度較慢；在瓦斯抽采量方面，也較原工藝大大提高。

瓦斯抽采；“兩堵一注”分段注漿封孔技術；聚氨酯

1 概 況

瓦斯抽采理論與技術的提出，為煤礦瓦斯治理提供了一套非常好的解決方案。隨著瓦斯抽采技術的不斷發展，瓦斯事故也大幅度減少。盡管如此，瓦斯抽采技術尚不成熟，仍然存在許多問題，比如，在抽采瓦斯過程中，經常會出現鉆孔封孔不嚴密，導致漏氣，從而抽采濃度和抽采量均出現大幅度下降。該問題成為瓦斯抽采技術的一個瓶頸，制約了抽采瓦斯治理災害的進程。

為了解決鉆孔封孔不嚴問題，國內外科技工作者一直在進行廣泛地探索。到目前為止，常用的鉆孔封孔方法主要有5種，其優缺點見表1.

表1 常用的幾種封孔方法比較表

某煤礦原來在抽采鉆孔封孔時采用聚氨酯、水泥砂漿封孔法，封孔質量不高，在礦山壓力作用下，封孔段經常發生破壞，出現較多裂隙，發生漏風，嚴重影響瓦斯抽采的效果。該礦經過反復研究，提出了采用聚氨酯“兩堵一注”分段注漿封孔技術，有效地解決了這一技術難題，下面就對該成果予以介紹：

2 聚氨酯“兩堵一注”分段注漿封孔原理

該封孔技術原理見圖1. 首先，在抽采鉆孔的孔底和孔口，分別進行注漿封堵，然后在鉆孔的中間段，再進行注漿，簡稱就是“兩堵一注”。具體操作如下：

圖1 鉆孔封孔示意圖

1) 準備兩根封孔套管，在套管的兩端用專用封孔布袋套住并綁緊，將制備好的聚氨酯液用壓風充填容器(該容器為自制的充填容器，下同)充填至封孔段的兩端。聚氨酯液發泡膨脹后，將兩端充填固定并封堵兩端。

2) 待鉆孔兩端被封堵好以后，向封孔中段充填聚氨酯液，充填方法仍是使用壓風充填容器將聚氨酯液吹入。剛吹入時，聚氨酯混合溶液沒有發泡，會在煤巖體的裂隙中不斷擴散。待充分擴散后，聚氨酯混合溶液發泡膨脹，即可對封孔中間段煤巖體的裂隙進行充填封堵。

3 試驗地點概況

本次試驗地點選擇在該礦2404工作面，該工作面煤層走向為N39°W～N56°E， 傾角5°～22°，平均傾角16°；煤層厚度在4.9～5.7 m，平均厚度5.4 m，煤層穩定；設計標高為-490～-560 m，地質條件非常復雜，巖層裂隙發育，南翼為一盆地，北翼為一穹窿構造。根據地質資料預測，該工作面在回采過程中，將揭露19條正斷層，斷層落差在0.6～11 m. 設計在2404工作面刮板輸送機槽下幫施工下斜順層鉆孔，向鉆孔中注入聚氨酯，采用“兩堵一注”分段注漿封孔方法進行封孔。

4 封孔參數

4.1 黑、白料的配比選擇

試驗表明，當把黑、白料的配比控制在1∶(1～1.11)時，可以得到最大的膨脹率，但是在白料較少的條件下，兩種原料混合后膨脹速度太快。例如當配比為1∶1時，混合后僅20 s便膨脹完畢，這不利于人工封孔操作。為了便于操作，將配比設置為1∶1.2，這時膨脹率稍小，但是膨脹延續時間較長，達40 s 左右，方便工人操作。

4.2 聚氨酯用量的確定

在自由空間內，聚氨酯的膨脹系數約為30倍，但是在環形空間內則與自由空間不同，聚氨酯在環形空間內的膨脹系數會隨著環形空間的長度增加而不斷變化，其變化關系可以用下式表示：

y=28.91e- 0.183x

其相關性系數R2=0.96.

具體到某一個注漿點時，聚氨酯在該環境下的膨脹系數需要通過試驗來確定。膨脹系數確定后，再根據設計的封孔長度、環形空間體積等因素確定聚氨酯的用量。

4.3 確定封孔長度

選擇一個合理的封孔長度對于瓦斯抽采非常重要，因為在煤體內部有許多構造裂隙發育，在受采動擾動大的區域更是如此。如果封孔深度過小，沒有穿過巷道的應力集中帶，那么，由于鉆孔通過裂隙與外部空間形成了一個回路循環，空氣會在負壓作用下，通過裂隙被吸入到鉆孔中，從而降低抽采出的瓦斯濃度。而封孔長度太大又會增加成本，浪費資源。確定合理的封孔長度，關鍵是應該弄清楚巷道周圍裂隙圈的分布范圍。

通過對該煤礦巷道的檢測分析，發現其煤巷周圍裂隙圈半徑在5～15 m，為避開裂隙圈的影響，封孔長度應大于裂隙圈的發育范圍，故將煤巷鉆孔封孔長度定為17 m. 巖巷周圍的裂隙圈小于煤巷，在5～10 m，將其封孔長度定為13 m.

5 封孔工藝

1) 吹渣。鉆孔施工結束后，封孔以前需要先將孔內巖渣清理干凈，以便順利下套管。清理巖渣可以使用高壓風管吹孔，也可以向孔內注水清洗。

2) 下套管。在下套管的過程中，務必使套管的接頭處密實，防止注漿過程中漏漿。要做到連接緊密不漏漿，需要注意以下兩點：對于螺紋連接的套管，需將接頭處扭緊，上滿絲扣；對于插接式連接的套管，連接前需在接口處涂上一定量的快干膠水。

3) 進行氣密性試驗。為檢查封堵效果是否良好，需要在孔口及封孔深度最前端注漿充填封堵之后進行氣密性試驗。氣密性試驗的方法如下：首先把壓風管路和排氣管路在孔口處連接起來，然后向套管內壓風1 min， 觀察是否有返風從孔口套管出來，如果沒有返風，則表明密閉成功。壓風時風壓宜控制在0.05～0.1 MPa，切不可過高，風壓過高容易將座底密閉沖跨。

4) 充填聚氨酯。氣密性試驗合格后，即可向套管內充填聚氨酯。充填之前需先計算好聚氨酯用量及配比濃度，確保一次充填到位，避免一次充填用量不足，注漿管路被發泡后的聚氨酯堵塞而封孔失敗。

6 抽采效果

封孔后，開始的近一個月內，瓦斯抽采濃度基本維持在75%以上(見表2)，之后抽采濃度有所降低，但仍然在55%以上，孔口抽采負壓一直維持在12～17 kPa，見表2. 表2中第一列表示抽采濃度變化，第二列表示抽采量的變化。由該表可以看出，從12月12日—1月10日，抽采量在不斷增加，這是因為鉆孔數量在不斷增加。

表2 主管路中瓦斯抽采濃度與抽采純量變化表

采用“兩堵一注”封孔與原封孔工藝在抽采濃度和抽采量的對比分別見圖2，圖3.由圖2，3可以看出，采用“兩堵一注”封孔工藝后，抽采濃度和抽采量都提高。在封孔初期，“兩堵一注”封孔后的抽采濃度為83%，同期原封孔方法達到的抽采濃度為55%. 隨著時間的推移，抽采濃度逐漸下降，但原封孔工藝下降速度很快，而“兩堵一注”工藝對應的曲線下降則較為緩慢。封孔40天后，原工藝的抽采濃度僅為12%，而新工藝為65%；封孔90天后，原工藝的抽采濃度僅剩下5%，而新工藝仍然有50%. 由圖3可知，新工藝也優于原工藝，例如在封孔后40天(這時鉆孔剛好施工完畢，抽采量達到最大值)，新工藝的抽采量達到2.6 m3·min- 1，而原工藝的抽采量僅為1.1 m3·min-1，前者是后者的2.6倍。

圖2 抽采濃度對比曲線圖

圖3 抽采量對比曲線圖

7 結 論

以某礦2404工作面為例，介紹了“兩堵一注”分段注漿封孔技術的應用。工程實踐表明，與采用普通的聚氨酯、水泥砂漿封孔法相比，聚氨酯“兩堵一注”施工工藝優越性明顯，可以提高封孔后的抽采濃度，且該法封孔后抽采濃度降低速度較慢，封孔后90天，抽采濃度依然高達50%，而原封孔工藝在封孔40天后抽采濃度就已經很低。在瓦斯抽采量方面，也較原工藝提高，新工藝的抽采量可以達到原工藝抽采量的2.6倍。

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[6] 王大慶，邢 祥，徐學伏.聚氨酯注漿封孔技術在松軟煤層瓦斯抽放中的應用[J].中國煤炭,2011(9):89-91.

Application of Segmental Grouting Sealing Technology in Gas Drainage

HU Bin

Introduces the sealing parameters and process of sealing the two ends then grouting segmental grouting with 2404 working face as a case in a mine. Engineering practice shows that compared with the ordinary polyurethane, cement mortar sealing method, the polyurethane plus sealing the two ends then grouting method represent more advantageous, the gas extraction concentration improved with longer decreasing period afterwards. The gas production also increased greatly than before.

Gas extraction; Sealing the two ends then grouting segmental grouting sealing technology; Polyurethane

2017-05-05

胡 斌(1984—)，男，內蒙古豐鎮人，2007年畢業于華北科技學院，工程師，主要從事煤礦通風及瓦斯抽采管理工作

(E-mail)hubinbin1198@126.com

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1672-0652(2017)06-0040-03