一體化袋式聯動封孔裝置在松軟煤層的研究與應用

李興凱　黃勵新

摘要：為了改善瓦斯抽放鉆孔的封孔效果，解決瓦斯抽放的現實難題，為礦區瓦斯綜合利用打下堅實技術基礎。根據平煤股份十礦煤層瓦斯抽采現狀出發，提出了一體化袋式聯動封孔技術，實現封堵鉆孔周圍煤巖松動裂隙的目的，達到理想封孔效果，提高煤層鉆孔瓦斯抽采濃度。

關鍵詞：封孔；一體化袋式聯動；松軟煤層；提高抽采率

一、封孔技術研究現狀

在抽采技術、抽采設備、封孔技術和封孔材料方面，前人已經進行過深入而卓有成效的研究，但是在瓦斯抽放方面還存在一些不足：（1）當前情況下，礦井瓦斯抽采濃度低，抽放濃度不穩定，抽采總量少，瓦斯抽采率不高；（2）目前對抽放鉆孔周圍瓦斯濃度變化的原因的研究還比較少。對于煤層較軟，瓦斯壓力大，地壓大的區域，瓦斯抽采面臨以下問題：（1）難以施工長鉆孔，對施工技術和鉆孔操作要求越來越高，由于煤層較軟，鉆桿進入軟煤帶或者地質構造帶，很容易埋鉆桿；（2）由于地壓大，煤層較軟，封孔難度大，封孔之后，很快就會煤層發生變形，封孔段周圍產生裂隙，抽采濃度下降很快；（3）封孔材料煤壁結合的難以程度和凝固時間對封孔效果很大，對于特定地區，需要特定的封孔材料和封孔工藝。現煤礦常用的封孔方法主要有：聚氨酯封孔法、水泥砂漿帶壓封孔法封孔器封孔法等。但使用效果均不理想。

二、一體化袋式聯動封孔裝置

（一）封孔裝置構成及原理

1.基本思想

從減輕工人勞動強度和節省勞動時間兩個方面重點考慮。基于此，新型一體化袋式聯動封孔裝置側重于進行操作簡單、能實現快速封孔方面進行研發，同時考慮到鉆孔密封效果，和密封穩定性，研發時主要考慮：

①單孔封孔操作時間要確保在1.5個小時內完成。

②控制鉆孔封孔段封孔裝置軸向移動，以便實現封孔段穩定高壓，確保封孔材料進入煤（巖）體裂隙，封堵氣體流動通道。

③封孔長度和封孔深度能夠根據井下環境相應調整，提高封孔裝置的普適性。

④封孔操作步驟要簡單易操作。

2.裝置結構構成

按照以上要求，提出了“一體化袋式聯動”封孔方法。在抽采管路的合適的位置預先捆綁兩段雙層囊袋，前囊袋為設計封孔的最深處位置，后段囊袋可放在孔口，也可根據設計的封孔長度要求，放置在距離孔口一定深度位置。利用一根注漿管在抽采管外串聯前后囊袋和封孔段，其中注漿管與前后囊袋之間通過單向閥控制漿液流動方向，注漿管與鉆孔封孔段之間采用爆破閥進行連接。整個封孔裝置由兩個囊袋堵頭、兩個單向閥一個爆破閥以及一根注漿管組成。

3.聯動封孔原理

一體化囊袋聯動封孔裝置的封孔，是利用裝置中唯一一根注漿管，實現整個鉆孔的封孔，其封孔過程如圖2-2所示，聯動封孔主要體現在一根注漿管依次向囊袋和封孔段鉆孔注漿，其注漿的先后動作順序通過單向閥和爆破閥實現。當囊袋中封孔漿液達到一定壓力后，在鉆孔的設計封孔段兩端形成高壓堵頭，在兩段囊袋之間形成漿液封孔段，此時，囊袋中漿液壓力達到爆破閥設計壓力，爆破閥打開，漿液注入設計封孔段封堵鉆孔。受單向閥的控制，囊袋堵頭中的漿液不會出現反流，從而能夠保證囊袋堵頭一直處于高壓膨脹狀態，保持有效封堵。當漿液充滿鉆孔封孔段時，繼續注漿，漿液進入鉆孔周圍煤（巖）體裂隙，封堵氣體流動通道，從而實現高效封孔。封孔期間注漿泵壓力隨注漿過程的變化為壓力關系如圖2-4所示。

（二）封孔裝置主要部件

封孔裝置主要部件包括爆破閥、單向閥和囊袋。

1.爆破閥

整個封孔裝置的最關鍵部位是爆破閥，爆破閥主要起著控制囊袋充填壓力的作用。爆破閥開啟壓力過高，導致囊袋充填壓力過大，甚至出現囊袋爆破的現象；爆破閥開啟壓力過低，會導致膠囊未能完全膨脹在鉆孔中形成有效封堵，從而出現封孔段漿液從囊袋與鉆孔壁面泄漏的現象，導致封孔失敗。

可見，爆破閥的開啟壓力是與囊袋的有效封堵形成壓力以及囊袋的極限壓力密切聯系的。本裝置經地面多次試驗，最終確定0.5～0.6MPa作為爆破閥開啟壓力較為適中。

2.單向閥

單向閥是裝置中僅次于爆破閥的第二關鍵部件，單向閥逆流閉鎖的有效性對封孔裝置的成功與否起著決定性作用。單向閥是實現并保持囊袋壓力的唯一保證，一旦單向閥逆流閉鎖失效，在漿液充填封孔段時，囊袋漿液會出現回流，導致囊袋膨脹不夠，會在囊袋與鉆孔壁面之間形成滲流裂隙，導致封孔段漿液泄漏，封孔失敗。

3.囊袋

囊袋膨脹充填封堵鉆孔是注漿的第一步。為了保證注漿有一定的壓力，從而使得漿液能夠滲入鉆孔周圍煤（巖）體裂隙，囊袋必須在膨脹的基礎上，能夠承載一定壓力。另外，囊袋的膨脹性也不能過大，避免因過多膨脹囊袋壁面變薄，在外界刺碰下破裂，導致封孔失敗。

（三）一體化膠袋聯動封孔工藝

為了減輕井下工作量，一體化囊袋聯動封孔裝置的組裝工作在地面進行（由生產廠家完成）。使用單位向囊袋生產單位提供封孔所需設計參數（如鉆孔孔徑、鉆孔中抽采套管管徑、封孔深度、封孔段長度），廠家按使用單位提供的參數進行組裝。為了便于攜帶，封孔裝置可以拆分成多段（每段<2m），各段注漿管和抽采管之間采用連接管或快速接頭連接。拆分后的囊袋段。

由于試驗地點煤層較軟，易破碎，下瓦斯抽采套管時，使用膠囊與鉆孔壁面的摩擦導致孔壁煤屑脫落，堵塞鉆孔，瓦斯抽采套管難以下到設計位置。為此，將其由硬質膠囊改為較為柔軟的膠袋。封孔裝置實物如圖2-1、2-2所示。

2.封孔工藝

①掃孔：鉆孔成孔后，退出鉆桿，采用壓風清掃鉆孔，排除鉆孔中殘余煤（巖）細屑。

②下抽采套管及封孔裝置：先按設計長度要求，向鉆孔中下抽采花管；在設計封孔段下2m的抽采套管后，下捆綁了一體化封孔裝置的抽采管，封孔裝置邊連接邊下管，直至整個封孔裝置按設計要求全部進入鉆孔。endprint

③注漿：預先混合滿足一定要求的漿液，將注漿泵的吸漿口放入漿液池，出漿口連接封孔裝置的注漿管快速接頭，啟動注漿泵，開始注漿。注漿過程中要關注注漿泵的壓力變化情況，以此判斷注漿進程，尤其是了解注漿泵壓力有沒有表現保壓狀況，這是爆破閥開啟的標志。當注漿泵壓力經歷了水平段在次出現升高后，持續注漿5min左右，即可停止注漿。

④抽采：鉆孔注漿24h后，可以對鉆孔進行瓦斯抽采。

（四）配套注漿泵

封孔裝置注漿時不能過快，否則易引氣裝置中爆破閥的非正常爆破。因此，注漿中需對注漿泵的能力及注漿速度有一定的要求，為了配合封孔裝置，研制了配套注漿泵，該泵以壓風為動力。由于井下用風地點風壓較小，一般僅0.3～0.4MPa，這一壓力滿足不了注漿要求，經試驗，順層孔注漿壓力在1.2～2MPa時，順層孔注漿效果最好。為了實現注漿壓力達到一定值后，保持恒壓，還對注漿泵進行了改造。當注漿壓力超過一定值時，自動卸壓、調節，實現了恒壓注漿。

三、現場應用試驗

（一）試驗地點概況

平煤股份十礦戊8-9-20230工作面是戊組二水平東翼第六區段，工作面標高-545m～-585m，對應位置地表標高+320m～+400m。工作面所采煤層是戊8-9煤層，煤層構造比較簡單，戊8煤層厚度0.8～1.0m，其下與戊9煤之間有一層厚度1.0～2.4m夾矸，戊9煤層厚1.2～1.5m之間，平均1.3m左右，煤層傾角8°左右，鉆孔順煤層布置，孔距2.5～3m，孔徑94mm，煤層類型為IV類，煤層原始瓦斯含量13m3/t，壓力2MPa。

（二）封孔裝置應用試驗

1.封孔方案

為了驗證新材料及新型封孔裝置的封孔效果，在戊8-9-20230機巷順層鉆孔開展試驗，采用相同的封孔參數（封孔深度和封孔長度）的情況下，采用3種封孔方法：聚氨酯封孔口+新材料封孔、聚氨酯封孔口+普通水泥封孔和新材料+封孔裝置封孔。各封孔方法在實施中要求相互交叉，如圖3-1所示。

（1）封孔參數

考慮巷道破碎圈的存在，順層鉆孔封孔時不采用全程封孔的方法。采用孔口外7m～15m這8m范圍為封孔段。

（2）封孔結構

由于順層鉆孔傾角小，為了確保有效封孔長度滿足要求，采用兩堵一注的方法進行（傳統聚氨酯封孔除外），其封孔結構如圖3-2所示。

（3）封孔工藝

①聚氨酯封孔口+新材料封孔

A.鉆孔成孔后，退出鉆桿，采用壓風清掃鉆孔；

B.向鉆孔內下一根相應直徑（或其他參數）要求的瓦斯抽采管，一根18m長注漿管和一根長度達到封孔長度要求的返漿管（ ，俗稱4分管）；

B.距在花管以下1m位置處的實管上纏繞棉紗和聚氨酯（黑白藥），攪拌均勻，形成孔內深部封堵段；

D.在距孔口外15m處位置纏繞棉紗和聚氨酯（黑白藥），攪拌均勻，形成鉆孔外部封堵段；

E.待聚氨酯凝固后，開始進行注速凝膨脹封孔劑漿液或水泥漿液，直至返漿管返漿。返漿后，封堵返漿管，繼續注漿2分鐘，形成帶壓封孔。

F.停泵，24h后，連接抽采管路進行抽采。

②新材料+封孔裝置封孔

A.鉆孔成孔后，退出鉆桿，采用壓風清掃鉆孔；

B.向鉆孔內下滿足封孔要求的封孔裝置；

C.連接注漿泵，進行注漿；

D.停泵，封堵注漿管，24h后，連接抽采管路進行抽采。

（4）注意事項

①套管下到位后，未進行鉆孔里口段和外口段封孔前，需固定套管位置，防止串位。

②操作人員嚴禁正對孔口進行封孔，防止噴孔及套管下竄傷人。

③注漿前必須檢查管路連接是否牢固，接頭必須使用正規“U”卡子固定，防止脫落傷人。

③注漿前必須檢查安全閥和壓力表是否完好，使用清水檢查管路是否暢通。

⑤注漿時，密切關注注漿泵壓力，一旦發現壓力急劇上升，立即停泵，防止出現過壓爆泵或爆管。

（5）數據觀測

抽采鉆孔封孔24h后，即可與抽采支管凝固一體，進行瓦斯抽采。抽采前，試驗各鉆孔需分別安裝孔板流量計，并預留取樣和取樣測壓小孔。各孔要求每天單獨統計流量、孔口負壓和瓦斯濃度等信息。

（二）封孔實施過程

現場封孔施工均在戊8-9-20230機巷進行。袋式聯動封孔過程可分為三步，如圖3-3所示：（1）漿液進入囊袋，囊袋膨脹，形成堵頭；（2）注漿達到一定壓力，爆破閥爆破，封堵封孔段；（3）隨注漿壓力繼續增大，漿液進入鉆孔周邊裂隙，注漿泵停止工作，完成注漿。

（三）封孔效果分析

鉆孔封孔效果主要體現在封孔后的瓦斯抽采效果，但是實際施工中的人力、物力等投入也是衡量鉆孔封孔的一個重要方面，綜合看，評價鉆孔封孔可以從如下三個方面進行評價：封孔材料用量、封孔工時和瓦斯抽采效果。

1.封孔材料消耗對比

十礦順層鉆孔傳統采用單一聚氨酯封孔，部分鉆孔采用聚氨酯+普通水泥漿進行封孔。由于采用聚氨酯封孔時，里端聚氨酯封堵段距離孔口15m，外段聚氨酯距離孔口僅0.5m左右，扣除聚氨酯封孔段所占長度，普通水泥漿實際封孔長度為12.1m。采用改進型聯動封孔裝置封孔時，實際封孔長度較為穩定，消耗新材料漿液的長度為8m，因此進行對比分析時，將普通水泥漿消耗量等效成封孔8m長度消耗量進行比較，順層鉆孔封孔材料消耗對比如表3-4所示。

從表看出，兩種封孔材料成本大致相當，但是聯動裝置封孔所需材料質量約是采用聚氨酯封孔消耗材料量的1/3，這極大地方便了井下工人材料運輸，降低了工人的勞動強度。

2.封孔時間確定endprint

受井下運輸條件的限制，封孔時實際應考慮封孔材料的運輸時間和封孔過程消耗時間。

聚氨酯+水泥漿封孔，單孔消耗材料質量約80kg。盡管質量較大，仍可實現單孔材料3名工人單趟運輸；聯動封孔裝置單孔消耗材料質量約28kg，整個封孔操作過程，包括封孔材料的運輸，2名工人即可完成，因此，運輸工時消耗方面，聯動封孔裝置優于聚氨酯+水泥漿封孔。

封孔操作中，用改進型一體化聯動封孔裝置封堵一個鉆孔的平均時間約需25min，工人操作熟練后，實際封孔時間可降至20min；而正常情況下，聚氨酯封孔所需時間約1h。因此，新型封孔裝置能有效提高封孔效率。總體講，用封孔裝置封孔效率要優于聚氨酯封孔。

3.瓦斯抽采效果

⑴鉆孔封孔后，隨著抽采時間的延長，瓦斯濃度逐漸下降。

⑵從抽采濃度看，無論采用何種封孔方式，初期瓦斯濃度均不高。由于鉆孔封孔注漿凝固時采用硬性PVC管之間直接連接，存在漏氣，導致抽采濃度一直不高。

⑶從不同封孔方式的抽采濃度看，順層鉆孔水泥漿封孔60m的瓦斯抽采濃度最高，封孔裝置+新材料封孔效果次之，聚氨酯+水泥漿封孔和聚氨酯封孔效果最差。

⑷聚氨酯+水泥漿封孔和聚氨酯封孔后，隨著抽采時間的延長，瓦斯濃度快速下降；而封孔裝置+新材料封孔時，瓦斯濃度下降相對較為緩慢，個別鉆孔的瓦斯濃度甚至沒有隨著抽采時間的延長而降低，這與封孔材料的特性有關。聚氨酯與鉆孔壁面之間不能很好結合，存在縫隙；而水泥后期干裂、收縮變形，會形成裂隙；新型材料具有微膨脹性，其收縮特征表現不明顯，不易因抽采時間過長而形成再生裂隙。

四、結論

戊8-9—20230機巷設計了480個鉆孔，風巷484個鉆孔、切眼108個鉆孔，共設計1072個鉆孔。采用新技術后，共試驗了4個月，單孔抽采濃度提高2倍，瓦斯抽采量比以前增加了10萬m3。現在封孔工藝比用聚氨酯封孔單孔節省材料費40元，能創造直接經濟效益64.8萬元，通過對比分析，結果表明：

⑴兩種封孔方式，在密封相同封孔參數的鉆孔中，采用聚氨酯封孔消耗材料量較大，是袋式一體聯動裝置封孔所需材料質量的近3倍，采用聯動封孔裝置時，材料用量少，便于工人運輸，有利于減輕工人勞動強度，易受工人歡迎。

⑵新型封孔裝置+材料價格高于聚氨酯+水泥漿，但單孔封孔成本要低于聚氨酯封孔成本。

⑶封孔裝置封孔操作簡單，易于掌握，所需人員僅3名，一個班組密封一個鉆孔平均耗時25min，是傳統封孔時間的1/3，封孔裝置能夠實現快速封孔，利于封孔操作的標準化和規范化，從而便于推廣

⑷封孔裝置鉆孔密封性好，抽采的瓦斯濃度高，能有效提高鉆孔的抽采率。瓦斯抽采量增加，利用率增高。

參考文獻：

[1] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，2012.

[2] 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及技術利用手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2005.endprint