新型膠囊封孔方法在船窩煤礦中的實踐應用

李建國

（山西曙光船窩煤業有限公司，山西 河津 043300）

1 工程概況

山西曙光船窩煤礦西進風井井筒凈直徑Φ7.2m，凈斷面40.72m2，井口設計標高為+26.5m（±0.0相當于絕對標高+26.5m），井筒全深為1027.5m。該井簡采用凍結法施工，凍結深度374m，其中凍結表土段厚度280.5m，凍結基巖厚度83.5m，井筒基巖段深度為664.54m，基巖段井壁為素砼結構，采用鉆爆法施工。基巖段采用直孔+Y孔地面預注漿封水，注漿范圍354～1060m。

進風井筒經過前期地面預注漿封堵，從井筒淺部已經掘進揭露情況看，注漿止水效果良好。預計井筒掘進期間涌水量將明顯減小，且井筒出水量以靜儲量為主，出水形式多以滴、淋和滲水出現。 井筒施工通風系統：西進風井井口20m外安裝4臺型號為FBDNO8.0/2×45 kW局扇（兩用兩備），配2路Φ900mm風筒，采用壓入式通風，風筒末端距迎頭的距離為4.0m，迎頭風量約1600m3/min。

2 防突措施的研究

2.1 煤層基本情況

西進風井7煤層埋藏較深（標高-862m），測試結果表明該煤礦7煤瓦斯壓力為1.24MPa，原始瓦斯含量6.55m3/t，堅固性系數f值為0.85，瓦斯放散初速度△p值為6.0，煤的突出危險性預測綜合指標K=7.06。參照《防治煤與瓦斯突出規定》相關標準，結合揭煤處7煤層實測瓦斯壓力大于0.74MPa，判定揭煤處7煤層具有突出危險性，必須對其采取區域防突措施進行消突。

2.2 區域防突措施鉆孔

工作面距7煤頂板最小法距7m前，在工作面迎頭采取穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施：共設計7圈共163個抽采鉆孔。井筒荒徑外側布置兩圈開孔位置，井壁內安裝嵌入式抽采環形管，方便在進行揭煤時可以連續抽采。鉆孔開孔間距400mm，孔徑108mm，其鉆孔終孔穿透煤層底板0.5m，抽采半徑按1.5m均勻布孔。

抽采鉆孔工藝中，一般都采用聚氨酯封孔方法。在實踐應用過程中聚氨酯封孔方法存在封孔段長度短、深度淺、材料支護強度低的問題。這使得鉆孔后期容易變形造成漏氣通道，抽采效果不佳。為提高預抽鉆孔封孔效果，選擇采用新型膠囊封孔辦法來進行封孔操作。措施孔全程下2寸套管護孔，揭煤段下花眼管，現場采用新型膠囊“兩堵一注”封至見煤點。

2.3 新型膠囊封孔工藝

2.3.1 結構特征和工作原理

新型膠囊封孔工藝當中需要采用膠囊封孔器，核心為一個孔內一次性囊袋注漿裝置。由囊袋、塑料堵頭件、塑料出漿管、封孔抽采管、注漿管、鉆孔注漿閥、囊袋注漿閥等部件組成。封孔裝置的結構原理如圖1所示。

圖1 封孔裝置的結構原理

（1）漿液首先注入封孔裝置兩端的復合囊袋，囊袋膨脹封堵封孔段鉆孔的兩端，實現了鉆孔的“兩堵”效果；當注漿壓力達1.5MPa時2個囊袋中間的壓力控制單向閥打開，注漿泵內漿液開始向囊袋中間的鉆孔注漿。該空間孔被充滿后，漿液在注漿壓力作用下向鉆孔壁滲透，實現鉆孔壁注漿。直至達到設定壓力，注漿停止，封孔結束。

（2）注漿壓力對鉆孔施加第一次封孔支護作用。注漿材料初凝后發生體積膨脹，可產生膨脹力，對鉆孔施加第二次封孔支護力，有效地防止鉆孔周圍煤體縮徑變形形成新的漏氣通道。

（3）改變封孔段鉆孔周圍的煤體強度。在注漿壓力作用下，部分注漿材料進入鉆孔周圍的裂隙，使封孔段鉆孔周圍的煤體強度得到提高。

2.3.2 操作流程

（1）操作前的準備工作

接好注漿泵，通氣后空轉檢驗注漿泵是否可以正常使用并驗證壓力表是否完好。準備好需要使用的注漿材料，注意檢查囊袋是否破損及注漿材料是否硬化結塊。按照封孔長度要求將封孔器孔底囊袋套入已準備好的PVC抽采管。囊袋兩端使用鐵絲緊固在PVC管上。將爆破閥固定在PVC管上，緊固時不可阻礙爆破片組件的圓形開口。將抽采管固定好后，采用快速接頭引出一根PE注漿管截止注漿泵出漿口。在注漿桶內以水灰比1:0.8的比例進行調配（灰為1，水為0.8），調配過程中開啟攪拌器，杜絕注漿材料結塊。

（2）注漿操作

在確認以上準備工作無誤后啟動注漿泵，剛開始注漿時速度不宜過快，閥門一般控制在打開行程的1/3～2/3處。注漿工作開始后，關注壓力表數值變化情況，在囊袋未注滿帶壓前工作壓力小于0.6MPa。逐步注滿壓力上升至1.5MPa左右爆破片爆破，爆破后壓力值瞬間下降至接近零位，出現這一現象即判定為爆破片正常打開，此時需繼續注漿。在爆破片打開后的注漿過程中可將注漿速度適當提高，但應小于最大速度。帶壓注滿后（注漿壓力大于1.5MPa）需先卸壓后對注漿管進行折彎封堵處理，此時整個注漿過程結束。

（3）封孔器的使用注意事項

首先對封孔膠囊的膠管、囊袋、接頭及爆破閥進行檢查，發現有破損現象及時更換，防止下入不合格的封孔膠囊造成漏漿，使鉆孔報廢。先下入套管至孔內預定位置后，將封孔膠囊套入至套管外側，兩端使用鐵絲扎緊。鐵絲頭不能指向封孔膠囊，并用透明膠帶捆扎，防止扎破。囊袋扎好后，底部用編織袋進行防護捆扎。膠皮管用專用直通連接，下管時膠皮管放在套管上邊，防止壓癟或擠壞。在下入過程中，膠皮管不能折彎，防止注漿炸裂。膠皮管用扎帶固定于套管上，順延至孔口處。注漿時漿液水灰比例0.8:1。注漿初期注漿速度要慢，待囊袋漲實后可稍微調快。注漿時返漿管不出清水時將返漿管閘閥關閉，等待注漿壓力穩定后再進行補注漿，確定壓力穩定后，穩壓后注漿結束。注漿結束后，注漿管折彎進孔內，孔口用水泥封實。

3 封孔方法及數據測試對比分析

為檢驗新型膠囊封孔方法的封孔效果，對于新型膠囊封孔方法和聚氨酯封孔方法進行數據測試和對比分析。封孔后對實驗鉆孔體積分數和瓦斯流量進行采集，分別按時間段統計兩種不同封孔辦法的測量數據并生成鉆孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純流量的對比曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 鉆孔瓦斯抽采濃度對比曲線

從瓦斯抽采濃度的曲線圖可以看出，隨時間的推移，新型囊袋封孔法和聚氨酯封孔方法的瓦斯抽采濃度都會出現降低趨勢。但是新型囊袋封孔辦法的瓦斯抽采濃度降低趨勢相比聚氨酯封孔方法較慢。從圖中數據還能看到新型囊袋封孔辦法瓦斯抽采純量最高提高比例達50%，平均抽采純量提高比例達33%。這說明新型囊袋封孔方法的封孔效果較好，降低了鉆孔空氣漏氣量，同時降低了孔口負壓到孔底的負壓損失，更加有利于煤層瓦斯的抽采。

圖3 鉆孔瓦斯抽采純流量對比曲線

綜上所述，新型膠囊封孔工藝對比于聚氨酯封孔辦法實際應用的優點如下：

（1）封孔成功率高。解決了下向鉆孔因孔內積水導致封孔過程中存在的座底難的問題，杜絕了傳統封孔工藝中存在的聚氨酯遇水不凝固而造成的封孔失敗現象，經統計膠囊封孔極大提高了座底成功率，成孔率達93.1%。

（2）封孔時間短。傳統采用聚氨酯封孔，一個鉆孔封孔需用時135min，而膠囊封孔器封孔時間為45min，從時間上節約了90min，大大提高了鉆孔效率。

（3）封孔效果好。新型膠囊封孔裝置起到了非常好的密封效果，增加了主動支護力，減少了鉆孔空氣漏氣量，降低了孔口到孔底的負壓損失，有利于煤層瓦斯的涌出。

4 結論

在西風井7煤測壓、預抽鉆孔施工過程中，為確保測壓準確及揭煤預抽效果，采用新型膠囊封孔裝置進行了封孔。采用膠囊封孔工藝后，西風井7煤實測瓦斯壓力1.24MPa，與推算瓦斯壓力接近，為揭煤防突措施采取及安全揭煤提供了有效依據；7煤區域防突預抽鉆孔抽采干管濃度達45%以上，相對于以往聚氨酯封孔抽采濃度的35%，提高了近10%，縮短了預抽達標時間15d，可以實現安全快速消突。