“三堵兩注”本煤層瓦斯抽采封孔技術研究

王軍燕

(陽泉煤業集團 新景公司，山西 陽泉 045000)

國內井下抽采瓦斯的封孔技術主要包括：聚氨酯封孔法、“兩堵一注”封孔法和囊袋式注漿封孔法。將聚氨酯作為封孔材料進行封孔，由于聚氨酯膨脹速度快、承載能力較差，造成了聚氨酯凝固后未處于封孔位置，不能抵抗鉆孔的變形等問題[1-3]. “兩堵一注”封孔法即兩端采用聚氨酯封孔，待聚氨酯凝固之后，在中間段注漿封孔，但由于聚氨酯膨脹速率過快，當鉆孔較深時，聚氨酯難以充滿鉆孔[4-6]. 雙囊袋式注漿封孔法通過在兩個囊袋內和兩個囊袋間注入漿液來達到封孔的目的，但在煤質較軟的煤層中封孔效果較差[7-8].

新景礦3#煤層瓦斯含量高，被鑒定為突出煤層。采用傳統的“兩堵一注”封孔方式封孔后，隨著抽采時間的延長，抽采濃度下降較為明顯，封孔長期穩定性較差。因此，在3216工作面輔助進風巷開展“三堵兩注”本煤層瓦斯抽采孔密封及泄漏封堵技術研究，改變過去單純封孔的理念，以實現高濃度和高效率抽采。

1 工程背景

新景礦3216工作面位于蘆南二區北翼中部，東為3214工作面(已采)，南為3215工作面(正掘)，西為3218工作面(正掘)，北為3#煤保安區3115工作面(未掘)。南北走向長1 390 m，工作面長度204 m，所采3#煤厚度2.17～2.45 m，平均煤厚2.27 m，煤層傾角3°～9°，結構簡單。布置在本煤層的鉆孔漏氣情況較多，影響抽采負壓，并且出現“低濃度、低效率、低負壓”的“三低”現象。

2 “三堵兩注”封孔工藝

“三堵兩注”封孔分 “密封”和“封堵裂隙”兩個階段對本煤層預抽鉆孔實施封孔。封孔裝置示意圖見圖1.

第一階段：密封。注漿泵加壓注漿，單向閥依次打開并在第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋內注漿。囊袋注滿后，壓力達到1.2 MPa左右爆破閥打開，開始向第二囊袋和第三囊袋之間注漿。此時兩個囊袋之間存在空氣，有時也會有水，通過封孔管上的濾水濾氣裝置排出，當注漿壓力達到1.5 MPa左右時，停止注漿。

第二階段：封堵裂隙。由于封孔材料抗壓強度明顯強于煤體強度，受礦壓、采動等因素的影響，鉆孔附近煤體可能破碎形成漏氣裂隙。在抽采過程中如發現抽采孔瓦斯濃度明顯下降，通過封堵口采用壓力為5.0～8.0 MPa的高壓將黏液注入第一囊袋和第二囊袋之間，在鉆孔周圍的漏氣裂隙內形成裂隙充填物，達到封堵鉆孔裂隙的目的，提高瓦斯抽采濃度。

圖1 封孔裝置示意圖

3 “三堵兩注”封孔技術地面試驗

為了測試封孔設備和封孔材料的各項參數，以及在注漿過程中各個節點的壓力指示，為井下現場試驗提供可靠依據，提前在地面進行了模擬封孔實驗。

3.1 封孔材料組成

封孔材料的成分主要有：水泥、硫鋁酸鹽、石灰石、碳酸鈉。封孔材料的性質見表1.

表1 封孔材料性質表

封堵裂隙所用黏液的主要成分為：纖維素、石膏粉、膨脹劑，所有材料均為不燃物。

3.2 試驗過程

1) 實驗材料準備。

1臺單液注漿泵、1臺空壓機、1根鐵管(長6 m，內徑100 mm)、2根封孔管(每根3 m，d63 mm)、2袋封孔材料(每袋25 kg)、3個囊袋(長75 cm)、濾水、1個濾氣布袋(長0.75 m)、2根注漿管(d16 mm，長3 m)、相關配件。

2) 試驗前設備試運行。

用空壓機(代替井下高壓風管)與注漿泵進氣閥連接好，試驗注漿泵運行良好。

3) 將封孔管下入鐵管。

確定囊袋距離后先用手持鉆在第二囊袋與第三囊袋之間的封孔管上打孔穿透上、下管壁，孔間距5 cm，打孔13組，套入過濾布袋并將布袋兩頭用膠帶固定在封孔管上，確保過濾布袋覆蓋所有孔；然后將封孔管穿入囊袋并用膠帶固定囊袋的前后兩側，使囊袋與封孔管之間形成一個整體，最后將封孔管整體穿入鐵管中。

4) 注漿。

將注漿管連接好，按比例(水和封孔材料比為1∶1)在攪拌桶中加水及封孔材料各25 kg，攪拌均勻后開始注漿。開始注漿壓力為0.2 MPa左右(偶爾在0.4～0.5 MPa波動)，注漿過程中，鐵管中逐漸有水流出，囊袋撐起后，鐵管內不再流水。繼續注漿，發現封孔管內有少量清水流出，約15 s后管內不再流水；待注漿壓力最大達到0.8 MPa時卸壓閥爆破，注漿壓力快速下降至0.2 MPa附近，繼續注漿發現封孔管內流出少量清水，隨后又有漿液流出，繼續注漿至壓力0.4 MPa時停止注漿。

5) 第二次注漿。

由于第一次注漿壓力偏小，可能會影響注漿效果，以水25 kg和封孔材料30 kg配制漿液，提高漿液濃度后繼續注漿，注漿時封孔管內液體迅速流出，漿液顏色逐漸變深，注漿壓力達到0.6 MPa左右停止注漿。

6) 判斷注漿效果。

敲打整個鐵管，通過聲音可以初步判斷基本注漿段已經注滿，注漿結束。

3.3 試驗結果

試驗總計注漿60 kg，第一次注漿水料配比為1∶1，第二次水料配比為5∶6，注漿時長20 min. 封孔材料凝固較好，注漿兩天后切開觀察，3個囊袋和注漿段全部注滿漿液無空隙，密封效果良好。

切開后，囊袋截面及注漿段截面見圖2，圖3.

4 “三堵兩注”封孔技術井下試驗

從地面試驗得到封孔設備和封孔材料的各項參數后，為檢測“三堵兩注”封孔技術在井下的實際運用效果，進行了井下試驗。

4.1 試驗方案

圖2 第一囊袋截面圖

圖3 注漿段截面圖

在3216輔助進風巷選取513#—532#(總計20個)本煤層預抽鉆孔進行封孔試驗，鉆孔深度120 m，鉆孔間距均為1.5 m. 每10個鉆孔為一組，共計2組。全部采用“三堵兩注”封孔工藝進行封孔，鉆孔封孔深度均為9～19 m，抽采負壓要求達到13 kPa，對照孔采用常規封孔材料，通過兩堵一注的方式進行封孔。根據抽采濃度分析對比兩種封孔工藝的抽采效果。

4.2 試驗結果

記錄試驗過程中鉆孔的濃度變化，見圖4.

對試驗孔抽采濃度進行整理，并選取10個普通封孔作為對照孔，與試驗孔的抽采濃度進行對照，抽采情況對照表見表2.

圖4 試驗鉆孔濃度變化圖

由表2分析可知，對照孔單孔濃度為15.56%～77.8%，平均濃度為41.2%；試驗孔單孔濃度為31.3%～77.19%，平均濃度為58.71%，是對照孔的1.43倍。對照孔單孔濃度在30%以上的占比70%，單孔濃度在50%以上的占比30%；試驗孔單孔濃度在30%以上的占比100%，單孔濃度在50%以上的占比80%，分別是對照孔的1.43倍和2.67倍。

5 結 論

通過地面試驗及井下試驗，對“三堵兩注”本煤層瓦斯抽采孔密封及漏氣封堵技術進行了研究，可得到如下結論：

1) 封孔工藝分為密封和封堵裂隙兩個步驟。密封是向3個囊袋內以及第二囊袋和第三囊袋之間注漿，主要作用是讓漿液凝固后封堵鉆孔。封堵裂隙是向第一囊袋和第二囊袋間注入黏液，達到封堵裂隙的目的。

2) 在地面試驗中，封孔器總計注漿60 kg，第一次注漿水料配比為1∶1，第二次水料配比為5∶6，注漿時長20 min. 切開后注漿處全部充滿漿液無孔隙，密封效果良好。

表2 試驗孔與對照孔抽采情況對照表

3) “三堵兩注”封孔技術相對于傳統的封孔技術，瓦斯抽采效果提升顯著。采用“三堵兩注”封孔技術的試驗孔的平均抽采瓦斯濃度為58.71%，是對照孔的1.43倍；試驗孔單孔抽采瓦斯濃度達30%以上的比例是100%，是對照孔的1.43倍；試驗孔抽采瓦斯濃度達50%以上的比例是80%，是對照孔的2.67倍。