新型“堵-注-排”鉆孔封孔工藝的研究與應用

王興盛

（汾西礦業（集團）有限責任公司雙柳煤礦，山西 呂梁 033000）

0 引 言

雙柳煤礦為煤與瓦斯突出礦井，4（3+4）號煤層具有突出危險性，瓦斯壓力和含量都比較大，防治煤與瓦斯突出最有效的措施就是預抽煤層瓦斯，而鉆孔封孔質量的好壞直接影響預抽煤層瓦斯的效果，通過研究使用新型“堵-注-排”封孔工藝,解決了鉆孔封孔效果差、鉆孔濃度低的問題,能夠大幅提高鉆孔單孔抽采濃度,并保持了長時間的穩定抽采效果,為礦井瓦斯治理提供保障,值得推廣應用。

1 影響鉆孔封孔效果的因素

由于煤層地質條件多變，煤層透氣性差等因素存在，瓦斯抽采存在諸多問題，鉆孔抽采效果的決定因素在于封孔，封孔技術是煤礦瓦斯抽采作業中一項極其重要的工藝，封孔質量的好壞決定鉆孔抽采效果，而順層鉆孔封孔的關鍵在于對煤壁裂隙的封堵。封孔質量的好壞決定著鉆孔的最終抽采效果。

2 目前封孔工藝存在問題

目前注漿封孔法常用的工藝為“兩堵一注”封孔工藝。常用的封孔方法是利用聚氨酯快速構筑抽鉆孔封孔段注漿空間。待聚氨酯完全固化后，再通過孔口端預留注漿管和返漿管利用風動注漿泵向封孔段密閉空間注入水泥漿，直到返漿管排出漿液，封孔停止。存在以下問題：

1）聚氨酯遇水反應膨脹效果變差，且封孔段的水無法排出，無法封堵含水鉆孔。

2）聚氨酯需要提前綁定在抽采管上，送入鉆孔，由于送入過程不可避免會出現滑動，無法保證封孔段長度和封孔深度，無法實現要求的封孔工藝，且封孔管由于自身重力的作用無法保證封孔后處于鉆孔的中心位置。

3）無法實現壓力封孔,無法保證封孔質量。

3 “堵-注-排”封孔器的組成及封孔流程

“堵-注-排”封孔器主要由瓦斯抽放管、PE注漿管、排水排氣管、內、外封堵囊袋等裝置構成。封孔時，首先將注漿材料注入到封孔器中進行封孔，注漿村料首先注入并充滿內封堵囊袋，隨著注漿壓力的上升，外封堵囊袋中的逆止閥自動打開，注漿材料開始注入并充滿外封堵囊袋，隨著注漿壓力的進一步提高，爆破-單向逆止組合閥打開，注漿材料開始注入并充滿內外封堵囊袋之間的空間，同時鉆孔中的水和氣通過排水排氣管排出，從而可以實現“堵-注-排”的注漿封孔工藝。使用“堵-注-排”封孔器封孔，鉆孔中的水可以排出，很好的解決了鉆孔中水對注漿材料的不利影響，注漿材料更易充滿整個封孔段，封孔后的注漿材料更加致密，保證了整個封孔段的封孔嚴密性。

圖1 “堵-注-排”注漿封孔裝置結構原理圖

4 “堵-注-排”封孔工藝原理

新型“堵-注-排”封孔工藝，通過高壓注漿將使孔內裂隙完全充填，加固鉆孔，保證鉆孔內不再有新的裂隙產生，同時能夠排出鉆孔的水和注漿材料的水，進一步的增加封孔材料的密封和強度，增強鉆孔的穩定性，保證了鉆孔的密封質量。能夠實現鉆孔壁注漿加固，將鉆孔內部煤體填實。同時改變鉆孔封孔段的煤體強度。注漿材料可以進入鉆孔周圍的裂隙，提高鉆孔封孔段周圍的煤體強度。

5 現場實踐及考察

為了考察新型“堵-注-排”封孔工藝抽采效果，在雙柳煤礦井下33（4）18運巷施工4個本煤層鉆孔，33（4）18 工作面原始瓦斯壓力為 0.81～1.3MPa，原始瓦斯含量為 8.2～12.5m3/t，絕對瓦斯涌出量6m3/min左右。使用新型“堵-注-排”封孔工藝進行注漿封孔，同時觀測4個鉆孔抽采濃度，對數據進行對比分析，鉆孔瓦斯抽放濃度隨時間變化如圖2所示。

同時在33（4）18運巷施工的4個本煤層鉆孔附近觀測另一組4個抽放鉆孔的濃度 (采用的是普通“兩堵一注”封孔工藝，封孔深度8m),其鉆孔瓦斯抽放濃度隨時間變化如圖3所示。

圖3 鉆孔瓦斯抽放濃度變化

對比圖2與圖3可知：

1）兩種封孔方法抽采前期鉆孔濃度都比較高，隨著抽采時間的增加鉆孔濃度逐漸降低。

2）抽放一段時間后，“堵-注-排”封孔工藝瓦斯濃度降低幅度小，衰減較慢，使用“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔濃度衰減較快，使用“堵-注-排”封孔工藝的鉆孔在抽放40天左右鉆孔瓦斯濃度能夠保持在60%左右，使用“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔在抽放30天后瓦斯濃度已經降到30%以下，抽放40天后瓦斯濃度基本在20%左右。

3）鉆孔抽放兩個月后，在抽采鉆孔附近取芯測定煤層殘余瓦斯含量，使用“堵-注-排”封孔工藝的鉆孔附近測定最大殘余瓦斯含量為6.5m3/t左右,使用兩堵一注封孔工藝的鉆孔附近測定最大殘余瓦斯含量為8m3/t左右。使用“堵-注-排”封孔工藝的鉆孔抽采效果比兩堵一注封孔工藝鉆孔的抽采效果好。

6 結 論

1）堵-注-排”封孔工藝封孔器使用方法簡單，1-2個工人即可完成封孔操作。封孔器的囊袋封堵壓力和注漿壓力的控制均由不同的閥門自動控制，無需工人操作，即可保證長時間的高壓力注漿過程，可以將更多的封孔材料注入到煤隙中去，從而保證了整個封孔系統的安全性。

2）堵-注-排”封孔工藝封孔器適用范圍廣，無論是上行孔還是下行孔，或者是水平孔，都能夠高質量完成封孔工作，具有很好的推廣性。

3）通過采用新型“堵-注-排”封孔工藝，雙柳煤礦的瓦斯抽放濃度有了大幅提高，礦井的瓦斯抽采量和抽采濃度得到了大幅的提高，大大提升了瓦斯抽放效果，為礦井的瓦斯治理奠定了良好的基礎。