煤層瓦斯抽放鉆孔封孔質量檢測應用研究

楊利平

（1、中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037 2、國家煤礦安全技術工程研究中心，重慶400037）

我國煤層地質賦存條件復雜，多數煤層屬于高瓦斯低透氣性煤層，煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大且難以抽采，瓦斯災害長期以來嚴重威脅著我國煤礦的安全生產[1]。煤層瓦斯抽采是治理煤礦瓦斯的重要技術手段之一，通過瓦斯抽采可以有效降低采掘工作時的瓦斯涌出量，減少通風負擔，解決礦井通風難以解決的難題。瓦斯抽采主要依托于打鉆與封孔來完成，封孔質量的好壞嚴重影響著瓦斯抽采的整體效果，而合理的封孔深度是保證抽采鉆孔封孔質量和高效抽采的必要條件[2-3]。煤層瓦斯抽放鉆孔封孔質量是檢驗封孔深度是否合適的關鍵參數，也是影響抽采效率的重要因素之一，煤層瓦斯抽采鉆孔封孔質量的好壞直接影響抽采鉆孔瓦斯濃度[4-6]。因此，基于檢測負壓狀態下抽采鉆孔內不同深度的瓦斯及氧氣濃度值變化規律，結合煤層瓦斯抽采鉆孔內瓦斯運移規律，利用YFZ3 型瓦斯抽放鉆孔封孔質量檢測儀對晉煤集團長平煤業進行鉆孔封孔質量檢測。

1 封孔質量檢測儀檢測原理

1.1 儀器簡介

煤層瓦斯抽放鉆孔封孔質量檢測儀（YFZ3 型）主要用于測定接抽狀態下抽采鉆孔內不同深度位置瓦斯和氧氣濃度的分布情況，從而判定抽采鉆孔的封孔質量和漏氣通道位置，以便對封孔方式和封孔參數進行改進，提高鉆孔瓦斯抽采效果。抽采鉆孔封孔質量檢測裝置基于煤層鉆孔瓦斯流動理論設計，工作原理如下所述：

（1）當抽采鉆孔封堵效果較好時，孔內抽采瓦斯和氧氣的濃度值在負壓狀態下沿鉆孔走向波動范圍較小。

（2）當鉆孔封孔封堵效果差或存在“串孔”的情況時，孔內的瓦斯和氧氣濃度自孔底往孔口沿線將出現“階梯式”的突降，即：孔口至漏氣位置區域內瓦斯濃度遠低于漏氣位置至孔深方向區域內的瓦斯濃度。

YFZ3 型煤層瓦斯抽放鉆孔封孔質量檢測儀主要由主機、瓦斯參數探測管、快接三通等組成，如圖1 所示。

1.2 封孔質量判斷準則

根據管流流體力學知識可知，當抽采鉆孔內不同孔深（深度遞減）瓦斯和氧氣濃度基本保持不變或波動范圍較小，表明抽采鉆孔封孔質量較好，反之質量較差，濃度變化越明顯，表明封孔質量越差。結合圖1 所布置測點位置，根據參數測定結果，提出了判定抽采鉆孔的密封質量和漏氣位置的方法：

①若a 測點瓦斯濃度明顯低于b 測點，則表明抽采管已被破壞或發生漏氣；

②若b 測點瓦斯濃度明顯低于c 測點，則表明封孔材料已破壞或封孔質量差；

③若c 測點瓦斯濃度明顯低于d 測點，則表明存在漏氣通道或封孔深度不足；

④若d 測點的瓦斯濃度明顯較小，則表明抽采鉆孔的深部存在漏氣通道。

圖1 封孔質量檢測裝置工作原理示意圖

2 現場檢測

2.1 某煤礦工作面鉆孔編號CD13-12，順層孔，孔徑113mm，傾角-4°，孔深110m，封孔深度16m，抽采時間20 天，抽采負壓22kPa，鉆孔內不同孔深瓦斯和氧氣濃度值如表1 所示，變化趨勢如圖2 所示。

表1 鉆孔內不同孔深瓦斯和氧氣濃度值

圖2 瓦斯和氧氣濃度值隨孔深不同變化圖

由圖2 可知，鉆孔CD13-12 在15m～30m 范圍內瓦斯濃度由74.8%降低至29.0%，氧氣濃度值由4.2%上升至14%，瓦斯及氧氣濃度值隨孔深的增加變化波動較大，鉆孔在該范圍內存在漏氣通道；鉆孔在15m～20m 范圍內瓦斯濃度由50%降低至30%，氧氣濃度由9%升至14%，在該范圍內存在嚴重漏氣通道；在20m～30m 范圍內瓦斯濃度由74.8 降低至50%，氧氣濃度由4.2%上升至9%，該范圍內存在輕微漏氣通道。由封孔質量檢測可知，該孔封孔深度不足，鉆孔內存在嚴重漏氣通道，封孔深度應由16m 增加至20m。

2.2 某煤礦工作面鉆孔編號CD13-17，順層孔，孔徑113mm，傾角-4°，孔深108m，封孔深度16m，抽采時間12 天，負壓22kPa，鉆孔內不同孔深瓦斯和氧氣濃度值如表2 所示，變化趨勢如圖3 所示。

表2 鉆孔內不同孔深瓦斯和氧氣濃度值

圖3 瓦斯和氧氣濃度值隨孔深不同變化圖

由圖3 可知：鉆孔CD13-17 在距孔口5～30m 范圍之內瓦斯及氧氣濃度值隨孔深的增加變化波動較小，該孔封孔質量較好；在15～20m 范圍內存在輕微漏氣通道。由封孔質量檢測可知，該孔封孔質量較好，在15～20m 范圍內存在輕微漏氣通道，為了進一步提高單孔瓦斯抽采效果，封孔深度應增加至20m。

3 結論

通過使用封孔質量檢測儀對某煤礦工作面抽采鉆孔封孔質量檢測可知：

（1）鉆孔在封孔段PVC 管內瓦斯及氧氣濃度基本穩定在某一值，該范圍內不存在漏氣通道，自主研發的新型封孔材料及囊袋式“兩堵一注”封孔工藝具有較好的應用效果；

（2） 鉆孔在距巷幫15m～30m 范圍內存在漏氣通道，在20m～30m 范圍內存在輕微漏氣通道；抽采鉆孔內存在堵孔現象，可能是由于塌孔、煤渣較多或注漿水泥滲流至孔內造成的。建議增加封孔深度至20m；在封孔之前應盡量壓風排出鉆孔內的煤渣，且在孔內應多下篩管，防止鉆孔塌孔，在封孔過程中要注意合理控制注漿壓力、水灰比、注漿量；

（3）定期采用YFZ3 型封孔質量檢測儀對井下鉆孔進行封孔效果檢測，通過對檢測數據分析，發現不同工作面、同一工作面不同區域存在的封孔問題，對封孔參數進行對應調整，對井下工人師傅封孔質量進行有效監督。