一種新型瓦斯抽采封孔裝置的設計與應用分析

武文星

（晉能控股集團王村煤業有限責任公司，山西 大同 037003）

引言

為了提升瓦斯抽采的效率，降低鉆孔漏氣的影響，諸多研究人員在瓦斯抽采鉆孔封孔質量以及封孔工藝方面進行了長期的研究，取得了顯著的成果。最早應用的封孔工藝主要是水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔以及囊袋式封孔，以此為基礎發展出“兩堵一注”封孔工藝和配套設備。“兩堵一注”封孔方法從原理上來說能夠很好地解決封孔壓力不足以及鉆孔周圍存在漏氣通道等問題，但是該方法配套設備有注漿管、回漿管以及抽采管，并且注漿管和回漿管同抽采管相切，使得復合囊袋充填漿液膨脹后，“三角區”難以完全填充，進而使得注漿封孔過程中常常伴隨漏漿情況，導致注漿壓力有所下降，鉆孔周圍裂隙難以完全填充[1]。因此，設計了一種新型瓦斯抽采封孔裝置，在晉能控股煤業集團某礦2110 工作面進行了實地試驗，對當前鉆孔漏氣以及瓦斯抽采效率低等情況提供了經驗借鑒。

1 鉆孔封孔段漏氣機理研究

1.1 鉆孔圍巖應力分布

巷道在開采前處于初始應力狀態。開始挖掘后巷道本身的初始應力狀態遭到破壞，開采面周圍應力二次分布，煤壁前方出現應力集中現象，產生應力集中區，巷道圍巖周圍的應力狀態較為復雜，從兩幫至圍巖以此為應力下降區、應力升高區和原始應力區，應力升高區又可以根據深度的變化分為峰前應力升高區以及峰后應力升高區。

瓦斯抽采鉆孔能夠近似當作1 個采動過后應力重新分布的微小煤層巷道，所以可以沿用巷道應力分布理論進行鉆孔封孔相關內容的研究。依照松動圈理論不難發現，巷道的挖掘過程破壞了原巖應力的分布，使得圍巖平衡發生改變，周圍應力重新分布，局部出現應力集中的現象，圍巖周圍產生1 圈松散破碎帶。因此可以認為鉆孔開孔后，也會產生1 個近似的破碎圈，稱之為裂隙場。巷道掘進過程中徑向應力的分布具體情況如圖1 所示。

圖1 掘進巷道徑向應力分布示意圖

根據圖1 不難發現，巷道的挖掘過程破壞了原有的應力平衡狀態，使得煤層發生彈塑性變形、局部出現應力集中，從鉆孔孔口至孔底之間依次是應力降低區Ⅰ、峰后應力升高區Ⅱ、峰前應力升高區Ⅲ以及原巖應力區Ⅳ。

1.2 鉆孔漏氣通道分析

1）封孔段材料存在漏氣可以分為兩類：一類是材料自身的氣密性較差造成漏氣；另一類是封孔材料和鉆孔壁結合不緊密造成漏氣。封孔材料自身漏氣是因為材料的性能不滿足要求、致密性較差以及固化后容易因為巷道開采過程中周圍煤體的應力改變導致自身受到破壞產生裂隙，產生漏氣通道；注漿過程中，材料膨脹性或者注漿壓力不足使得封孔材料同鉆孔壁結合不緊密，產生漏氣通道。除此之外，鉆孔傾角較小時，受重力的影響導致跑漿現象時有發生，產生環形漏氣通道，在瓦斯抽采過程中負壓的作用下，巷道內的空氣通過通道涌入鉆孔。

2）氣體在瓦斯抽采鉆孔過程中，會通過巷道裂隙帶依次經過圍巖應力降低區、峰后應力升高區、峰前應力升高區以及原始應力區。受到圍巖應力分布的影響，對煤體進行破壞，造成大量新裂隙的出現以及老裂隙的擴展，整個煤層氣密性較差，大量漏氣通道出現，是瓦斯抽采鉆孔過程中的主要漏氣通道。

3）鉆孔周圍裂隙帶同開采過程中的巷道圍巖較為相似，鉆孔周圍出現破碎區和塑性區。隨著開采的不斷深入，煤體受到反復的擾動破壞，產生大量的裂隙，裂隙逐漸擴展為漏氣通道，因此也被叫作“漏氣圈”[2]。伴隨瓦斯的抽采，空氣也從漏氣圈進入鉆孔內部。

2 新型封孔裝置的提出

2.1 “兩堵一注”封孔技術的不足

“兩堵一注”注漿封孔工藝是對此前的黃泥漿封孔和聚氨酯封孔方式的一種改進，屬于囊袋式封孔工藝的一種。雖然原理可行但是實際使用效果不佳，瓦斯抽采難以滿足既定目標，原因在于管路中的“三角區”縫隙在封漿的過程中難以被完全填充，空氣借助抽采負壓從產生的縫隙流入鉆孔，使得抽采效率下降。“兩堵一注”封孔裝置漏氣通道如圖2 所示。

圖2 “兩堵一注”封孔裝置漏氣示意圖

根據圖2 不難發現，囊袋填充后，管路同封孔囊袋間存在注漿難以充滿的“三角區”，產生漏氣通道，空氣借助抽采負壓從產生的縫隙流入鉆孔，使得抽采效率下降。

2.2 新型注漿裝置結構設計

設計的新型封孔裝置同當前的封孔工藝裝置相比，實現了“一管多用，多管合一”，通過抽采管和注漿管與回漿管內切的形式，顯著提升了注漿壓力，避免了“三角區”漏氣通道的產生，顯著提高了抽采鉆孔密封效果，瓦斯抽采濃度有所保障。除此之外該裝置的適應性較強，可以適應多種傾角瓦斯抽采鉆孔，結構核心為注漿閥和回水閥。通過二者位置的變化可以將環形注漿空間內的氣體完全排出，保證漿液充分滲透至環形注漿空間內，對周圍煤體的裂隙也能起到一定的填充作用。

2.3 新型注漿封孔工藝原理

1）依照抽采鉆孔的角度設置注漿閥以及回水閥，環形注漿空間的長度在5～10 m 范圍內。

2）通過孔口囊袋和孔內囊袋上的單向截止閥向囊袋內注漿，囊袋膨脹通過擠壓使得孔壁和煤壁之間緊密貼合，實現封孔段堵頭。

3）繼續注漿，不斷提升注漿壓力直到達到復合囊袋間注漿閥開啟壓力1.5 MPa 時，打開回水閥排出環形注漿空間內的空氣，注漿壓力使得注漿充滿環形注漿空間、周圍煤體的裂隙中以及周圍的“漏氣圈”中，進一步減小孔壁周圍的漏氣通道。

4）一旦回漿管又漿液流出，即刻關閉孔口回水閥，提高注漿壓力至2 MPa，持續10 min 后停止注漿，完成整個抽采鉆孔的封孔過程。

3 現場工業性試驗

3.1 試驗工作面概況

晉能控股煤業集團某礦設計生產能力為60 萬t/年，平硐加暗斜井開拓方式。2110 工作面開采煤層均為2 號煤層，是較穩定煤層，巷道長度174 m，東鄰2108 工作面（已回采），西鄰2112 工作面（正在布置），南接2 號煤層邊界巷，北至2110 開切眼與一、二水平隔離煤柱，使用兩進一回“Y”型全負壓的通風方式。回采期間瓦斯涌出量大約是8.25 m3/min，2110 工作面布置有平行順層鉆孔進行瓦斯抽采，相鄰煤層布置穿層鉆孔進行預抽采。

3.2 封孔方案改進試驗

為了比較新型瓦斯抽采封孔裝置的實際工作效果，采用聚氨酯封孔法、囊袋式“兩堵一注”封孔法和新型瓦斯抽采封孔方法分別進行試驗，比較實驗結果。實驗方案是在底板上方1.5 m 處水平進行瓦斯抽采鉆孔，相鄰鉆孔間距為8 m、孔徑5 mm、孔深60 m，總計鉆孔15 個。鉆孔完畢依次使用3 種封孔工藝進行鉆孔間隔封孔。使用同種工藝的5 個孔采取串孔的方式形成抽采支路，共計3 個支路，支路同抽采總管相連接。

3.3 試驗結果分析

完成封孔后，分別記錄3 組封孔工藝的瓦斯抽采體積分數以及瓦斯抽采純量，兩次測量之間間隔5 d，根據所得數據繪制變化曲線圖，如圖3、下頁圖4 所示。

圖3 瓦斯抽采體積分數對比曲線

圖4 瓦斯抽采純量對比曲線

根據圖3 不難發現，測量至50 d 時，聚氨酯封孔工藝、“兩堵一注”封孔工藝以及新型封孔工藝的平均瓦斯抽采體積分數分別是38.02%，50.82%和56.84%。相較于原有的2 種工藝，采用新型封孔裝置的瓦斯抽采體積分數顯著提升，提升幅度分別為49.50%以及11.85%。

根據圖4 不難發現，平均瓦斯抽采純量同瓦斯抽采體積分數的變化趨勢較為相近，測量至50 d 時，3種工藝的平均瓦斯抽采純量分別為0.032 m3/min，0.042 m3/min，0.046 m3/min，相較于原有的2 種工藝，采用新型封孔裝置的瓦斯抽采純量顯著提升，提升幅度分別為43.75%以及9.52%。

根據上頁圖3、圖4 不難發現，隨著時間的推移，不論何種鉆孔封孔工藝，平均瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量都會逐漸下降，但是采用新型鉆孔封孔工藝平均瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量的下降速度要顯著小于其他2 種工藝。由此可知，新型鉆孔封孔裝置密封性更佳，減小漏氣通道以及孔內的負壓損失的效果更好，瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量明顯更高。由此可見新型鉆孔封孔裝置對于改善當前瓦斯抽采過程中效率較低、質量較差等問題有著重要意義。