囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝材料的自主創新與應用

沈 浩

（鐵法煤業（集團）有限責任公司大隆礦，遼寧 調兵山 112700）

1 問題提出

鐵法煤業（集團）有限責任公司大隆礦始建于1966 年9 月，2019 年6 月礦井核定生產能力為210萬t/a。大隆井田處于曉明背斜和大興向斜之間，形成一個北高南低的單斜構造，并有輕微的褶曲。地層走向以北西向為主，傾角一般為6°～10°。井田走向長（東西）4.43 km，傾斜寬（南北）3.58 km，面積13.55 km2。大隆井田有9 個可采煤層，其中4、7、15、16 層為主要可采煤層。

2010 年5 月大隆礦鑒定為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯含量普遍在8 m3/t,瓦斯治理方面堅持“抽采為主、風排為輔”，主要通過鉆孔進行瓦斯抽采，需要施工的瓦斯抽采鉆孔數量多，所使用的封孔工藝材料也隨之增多，存在材料費用消耗大的問題。為節省材料費用支出，降低成本，對囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝材料進行優化設計[1-4]。

2 封孔工藝材料的選取與設計

2.1 封孔工藝材料的組成

囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝主要用在煤礦井下抽采鉆孔施工完畢后對鉆孔進行封閉工作，封閉后使鉆孔周圍存在的裂隙通過注漿料得到充填，同時消除鉆孔漏氣現象發生，從而提高鉆孔密封效果。封孔時主要是通過利用注漿泵進行加壓注漿，達到改變鉆孔周圍煤體特性和密度使鉆孔口20 m 范圍內得到可靠的支護保證，即避免中后期鉆孔漏氣和塌孔現象的發生，也提高了瓦斯抽采濃度。囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔材料主要由囊袋、注料管、注漿泵、封孔料四部分組成，結構原理簡單，操作簡便、封孔快捷，封孔效果好。囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝原理如圖1。

圖1 囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝原理示意圖

2.2 封孔工藝囊袋的選取設計

囊袋的主要作用是通過囊袋將封孔料中的水分篩出留下封孔料，按設計的封孔長度將鉆孔兩側密封并固定抽采管路。囊袋布采用的是丙綸長纖維材質，布面光滑，透氣性能好，用于制作囊袋比較耐酸、耐堿、耐水解、抗氧化、抗毒變。

囊袋布的厚度在0.85～1.35 mm 之間，質量420 g/cm3，融化點142～146 ℃，正常使用溫度小于90 ℃，有效過濾精度最小可達到1 μm 左右。礦內女工將囊袋布裁剪成全長為580 mm、寬度為460 mm 長方形布塊，再使用縫紉機加密縫合3 次，縫合后保證外徑為150 mm、內徑為145 mm 空心圓柱形。前置囊袋在縫合過程中需要在一側留出1個20 mm圓孔，后置囊袋在兩側位置各留出1 個20 mm 圓孔，便于注料管的穿插和囊袋與注料管路連接?？p合后達到斷裂伸長率為28%～76%、斷裂強度2608～2050 N，適用于直徑范圍在150 mm 以內的抽放管路。

2.3 封孔工藝注料管的選取設計

注料管的主要作用是在注漿泵的壓力作用下將封孔料輸送到囊袋和鉆孔內完成注漿封孔工作。注料管采用的是聚乙烯管材（PE100），抗壓耐用不易破裂，堅固耐磨，韌性強，耐高溫，抗凍性強，彎曲半徑可小到管徑的20～50 倍，正常使用溫度-30～50 ℃，選用外徑為20 mm、壁厚為2.3 mm，可承受18 kg 壓力，約為1.8 MPa。注料管長度選擇22 m，其中有效封孔長度選擇20 m，鉆孔外留余2 m 與注漿泵連接。使用手電鉆在注料管有效封孔長度20 m 內鉆削3 個Φ8 mm 圓孔，用于封孔料流入囊袋和鉆孔內。3 個圓孔分別用牛筋管進行掩護，使用2 個單耳無極卡箍將牛筋管固定在注料管中間的圓孔處，通過牛筋管將圓孔密封，只有注漿泵給到一定的壓力，達到牛筋管工程壓力值時，牛筋管破裂封孔料流入鉆孔內完成封孔工藝。兩側的圓孔使用膠帶將牛筋管固定，兩側的牛筋管主要的作用是防止封孔料逆流。使用的牛筋管柔軟性好、顏色透亮、韌性好、有彈力，正常使用溫度在-5～65 ℃之間，牛筋管公稱壓力為0.63 MPa。使用Φ18 mm 封管木楔將注料管前端堵嚴，防止封孔料從注料管的另一端流出。囊袋與注料管的連接和注料管中間孔與牛筋管的連接均采用的是單耳無極卡箍，采用的是304 不銹鋼材質，耐腐蝕、不生銹，壓緊力為2.4 MPa，管表面360°均勻受力壓縮保障密封性。

2.4 封孔工藝注漿料和注漿泵的選取

1）注漿料主要作用是將前置囊袋和后置囊袋之間的鉆孔、鉆孔壁裂隙進行填充，實現鉆孔密實封孔。采用具有膨脹作用的水泥砂漿，流動性、膨脹性和密實性良好，封孔成本較低，瓦斯抽采效果良好。注漿料無毒、無污染、無腐蝕性、阻燃等性能良好。

2）注漿泵的主要作用是在排漿壓力作用下將注漿料通過注料管往復注入鉆孔內實現封孔。注漿泵以井下壓縮空氣為動力，工作氣壓為0.63 MPa，排漿壓力為1.5 MPa，排漿流量為27 L/min，整機質量16 kg，注漿泵體積小，使用可靠。

2.5 封孔裝置的組裝

進行囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置組裝，首先選取完好的注料管，并用封管木楔將注料管前端堵嚴；然后使用2 個單耳無極卡箍將牛筋管固定在注料管中間注料口位置處，使用膠布將牛筋管固定在兩個囊袋注料口處；再將后置囊袋套入注料管上，使用2 個單耳無極卡箍將囊袋與注料管固定牢固；最后將前置囊袋套入注料管上，使用2 個單耳無極卡箍將封管木楔、囊袋、注料管一起固定牢固。組裝完成后形成一套囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置。

2.6 封孔工藝原理

1）準備工作。首先將注漿泵接設完好試運轉，然后根據要求接設一定長度的抽采管路，再在規定位置處使用鐵線將抽采管路與前置囊袋和注料管路捆綁牢固，防止安裝時移動，最后采用壓風清掃鉆孔，排除鉆孔中殘余煤（巖）細屑。

2）安裝工作。首先將抽采管路及安裝封孔裝置的抽采管路送入鉆孔，兩囊袋之間的注料管可用膠布或細鐵線將其與抽采管路捆綁固定，再將后置囊袋用鐵線固定在抽放管路上，按要求將前置囊袋送入規定深度即可。抽采管路進入鉆孔設定位置后，可利用鐵絲固定好抽采管路，防止抽采管路及封孔裝置移動。

3）注漿封孔。按比例向攪拌桶裝入封孔材料，啟動攪拌器，將封孔料攪拌均勻。將注漿泵出口與注料管相連，啟動注漿泵開始注漿。封孔料通過注料管路從后置囊袋注料口和前置囊袋注料口流入兩個囊袋內，隨著封孔料的增多兩個囊袋逐漸鼓起，達到封閉鉆孔的作用。注漿泵繼續注漿加壓增大，當排漿壓力達到0.63 MPa 時，注料管中間位置的牛筋管受壓力的作用破裂，封孔料從注料口流入鉆孔內。當注漿壓力達到1.5 MPa 時持續3 min 將鉆孔周邊裂隙充填密實，即可停止注漿。鉆孔注漿24 h后，可以連接瓦斯抽采系統，進行抽采瓦斯。

3 封孔工藝的使用效果分析與研究

1）封孔工藝材質能夠滿足井下現場的使用條件，在注入封孔料時，達到了預期的使用效果，沒有出現封孔料流動性差、牛筋管無法破裂的情況，能夠很好地密封瓦斯抽采鉆孔。

2）通過井下定向鉆孔、本層預抽鉆孔、穿層鉆孔、高位鉆孔等進行現場實際安裝和使用，實現了鉆孔高濃度的瓦斯抽采，提高了瓦斯抽采濃度。

3）密封完好的鉆孔隨著抽采瓦斯時間的延長，鉆孔內瓦斯濃度平穩緩慢降低。

4）大隆礦通過自主選取材料，經礦內女工利用閑余時間進行囊袋的縫合加工，創新出新型的囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝裝置。裝置總體結構簡單，操作簡便，封孔快捷，取得了良好的封孔效果。自主加工1 個囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置需要的材料費用是43.12 元，據統計大隆礦2021 年井下施工定向鉆孔9 個、深度4505 m，本層預抽鉆孔173 個、深度22 890 m，穿層鉆孔252 個、深度18 244 m，高位鉆孔792 個、深度75 232 m，共計1226 個鉆孔，全長120 871 m。購買一個囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置需要500 元，大隆礦一年購買封孔裝置所使用的材料費為613 000 元，通過自主加工封孔裝置可以節省材料費560 134元。自主創新加工比購買封孔裝置節省了91%的材料費用支出，為大隆礦節資降耗做出貢獻。

4 結論

1）通過對囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝裝置材料的選取和優化設計，制作出新型的囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置，經過試驗和井下的使用達到了預期的使用效果，提高了瓦斯抽采率。

2）通過自主創新加工的囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝裝置節省了91%材料費用支出，為煤礦安全生產提供穩定的經濟基礎。此方法能夠在其他礦井進行推廣和應用，具有較好的推廣應用價值。