瓦斯抽采鉆孔封堵一體化封孔技術研究及應用分析

＊張永 畢利軍 任國強

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司 山西 048400）

在煤礦開采過程中，礦井內和煤層縫隙處會含有一定濃度的瓦斯氣體，當煤礦開采到一定深度時礦井內動壓力升高，瓦斯氣體的濃度也會越來越高，井下作業的安全系數則會逐漸降低，所以如何有效地抽取礦井內的瓦斯氣體，降低瓦斯的含量，是煤礦行業一直關注的問題。現在許多煤礦施工中瓦斯抽取密封性不佳，導致瓦斯抽取效果不理想，要想降低井下瓦斯濃度需要更多的時間與能耗，這不僅增加了施工成本，同時安全性也不能得到有效保障。

據調查，山西某煤礦5310工作面的瓦斯濃度較高，工作人員在瓦斯抽取過程中發現抽采初期瓦斯的抽取效果較好，在抽取一定的時間后，抽采的瓦斯濃度逐漸降低。通過后期地質勘察發現，抽采鉆孔時由于煤層結構發生變化，巖層與煤礦的地應力也隨之改變，許多煤層縫隙與礦道出現貫穿連接，整個工作面的密封效果下降，所以瓦斯抽采效率也逐漸降低，抽采濃度不符合施工標準。為了解決此項問題，研究人員通過現場實地檢測，制定出了封賭一體化的技術方案。為了增加瓦斯抽取的密封效果，研究人員采用了三囊袋裝置進行密封，此方案經過后期現場試用，效果較為明顯，工作面瓦斯濃度得到了有效的控制，可作為以后煤礦瓦斯抽取工作的技術參考。

1.地質概況

現有一分布結構為南北方向的煤礦。通過勘探，該礦占地面積約173.2km2，煤礦開采能力可達10.80Mt/a。由施工方案可知，該煤礦傾斜寬度為14.4km，總長約12km，以東部5310工作面為近期主要開采區域，此區域煤層平均傾角約為3°，平均厚度約為3.5m。該區域采礦長度為1191m，采區高度為6m。礦道中頂板為細粒砂巖結構，厚度為6.23m，直接底為粉砂巖結構，厚度為1.3m。該工作面瓦斯濃度較高，整個施工區域絕對瓦斯涌出量為22.71m3/min，相對涌出濃度3.27m3/t。礦道中瓦斯壓力較高，且瓦斯含量可達10m3/t，所以需將內部瓦斯進行抽取后，方可進行開采工作[1]。

2.封堵一體化技術研究

(1)封堵一體化技術理念

密封技術是瓦斯抽取過程的核心技術，若初期打孔后礦道有較好的密封性，那么整個瓦斯抽采效率就不會有明顯降低。為了確保整個工作面密封性能的穩定，不僅要優化打孔密封技術，更要關注抽取過程中礦道的內應力變化情況，若出現波動明顯情況，需要做出及時調整，保證整個瓦斯抽采濃度不出現較大的下降。

本文從巖層開裂的縫隙入手，提出一套封堵裂縫的技術方案，有效改善瓦斯抽采后期礦道密封性差的問題。該技術方案具體步驟為：在抽采打孔工作完成后，向開裂的縫隙注入填充漿體材料，減少巖體結構的裂縫，在瓦斯抽取過程中若發現抽采濃度明顯下降，再對巖層縫隙進行二次加強注漿，此方法不僅減少裂縫的范圍，同時提高了密封效果。

(2)三囊袋封堵一體化裝置

我國煤礦行業瓦斯抽取的密封技術方案如下：第一是采用封孔器密封技術，該技術方案優點在于密封材料可重復使用，節省材料成本；缺點是密封效果不佳，密封材料不能填充整個縫隙，后期裂縫擴大后，密封材料無法做到持續密封，效果較差。第二是聚氨酯密封技術，該技術方案密封速度較快，節省時間成本，但密封材料強度較低，密封后期容易材料變形破碎。第三是水泥砂漿灌注密封技術，該方案適用于傾斜鉆孔的密封，若鉆孔角度較為平緩，水泥流動填充效果較差，達不到密封作用。綜上所述，密封不僅要保證初期效果良好，還要考慮后期裂縫擴大的密封性能。

為確保瓦斯抽取時，達到礦道初期與后期有較好的密封性能，本論文設計出一種三囊袋式封堵密封工具，該設備組成結構如圖1所示，圖中壓力閥為單向閥門，其功能是控制注漿的壓力，且兩個壓力閥的規定壓力值不同，1號壓力閥規定值為0.7MPa，2號壓力閥規定壓力值為1.4MPa。

圖1 三囊袋封堵一體化裝置

該裝置工作原理為：填充漿液通過注漿管流入囊袋中，囊袋放置在鉆孔內壁處，當漿液流入囊袋時，囊袋會逐漸膨脹并擠壓鉆孔的內壁，當漿液持續不斷地流入1號囊袋時，由于囊袋的濾水效果，水會被過濾到囊袋外部，而囊袋內部的漿液濃度則越來越高，當1號囊袋內部漿液的壓力大于1號壓力閥時，壓力閥會開啟，漿液則會流入1號注漿區域對周圍的裂縫進行注漿密封。隨著漿液的不斷涌入，1號區域內的漿液會通過管道流入2號注漿區域，隨即2號區域內的裂縫也會被注漿密封。

當瓦斯抽取后期，巖層裂縫逐漸擴大，并與周圍通道相互貫穿連接時，工作人員需將此設備中的堵漏管道與壓力泵相連，此時漿液會充滿3號囊袋，此時通過捆帶減小2號囊袋的中部面積，由于2號囊袋中部面積變小會與堵漏管相連接，而漿液受壓力泵的作用持續向注漿區域進行二次增壓注漿，所以后期擴大的裂縫也會被漿液填充，達到再次密封的效果。

(3)裂隙堵漏材料制備及試驗結果

由于地質結構與所承受應力較復雜，所以在鉆孔過程中裂縫的大小也是無規律可循的，通過研究，可按裂縫孔洞的大小不同分為以下三種類型：裂隙孔、滲流孔以及吸附孔。其中裂縫孔洞的直徑超過1μm，滲流孔洞的直徑在0.1μm到1μm之間，吸附孔洞直徑則不超過0.1μm。因為注漿材料有較好的流動性與填充性，所以本文提出的封堵方案對這三種裂隙孔洞都適用。

封堵方案中采用的注漿材料為有機與無機復合材料，其中有機成分為一種異氰酸酯材料，無機材料采用水玻璃，兩者通過特定的比例在催化劑的作用下復合為一種流動性與凝固性較好的高分子復合材料，通過實驗可知，該復合材料封堵效果明顯，適用于各種瓦斯抽采的鉆孔[2]。

3.現場工程應用

(1)試驗方案設計

①封孔深度優化。瓦斯抽取效果不僅受填充材料影響，封孔深度也會對抽取效果有較大的影響。在對鉆孔的裂縫進行注漿填充時，封孔的深度要控制在標準范圍內，若深度較淺，密封效果達不到標準，則鉆孔與礦道的泄壓區會出現漏氣現象。若封孔深度較深，不僅增加材料成本，抽采管道的插入也較困難，并且還會使部分裂縫處形成壓力空白區，導致瓦斯抽取不上來。通過現場實驗，封孔深度應大于礦道內煤壁的應力點距離，但不超過應力區域距離。在53103工作面中，煤壁與應力點之間的距離為6.8m處，煤壁應與應力集中區的距離為12m，所以理論上該工作面封孔深度要在6.8m與12m之間。但通過現場考察，該工作面掘進方式為掩護式，所以為了避免掘進孔洞與瓦斯抽取孔洞相互貫穿聯通，需把封孔深度增長到15m左右。

②試驗參數設計。在53103工作面的瓦斯抽取方案中，研究人員通過計算，如圖2的布置形式進行鉆孔抽采。該方案中抽取孔洞的傾角設計為-3°，打孔深度為120m，打孔直徑是94m。預計抽采孔洞數量為80個，孔與孔之間距離保持在4m左右。當工作面的抽采孔洞布置好之后，先注入硅酸鹽水泥進行初步填充封堵，孔洞內的裂縫幾乎能被密封，隨后進行瓦斯抽取工作。當瓦斯抽取時間到30天后，孔洞內出現裂縫擴大跡象，此時瓦斯抽采濃度會逐漸下降，所以先停止抽采工作，進行二次封堵作業。二次封堵采用復合注漿材料來填充衍生縫隙。與此同時，同樣一組孔洞二次封堵依然采用水泥，通過對比來獲得復合材料的封堵效果。

圖2 5310綜采工作面及瓦斯抽采鉆孔布置圖

(2)試驗結果分析

為了達到更準確的對比關系，以上實驗的兩組孔洞需進行100天的瓦斯抽取效果對比，圖3為試驗周期內瓦斯抽取的濃度變化曲線圖。通過圖中的曲線變化可知，封堵一體化方案抽取效果要優于傳統的二次水泥注漿方案。其原因在于封堵一體化方案采用了囊袋注漿，囊袋在充滿注漿液后會緊壓孔洞內壁，而產生的壓力達到了壓力閥的額定壓力值時開始注漿，在壓力的作用下填充材料會充滿整個裂縫，所以封堵效果較好，密封性高。當抽采工作進行到30天后進行二次封堵，通過對封堵數據計算，封堵一體化方案中的復合填充材料填充性能更好，在瓦斯抽取達到100天后，使用復合填充材料的瓦斯抽取濃度達到59.6%，而采用水泥的瓦斯抽取濃度只有17.2%。所以在二次注漿封堵中復合材料能填充更多的衍生裂縫，而水泥填充效果較差，所以本文提出的封堵一體技術方案效果更好。

圖3 瓦斯抽采鉆孔濃度變化曲線圖

通過對比曲線圖可知，復合材料的性能優越于水泥，在圖中抽取時間到30天后，復合材料的二次封堵后抽取的瓦斯濃度是用水泥封堵瓦斯濃度的1.6倍，其原因有以下三點：第一是填充裝置相比于以前更加先進，封堵一體化技術所運用的囊袋設計對后期衍生裂縫的填充效果更好，由于囊袋的壓力作用，細小的裂縫也能被填充材料充滿，所以二次密封相比于水泥效果更佳。第二，該注漿裝置中的壓力閥對填充材料起到導流作用，減少孔洞末端填充效果差而引起的瓦斯泄漏現象。第三，填充材料有較好的凝固性與較高的強度，在填充后期由于抽采作業的時間不斷延長，周圍巖體的強度逐步降低，而衍生裂縫逐漸增加，復合材料的凝固效果可減少后期裂縫的擴大，并且在填充后增強了煤層與巖層的整體強度，所以衍生裂縫與周圍縫隙的貫穿現象減少，瓦斯抽取濃度有所提升。通過曲線圖3可知，30天后的瓦斯抽取濃度明顯高于瓦斯抽采初期，所以此方案可行性較高。

4.結論

（1）在瓦斯抽取作業不斷地進行過程中，周圍巖層與煤層受地應力的作用強度會有所下降，且結構變化復雜，所以鉆孔內的衍生裂縫范圍逐漸擴大，瓦斯抽取的濃度也越來越低，本文提出的封堵一體化方案不但能對更小的裂縫進行全面填充，還能減少裂縫擴大，增強了瓦斯抽取效果。（2）通過抽取效果分析，本文的封堵技術方案后期抽取濃度高于傳統的封堵方案，平均抽取濃度是傳統抽取方案的兩倍。且本封堵方案的填充材料凝固性強，凝固時間與水泥相比更短，所以瓦斯抽取作業的耗時更少，節約了時間成本。此外復合填充材料的強度更高，所以工程的安全性也有所提升。