坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究

方前程 黄渊跃 刘学服

（1.湖南省煤炭科学研究所，湖南省长沙市，410004；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南省长沙市，410083）

坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究

方前程1，2黄渊跃1刘学服1

（1.湖南省煤炭科学研究所，湖南省长沙市，410004；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南省长沙市，410083）

针对传统的聚氨酯封孔工艺存在的缺陷，在实践的基础上，总结出了采用聚氨酯－膨胀水泥砂浆封孔技术，实践表明，该技术的应用提高了矿井的瓦斯抽采率，解决了抽放过程中抽放钻孔漏气及抽放率低等问题。

瓦斯抽放 聚氨酯 膨胀水泥 封孔工艺

我国煤矿大多数是瓦斯矿井，瓦斯事故为煤矿生产中最严重的自然灾害之一。抽采瓦斯是解决矿井瓦斯含量高、瓦斯涌出量大等问题中最根本的措施，影响矿井瓦斯抽放效果的因素是多方面的，其中抽放钻孔的封孔质量是做好抽放工作的最基础的保障性措施。坦家冲矿是我国著名的煤与瓦斯突出矿井，一直致力于瓦斯抽采高效技术的探索。随着开采深度的增加，采区地应力及瓦斯含量逐步增大，加之煤质松软，采用聚氨酯封孔后，钻孔边缘部位漏气严重，导致抽放效率低，不能有效地消除突出危险，故进行了新型封孔材料的试验探索。

1 矿井抽放系统概况

坦家冲矿地质构造较复杂，井田内顶底板受构造应力的影响明显，近年来，随着矿井开采深度的增加，造成开采区域内地应力大、瓦斯含量及压力逐步增大，给矿井采掘活动造成较大影响。现采掘活动区域2264工作面的瓦斯含量原始最高已达到15.09m3／t，原始瓦斯压力为0.78～1.55MPa，瓦斯放散初速度为14.3～20.6ml／s，2010年矿井瓦斯等级鉴定的绝对瓦斯涌出量达到64.5m3／min，2011年矿井瓦斯等级鉴定的绝对瓦斯涌出量为77.46m3／min，透气性系数仅为0.0116～0.0520m2／（MPa2·d），这些不利因素都导致矿井瓦斯抽采难度增大。

该矿建立了地面永久瓦斯抽放泵站，目前全矿在抽钻孔533个，矿井抽放量为15.74m3／min，其中本煤层抽放量为14.56m3／min，矿井抽放率维持在19%左右，其余钻孔因浓度低于8%而关闭。

2 矿井抽放效率低的原因分析

在相同抽放系统下，瓦斯抽出量大小与瓦斯抽放工艺、抽放钻孔布孔方式、通风系统、煤产量大小及工作面长度、工作面推进速度和井下煤层开拓及开采间隔时间等因素有关。影响矿井抽放效率的因素主要有：抽放设备；抽放管网；抽放钻机；抽放钻孔间距；钻孔的封孔工艺及抽放负压。坦家冲矿井瓦斯抽放系统的实际情况主要归纳为4个方面。

2.1 抽放周期短

由于煤体透气性差，瓦斯衰减快，瓦斯来源补充有限，抽放难度较大；同时构造发育、煤层松软，造成抽采钻孔易塌孔、成孔率低，抽采效果非常差。

以2263进风巷试验孔为例，抽放20d后钻孔抽放浓度平均衰减19%左右，抽放100d后钻孔抽放浓度平均衰减26%左右。由于抽放衰减较快，新接抽钻孔仅能弥补抽放衰减所损失的部分，使抽放总量维持一个较稳定水平。

2.2 抽放钻孔少

工程量小：钻孔工程量不足是导致瓦斯抽放率偏低的主要原因之一。按2263工作面在抽钻孔最多时586个计算，其吨煤钻孔量仅为0.03m3，远低于其他矿井。

在抽钻孔少：目前全矿在抽钻孔仅533个，其中2264抽放泵站覆盖抽放区域在抽钻孔294个，抽放量为14.24m3／min，占抽放总量的91%；而2263采空区和2261抽放泵站抽放区域在抽钻孔合计239个，抽放纯量合计1.49m3／min，仅占抽放总量的9%。

表1 抽放钻孔参数表

2.3 抽放管路漏气严重

针对井下本煤层瓦斯抽放浓度低、负压小的问题，抽放队对井下抽放系统进行了全面普查和整改。尽管如此，抽放系统漏气现象仍然普遍存在。通过对抽放主管加接防漏气装置，抽放管路漏气现象基本得到有效控制。但部分钻孔仍然存在封孔不严、孔口漏气现象，造成抽放系统短路，钻孔孔口负压降低，致使抽放浓度低影响抽放效果。其中43064泵站抽放区域146个钻孔，漏气现象极为严重，钻孔浓度和孔口负压均达不到抽放标准，该部分钻孔占全矿井在抽钻孔数的45%，均无法得到有效抽放效果。

2.4 抽放负压与抽放量不匹配

原2264抽放泵站负压为20kPa左右，回风巷及孔口负压为10kPa左右；通过对抽放系统整改，负压现已达到48kPa左右，2263工作面3条回风巷及孔口负压均在40kPa左右。而为了进一步提高矿井瓦斯抽放率，采取了关闭低浓度钻孔的措施，这样在原有的抽放负压条件下，在抽的钻孔数量较少，使得在抽的钻孔内瓦斯流量较小。虽然能提高部分区域内抽放管路中的瓦斯浓度，但矿井瓦斯抽采率并未提高。

3 封孔工艺改进

3.1 聚氨酯封孔

抽放钻孔普遍采用聚氨酯材料进行封孔，该方法是采用3种不同的化学药剂，按照一定的混合比例调配，将配好的药液均匀涂抹在绑有棉纱布的封孔器或抽放管路上，在膨胀发泡前送入钻孔，待膨胀充分密封钻孔后进行抽放作业，见图1。

图1 聚氨酯封孔装置示意图

在2264进风巷进行了现场试验操作，封孔抽放后发现，抽放钻孔单孔及抽放管路中的瓦斯浓度偏低。经现场检查发现，孔口负压直线下降，而管路及钻孔连接头处未漏气。经过研究分析，单纯用聚氨酯封孔导致瓦斯抽放浓度偏低的原因有如下3个方面：

（1）该封孔方式的钻孔长度有限，一般封孔器的长度仅为3m，故封孔段长度小于3m，不能实现长距离多方位保障措施，导致钻孔内抽放负压较低，最大只能达到9～10kPa，未能影响到钻孔深处的钻孔瓦斯；

（2）由于该工作面地应力较大，在实行封孔后，钻孔内受到顶板挤压，凝固的聚氨酯在应力挤压下出现裂缝，导致漏气。

（3）从现场调查得出，由于该工作面煤质松软，在打钻成孔期间受到钻机的扰动影响，在钻孔周围形成裂隙，而该封孔方式未能完全填满钻孔周围的次生裂隙，使得抽放负压与巷道内大气连通，造成漏气。

3.2 聚氨酯－膨胀水泥封孔

为了提高瓦斯抽放效果，一般的矿井都普遍采用“高负压”的抽放方式，而采用聚氨酯封孔导致抽放效率低，不能很好地降低开采煤层瓦斯。经过探索研究，提出了“聚氨酯－膨胀水泥”封孔方式，该方法的实质是将抽放钻孔的封孔段用高分倍膨胀水泥砂浆填满，聚氨酯作为封孔的一种辅助材料，其中封孔段长度加长至12m。

图2 聚氨酯－膨胀水泥封孔工艺示意图

该封孔材料选用抚顺研究院研制的一种新型封孔材料，它是由膨胀率大、密封性好、粘合力强并且绝缘阻燃的煤矿专用合成树脂（由A、B两种液体组成），膨胀率达20倍以上，膨胀时间为2～5 min，能保证在抽放负压为60～80kPa条件下钻孔的密封效果。

聚氨脂－膨胀水泥封孔工艺示意图见图2。具体操作步骤为：

（1）取出足量的A、B胶，然后在连好的封孔管接口处缠3～5m的白布，将取出的A、B胶均匀倒入裹好的白布内，使用工具搅拌均匀，待发泡开始，将缠好白布带胶的封孔管塞进孔内，外露长度保持300mm；

（2）使用风动水泥注浆泵往抽放钻孔内注入水泥砂浆进行二次封孔，使用风动注浆泵向孔内注浆，直到水泥从排气孔内流出后停止注浆。然后将外露的排气管口封严。排气管不透气后，继续注浆，直到水泥从孔口石膏处溢出，结束注浆。

（3）下行孔将注浆管伸进孔内约8m左右，排气管伸入孔口1m，孔口用石膏封口；上行孔将排气管伸入孔内约8m左右，注浆管伸入孔口1 m，孔口用石膏封口；水平孔应视现场情况确定注浆管和排气管深入钻孔的长度及位置，保证水泥能将钻孔封堵严密。

3.3 封孔效果考察

为了能考察传统聚氨酯封孔与膨胀水泥－聚氨酯组合封孔工艺对坦家冲矿瓦斯抽放钻孔的适应性，在2263进风巷施工钻孔60个，选取了各个封孔工艺中效果较明显的几组钻孔进行了考察分析，结果见图3。

图3 不同封孔工艺的钻孔瓦斯抽放浓度及纯量对比

由图3中可以得出，在相同的抽放负压条件下，应用膨胀水泥－聚氨酯组合材料封孔比传统聚氨酯封孔效果显著，相同的条件下，瓦斯抽放效率提高了近16.6%。

4 结论与建议

聚氨酯－膨胀水泥封孔工艺可以在较高的外界压力下，使膨胀水泥能很好地充填钻孔内煤体的原生裂隙和次生裂隙，有效杜绝了钻孔壁漏气问题。与单纯应用聚氨酯封孔工艺相比，聚氨酯－膨胀水泥封孔工艺进一步提高了矿井的瓦斯抽放率，为矿井应用水力化措施增大煤层透气性以提高瓦斯抽采率提供了有力保证。

［1］ 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2005

［2］ 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2004

［3］ 王显政.煤矿安全新技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2002

［4］ 中国煤炭工业保护科学技术学会.瓦斯灾害防治技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

［5］ 林柏泉.影响煤层瓦斯抽放的因素及其分析［J］.煤矿安全，1999（9）

［6］ 张爱然.瓦斯抽放效果的影响因素分析及对策［J］.山西大同大学学报，2009（4）

Study on gas drainage borehole sealing technique for Tanjiachong Coal Mine

Fang Qiancheng1，2，Huang Yuanyue1，Liu Xuefu1
（1.Coal Science Research Institute of Hunan Province，Changsha，Hunan 410004，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China）

Aimed at the defects of borehole sealing by polyurethane，a new technique was proposed for the borehole sealing by polyurethane and expandable cementmortar.The application showed that the gas drainage efficiency was enhanced and the problem such as gas leakage during the gas drainage was solved.

gas drainage，polyurethane，expandable cement，borehole sealing technique

TD712.6

A

方前程（1982－），男，河南汝南人，工程师，现就职于湖南省煤炭科学研究所，任副主任，主要从事瓦斯灾害治理方面的研究。

（责任编辑 梁子荣）