定点定长度新型封孔工艺及工业性试验研究＊

王圣程 周福宝 刘应科

（中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116）

瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本性措施。煤层瓦斯抽采在地下煤层组开采或煤层气抽采工程中，由于采动或抽采引起瓦斯在煤岩中的运移，同时引起煤岩体的固体骨架所承受的有效应力变化，导致抽采钻孔周围煤层孔隙压力变化，结果产生导气的微裂隙或裂纹网络，外界空气在抽采负压的作用下易从这些裂隙通道进入抽采钻孔内，从而导致瓦斯抽采浓度下降，缩短了抽采钻孔的有效抽采寿命，降低了钻孔的利用率。据统计，我国约有65%的回采工作面顺层钻孔的预抽瓦斯浓度低于30%。

当前国内外采用的封孔技术主要有黄泥（水泥团）封孔、机械注水泥砂浆封孔、发泡聚合材料封孔、封孔器封孔、“聚氨酯＋水泥浆”封孔等。总体上来看，这些封孔工艺都存在一个特点：钻孔密封后，巷道形成裂隙圈的深度超过了封孔的深度，裂隙圈内裂隙将会与抽采钻孔沟通，构成了钻孔短路风流的通道，这些通道影响了抽采钻孔的气密性，导致抽采浓度下降，钻孔的瓦斯抽采率和抽采量不能满足煤矿安全生产的要求；还有一个普遍现象：封孔深度和封孔长度相同，浪费封孔材料。

针对上述问题，结合山脚树矿实际情况，提出了定点定长密封钻孔的新工艺，取得了显著效果。

1 矿井及工作面概况

山脚树煤矿是贵州盘江精煤股份有限公司现有的6对生产矿井之一。矿区走向长5.3k m，倾斜宽3.5k m，井田面积18.3k m2，生产能力180万t／a。本矿采用斜井分水平分区式开拓，走向长壁后退式采煤，全部垮落式顶板管理，由上而下的开采方法，矿井通风采用机械抽出式通风。矿区煤层瓦斯含量高，属煤与瓦斯突出矿井。

实施封孔试验的22185工作面位于山脚树矿18＃煤层。该煤层距17＃煤层平均距离为14m，煤层厚度平均3m，倾角8°，煤层稳定。18＃煤层煤体密度1.39t／m3，绝对瓦斯压力为0.82MP a，透气性系数为0.17805m2／（MP a2·d），百米钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1422d－1，坚固性系数为0.78，瓦斯放散初速度Δ p为600P a，瓦斯含量平均为7.263m3／t。

2 新型封孔工艺技术原理

2.1 钻孔裂隙场的形成

抽采钻孔周围裂隙场的产生主要分两个阶段：第一阶段是采煤工作面形成过程中产生的巷道松动圈裂隙；第二阶段是钻孔形成过程中产生的裂隙。

图1 钻孔周围裂隙带分布

第一阶段是在采煤工作面形成过程中巷帮由外到里存在巷道宽3～5倍的松动圈。松动圈内原始煤体节理构造被破坏，受到的拉力和剪切应力增加，煤体结构发生脆性破坏，由于非连续性小裂纹、煤体内孔隙、大型非连续地质界面、小型非连续结构面等的存在，这种脆性破坏更为严重。由于受到这种脆性破坏，原始存在于煤体中的小裂纹将沿着与最大拉应力呈直角的方向扩展、起裂，继而发育，彼此导通。

第二阶段是钻孔形成过程中，钻头的机械钻进破坏了煤体的完整性，不管是使用水力还是风力排渣，都会对孔壁周边煤体造成破裂损伤从而产生裂隙。钻孔成型以后，受到钻孔松动影响，煤体原有应力场平衡被破坏，钻孔周边煤体产生新的损伤和破坏，钻孔径向一定范围内也形成卸压松动圈。钻孔周围的裂隙带见图1。

2.2 封孔深度的确定

钻孔周围存在像巷道松动圈一样的裂隙带，它周围的漏风不可避免。在封孔过程中，只能使封孔深度达到巷道裂隙带以外的地方，避开巷道裂隙带对封孔效果的影响。

沿煤层掘进巷道后，巷道周围煤体由外向里依次形成卸压带、应力集中带和原始应力带（简称为巷道“三带”）。巷道裂隙带所处的位置是卸压带，煤体应力的变化会造成不同深度煤体的钻屑量变化，因此采用向巷帮打钻的方法，测定不同深度煤体的煤屑量S值，可以初步确定巷道卸压带所处的深度，从而确定钻孔封孔深度。

在22185运输巷每隔10m选择5个地点，每个地点用煤电钻向两帮施工1个ø 42mm顺煤层钻孔，单孔长度为10m；钻孔施工过程中，每钻进1m，用弹簧秤测定一次钻屑量S值，每个钻孔的钻屑量S随深度变化如图2所示。

图2 各钻孔钻屑量随深度变化图

由图2可以看出，钻屑量S在1～8m有逐渐增加的整体趋势，而钻屑量S取最大值所处的区域为7m≤X≤8m，反映出巷道卸压带在巷道向内8m范围内，为了提高封孔的效果，防止抽采漏气，结合山脚树矿煤层构造裂隙发育的特点，确定封孔深度为8m。

2.3 封孔段长度的确定

封孔长度是瓦斯抽采钻孔密封的一个重要参数。在确定抽采钻孔封孔长度时，应坚持“保证不吸入空气，又使封孔长度尽量缩短”的原则。经过查阅大量资料和现场实践，封孔长度确定为3m。封孔段长度的确定，在保证封孔效果的同时，减少封孔材料的使用量，节约成本。图3为封孔深度确定为8m和封孔段长度确定为3m后的封孔示意图。

图3 封孔示意图

3 现场应用

山脚树煤矿封孔工艺以前采用的是卷缠聚氨酯药液法，封孔深度和长度都是5m，由于封孔深度处在巷道裂隙圈范围内，经过15～20d的抽采，瓦斯抽采浓度由初期的30%～70%降低到10%～30%，钻孔有效抽采期偏短，严重影响了民用瓦斯的供应，给矿区附近居民生产生活用气带来不便；同时，大量的瓦斯不能被抽出，在采掘过程中易出现瓦斯超限的现象，给矿井的安全、高效生产带来隐患。

3.1 设计方案

在22185工作面实施钻孔20个，其中新型封孔工艺试验组10个，对照组原封孔方法封孔10个。封孔时间同步，浓度观测同步。钻孔参数设计见表1。

3.2 封孔效果分析

在封孔后一个月时间内，采用高浓度瓦斯测定仪对每个钻孔瓦斯浓度进行测定，利用压差法对每个钻孔的混合流量进行计算，得出试验组和对照组平均抽采浓度和单孔平均瓦斯抽采量对比，瓦斯抽采参数及对比结果见表2。

表1 钻孔参数设计表

表2 瓦斯抽采参数表

分析表2得出：定点定长度新型封孔工艺比原封孔方法平均瓦斯抽采浓度提高了17.2%，单孔平均多抽采瓦斯911.9m3，煤层瓦斯抽采率增加18.2%；这表明新型封孔工艺有效避开了巷道裂隙圈，钻孔的漏风量减少，提高了瓦斯抽采效果。

采用新的封孔工艺，在不增加劳动量的情况下实现了定点定长度封孔，封孔成本降低了40%。

［1］ 俞启香.矿井瓦斯防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992

［2］ 周福宝，李金海，昃玺等.煤层瓦斯抽采钻孔的二次封孔方法研究［J］.中国矿业大学学报，2009（6）

［3］ 刘春，宋小林，周福宝等.带压定向注浆封孔技术在比德煤矿的应用［J］.中国煤炭，2011（4）

［4］ 王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨［J］.焦作工学院学报（自然科学版），2003（4）

［5］ 丁守垠，李德参.煤层抽放钻孔合理封孔深度的确定［J］.淮南职业技术学院学报，2009（1）

［6］ 龚敏，刘万波，王德胜等.提高煤矿瓦斯抽放效果的控制爆破技术［J］.北京科技大学学报，2006（3）