顺层钻孔胶囊封孔技术研究及应用

2013-11-06杨启军薛阙章石志亮

江西煤炭科技 2013年4期

杨启军，薛阙章，石志亮

（1.义煤河南大有能源股份有限公司技术中心瓦斯研究所，河南义马472300；2.义煤集团新义矿业公司，河南新安471821；3.郑煤集团国瑞煤业有限公司通风防突处，河南新密452371）

瓦斯灾害严重威胁矿井安全生产。目前，防治煤矿井下瓦斯灾害最有效的措施是瓦斯抽采，而我国95%以上高瓦斯和突出矿井属于低透气性煤层〔1－3〕，其透气性系数只有10－3～10－4mD〔3－5〕，煤层透气性差，加之目前瓦斯抽采钻孔封孔不严造成抽采过程中漏气严重，钻孔的瓦斯抽采浓度衰减较快，瓦斯抽采困难、瓦斯抽采效率低是国内突出矿井普遍存在的技术难题。为实现高负压、高浓度连续瓦斯抽采，着手开展了胶囊封孔技术研究。该技术已在义煤集团新义矿业公司12041工作面皮带顺槽本煤层钻孔进行了封孔应用，效果显著。

1 胶囊封孔技术封孔机理及配套设备研究

1.1 胶囊封孔技术封孔机理研究

胶囊封孔技术，是基于采煤工作面煤壁内存在应力扰动沟通的裂隙，利用带压注浆方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密封微孔裂隙的目的。该胶囊封孔技术的具体施工工艺为：封孔前利用压风吹净孔内钻屑，然后将胶囊封孔器和抽采花管置入钻孔预定位置，利用专用风动双液注浆泵将A、B两种封孔材料经注浆泵混合枪头注入胶囊；在注浆泵的压力下，封孔材料充满整个胶囊，胶囊与钻孔内壁紧密接触，初步实现了封孔效果。由于胶囊两端采用的是防渗透材料而胶囊中部采用的是可渗透材料，随着注浆泵继续泵入封孔材料，在强大的注浆压力下，封孔材料从胶囊中部透过到达胶囊和钻孔之间的空隙，充满整个空间并向煤体裂隙内部运移，从而实现密闭瓦斯泄漏通道的目的（见图1）。

图1 胶囊封孔技术封孔系统示意

1.2 胶囊封孔技术配套设备的研制

1.2.1 胶囊封孔器胶囊研制

胶囊封孔器胶囊采用特殊材料制成，由特殊罗纹布和高密封无污染橡胶材料两部分构成，胶囊的大小和长度可以根据需要定制。胶囊用罗纹布具有伸缩性，即胶囊的直径可以胀大，且胶囊罗纹布在较高的压力下具有渗透性能，胶囊两端采用橡胶密封。

1.2.2 胶囊封孔用注浆材料研制

胶囊封孔注浆材料应具有膨胀、速凝、可注性等特点。为实现良好的封孔效果，在满足上述要求的基础上，成功研制了双液型注浆封孔材料，该材料渗透性好，固结强度高，凝结时间可调，可操作性强。

1.2.3 胶囊封孔用注浆泵研制

为实现A、B两种封孔材料均匀混合并具备一定的压力注入封孔器，结合井下现有压风资源研制了体积小、重量轻、移动方便以压风为动力的封孔用注浆泵，并研制了高密封、免清洗、自动混合枪头。

2 胶囊封孔技术瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的确定

瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的范围必须超过巷道松动区范围，但同时又要小于巷道煤壁应力峰值点的深度。由于钻屑量沿钻孔的变化与沿钻进方向煤体内的应力变化趋势一致，因此，可以从钻屑量的变化规律分析煤体内的应力分布规律，从而确定出松动区的范围和应力峰值点的位置，为确定合理封孔深度提供依据。经现场实测，抽采钻孔合理封孔深度应在钻孔7～9m深度位置。

3 胶囊封孔技术现场应用

3.1 试验工作面及现场应用情况简介

本次试验地点为义煤集团新义矿业公司12041工作面皮带顺槽。在皮带顺槽施工了巷帮本煤层钻孔，钻孔孔径Φ89mm，孔间距3m，钻孔仰角2°；钻孔开孔位置距巷道顶板1.4m，钻孔深72m，施工完毕后及时进行了封孔，封孔段长度均为8m。

3.2 应用效果分析

试验钻孔自2011年12月5日开始施工，自2011年12月9日施工完毕。各钻孔施工结束后立即封孔、联管抽采并监测抽采浓度。本次共计封孔12个，其中采用聚氨酯－水泥砂浆所封钻孔3个，采用胶囊封孔技术所封钻孔9个。各试验钻孔抽采浓度随抽采时间变化折线见图2，采用聚氨酯－水泥砂浆封孔钻孔及采用胶囊封孔技术所封钻孔平均抽采浓度随抽采时间变化折线见图3。

图2 各试验钻孔抽采浓度随抽采时间变化折线

图3 两种封孔方法下钻孔平均瓦斯抽采浓度随抽采时间变化折线

通过图2、图3可以得出以下结论：

（1）采用聚氨酯－水泥砂浆封孔法对抽采钻孔进行封孔后，钻孔最大抽采浓度可达75.1%，但持续时间较短；采用胶囊封孔技术后，钻孔最大抽采浓度可达89%，表明采用该技术后，钻孔的密封效果更好，正是由于新型瓦斯抽采钻孔封孔法不仅密封了钻孔，还封堵了钻孔内壁与煤层沟通的发育裂隙，才实现了钻孔瓦斯较高浓度的抽采。

（2）由图2可知，采用聚氨酯－水泥砂浆封孔的大部分抽采钻孔，在抽采7天后就发生抽采浓度急剧衰减的现象，这是由于膨胀后的聚氨酯几乎没有抗压强度，不足以抵抗在地应力的作用下钻孔周围煤体的变形，而由于煤层倾角较小，水泥砂浆不能充满整个钻孔封孔段空间，在高地应力作用下，固化的聚氨酯材料被压缩，造成固化的聚氨酯与钻孔内壁出现裂隙而漏气；而胶囊封孔材料在封孔初期就对钻孔施加支护力，限制钻孔变形，保持钻孔的稳定，避免了上述漏气现象，因此能保持在相对较长时间内实现较高浓度的稳定抽采。

（3）由图3可知，经过91天的抽采，采用胶囊封孔技术后，钻孔平均最大抽采浓度达64.7%，最小平均抽采浓度为34.3%；而采用聚氨酯－水泥砂浆封孔后，钻孔平均最大抽采浓度为43.8%，最小平均抽采浓度为6.8%。采用胶囊封孔技术后，钻孔平均抽采浓度较聚氨酯封孔方法提升95%以上，且在91天的抽采过程中一直保持较高的抽采浓度（34%以上），而聚氨酯－水泥砂浆封孔钻孔经过35天的抽采后平均抽采浓度已不足20%。

综上所述，采用胶囊封孔技术的抽采钻孔有效地抵抗了地应力作用下钻孔周围煤体的变形，钻孔的密封效果得到了提升，钻孔的平均瓦斯抽采浓度较聚氨酯－水泥砂浆封孔法有较大程度的提高，具有较大的优越性。目前该技术已在义煤集团千秋煤矿、孟津煤矿、义安矿业公司、新安煤矿、新义矿业公司等推广应用，具有广阔的应用前景。