新型有机封孔材料及应用工艺研究

许向彬

(中国煤炭科工集团有限公司 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

新型有机封孔材料及应用工艺研究

许向彬

(中国煤炭科工集团有限公司 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

针对谢一矿B11b煤层瓦斯含量高，顶板透气性差，煤层结构复杂，瓦斯排放困难的问题，提出采用一种新型的有机材料注浆封孔的措施。根据现场的实际情况和该有机封孔材料的特性，选取了合理的封孔工艺。通过该有机封孔材料封孔，钻场的瓦斯抽采浓度为85.1%，明显高于使用传统水泥封孔的钻场浓度。

有机封孔材料；瓦斯；钻孔封孔

煤层气(又称瓦斯)是煤炭生成过程中的伴生气体，其主要成分为甲烷。它是煤矿开采的第一杀手，瓦斯爆炸引起的事故约占70%～80%，同时瓦斯也是一种新的重要能源，我国埋深浅于2000m的煤层气资源总量与国内常规天然气储量相当。然而，我国目前煤层气的利用率普遍偏低，造成这一现象的主要原因是井下煤层气的抽采浓度过低[1]。在瓦斯抽采过程中，由于煤层钻孔和抽采管路处于长时间不间断负压环境，加之多数煤矿的煤层渗透率低，本身出气速率低，煤层钻孔和抽采管路的密闭性成为影响瓦斯抽采浓度的关键因素[2-4]。鉴于此，研究和发展瓦斯抽采的高质量封孔材料及工艺就显得尤为重要。目前，采用的封孔材料有黏土/水泥砂浆封孔、水泥封孔、聚氨酯封孔材料等。采用以上封孔材料及工艺或多或少存在封孔长度短、抽采负压不大、抽采浓度低、封孔工艺不易操作等缺点[5-9]。

针对这一问题，中国煤炭科工集团有限公司重庆研究院有限公司专门研发了一种新型有机封孔材料及配套封孔工艺。该有机封孔材料具有裂隙渗透能力和抗收缩能力强、反应温度低，阻燃抗静电性能优异等一系列特性。本文对比水泥砂浆材料，介绍了该有机封孔材料在淮南谢一矿中的封孔工艺和效果。

1 矿井概况

淮南煤田位于华北地台南缘，淮南-豫西台陷带内，地质褶皱变形严重。谢一矿位于淮南煤田南缘，在阜凤逆掩断层和瞬耕山逆掩断层之间，属于八公山单斜构造区。井田煤系地层倾向NE，走向N20°～40°W，地层倾角10～38°，平均倾角23°。勘探和开采实践证实，本井田地质构造属中等类型，没有大的褶曲构造和倒转现象，仅沿走向及倾向局部有较为宽缓的波状褶曲，其表现为地层倾角沿走向发生缓慢变化。井田内主要以断裂构造为主，中、小型断层发育，整个井田被数条走向近NW，倾向NE或SW的斜切强扭转性大、中型正断层所控制，逆断层极少见。谢一矿建井和生产过程中，发生过多次煤与瓦斯突出，1000t以上特大型突出1次，大型突出2次，中型突出7次，其余为小型突出，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。

B11b煤层是谢一矿瓦斯最突出的煤层之一，B11b煤厚1.3～7.1m，平均厚度为3.60m。B11b煤层瓦斯含量高，且顶板透气性差，煤层结构复杂，瓦斯排放困难。在-817mB11b抽采巷25号钻场利用新型有机封孔材料经行封孔实验，为了突出封孔效果，在25号钻场旁的22号、23号、24号钻场用水泥砂浆封孔作对比。

2 新型有机封孔材料

新型有机封孔材料是由A，B两种组分构成，封孔施工时两种组分以1∶1的体积比均匀混合，通过泡沫封孔自动化装置注入到煤矿瓦斯钻孔的指定深度，现场反应发泡固化。该泡沫材料无毒、耐水解、无环境污染，反应时间根据井下实际环境和具体施工需要而调整，并且材料高强度和良好的韧性保证其能最大限度地降低煤层压力对封孔材料密封性的影响。经过实验模拟和分析，该有机封孔材料的样品和性能参数分别见表1和图1。

表1 新型有机封孔材料的基本性能参数

图1 新型有机封孔材料样品

3 注浆设备

ZBQS-18/6气动注浆泵是按该有机封孔材料的物理与化学性质而专门设计的矿用注浆泵，主要由双作用式气动增压泵、气缸、油缸、混合原件、气源附件、吸浆管、排浆管和支撑钢架组成。气动注浆泵以压缩空气作动力，具有注浆压力大、注浆流量大、移动方便、安装简单、操作简便等优点，可满足有机封孔材料在煤矿井下的封孔需要，其性能参数见表2。

表2 气动注浆泵装置技术参数

4 封孔工艺

使用封孔材料时应满足：封孔工艺简单，便于操作施工；封孔材料要密实，并要满足一定的强度要求；封孔效率高，整体成本低；封孔速度快，不影响煤矿掘进进度。根据以上的原则和对钻孔微裂隙进行密封的要求，并利用该有机封孔材料的特点和自成形封孔挡板采用压力封孔。自成形封孔挡板是一种透气性的开孔泡沫材料(如图2(b)所示)，泡孔直径为200～500μm。封孔挡板在瓦斯抽放管两端发泡形成的密闭空间保证了有机封孔材料依靠自身发泡膨胀压力向煤层裂隙渗透和膨胀，同时封孔挡板泡孔的开孔结构还能起到注浆时排气的作用。

该有机封孔材料的具体施工工艺为：下瓦斯抽放管时，在离孔口12m和孔口处的抽放管上扎上2袋专用封孔袋，同时将4m的注浆管一同插入孔内，5～10min后封孔袋膨胀破裂形成封孔挡板(如图2(a)所示)；30min后，用ZBQS-18/6注浆泵进行注浆；A，B组分在泵压和膨胀压力下迅速充满钻孔，并向煤层裂隙渗透形成枝状浆脉相互交叉的网状结构(如图2(a)所示)；与自成形封孔挡板不同的是，封孔材料是一种高强度的闭孔泡沫材料，保证了煤层抽采管路的密闭性。

同样方法注下一个孔，注浆完毕后，用机油清洗注浆泵。

图2 封孔工艺

5 封孔效果

图3为新型有机封孔材料与水泥封孔材料所得到的钻场合茬24h后平均瓦斯抽采浓度。其中25号钻场使用新型有机封孔材料封孔，22号，23号，24号钻场使用水泥封孔材料封孔，使用有机封孔材料的25号钻场抽采浓度为85.1%，明显高于使用水泥封孔的22号(46.9%)，23号(50.2%)，24号(45.6%)钻场浓度。这表明该有机封孔材料比水泥封孔效果更加优异。

图3 两种封孔材料在钻场合茬24h后瓦斯抽采浓度

有机封孔材料优异的封孔效果是材料独特的性能和与之相应的封孔工艺所致。首先，该有机封孔材料为反应型高分子材料，反应过程中生成大量聚脲结构，这些刚性结构能抵抗大气压力，进而提高了材料尺寸稳定性；其次，该有机封孔材料基材的微观结构是一个具有柔顺性的长链结构，该结构决定了材料能保持相当的韧性，可以抵抗煤层(或岩层)一定的变形，能够保证长时间的钻孔密封性；然后，该有机封孔材料A，B组分在泵压和自身发泡形成的膨胀压力的作用下，不但可以迅速充满钻孔，而且由于A，B组分的粘度较低，还可向

钻孔周围煤层裂隙渗透、膨胀，最终形成枝状浆脉相互交叉的网状结构，对钻孔周边的煤岩体起到了充填和密闭效果，提高了钻孔整体封孔效果。

6 结 论

新型有机封孔材料在淮南谢一矿应用表明，材料的固化速度快、封孔工艺简单、封孔效率高，为煤矿的正常掘进提供了保障。有机封孔材料在注浆压力的作用下，注满钻孔的同时，还在钻孔周边形成了枝状浆脉相互交叉的网状结构，对煤岩体起到充填和密闭效果，提高了钻孔整体封孔效果。使用有机封孔材料的钻场瓦斯抽采浓度为85.1%，明显高于使用水泥封孔的其他钻场。谢一矿经过新型有机封孔材料封孔以后，实现了瓦斯气体高浓度抽采，同时也保障了煤矿的安全平稳生产。

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[责任编辑：王兴库]

New-styleOrganicHoleSealingMaterialandApplicationTechnique

XU Xiang-bin

(Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology Engineering Group Co., Ltd., Chongqing 400037, China)

In order to solve methane drainage difficult problem induced by high methane content, bad roof permeability and complex coal-seam structure of B11b Coal-seam in Xieyi Colliery, applying new-style organic hole-sealing material was put forward.Rational bore-hole sealing technique was selected on the basis of field condition and organic hole-sealing material characteristic.By applying the organic hole-sealing material, methane drainage concentration of bore-hole field reached 85.1%, which was obviously higher than that of bore-hole sealed with traditional cement.

organic hole-sealing material; methane; bore-hole sealing

2014-04-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.041

科技部科研院所技术开发研究专项资金(2013EG122195)

许向彬(1980-)，男，重庆人，博士研究生，高级工程师，中国煤炭科工集团有限公司重庆研究院有限公司矿用新材料研究所所长助理，主要从事矿用高分子材料和功能高分子材料研究。

许向彬.新型有机封孔材料及应用工艺研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：136-138.

TD712.6

A

1006-6225(2014)04-0136-03