LH—WFN—I型快速囊袋封孔装置顺层瓦斯抽采钻孔新技术及其应用
2014-12-24翁奇
摘 要：顺层钻孔预抽瓦斯技术受煤层条件和封孔质量的影响效果较差，为了进一步提高彬长集团大佛寺矿的瓦斯抽采率，矿方决定采用主动式膨胀支护封孔原理研制的快速囊袋式注浆封孔装置，该装置可以显著增加注浆时的注浆压力，有效的封闭钻孔周围裂隙，使钻孔封孔长度变得可控、可调，有效的解决了封孔中存在的钻孔浓度。
关键词：顺层钻孔；瓦斯抽采；快速囊袋式注浆封孔装置
1 概述
瓦斯治理与利用的根本措施和主要途径是瓦斯抽采，最大限度的预抽瓦斯，防止瓦斯超限及瓦斯突出，而瓦斯抽采的效率主要受封孔效果的影响[1]，因此现阶段的瓦斯抽采抽放技术研究主要集中在封孔工艺方面，包括封孔装置、封孔材料、封孔设备等。顺层钻孔预抽瓦斯是现阶段各高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井主要采用的一种区域性抽采和防突技术，该技术有效地防治了煤与瓦斯突出事故的发生，但在实际施工中，由于钻孔在煤层中施工，周围煤体相对比较松软，裂隙发育程度较高，钻孔成型效果差，同时封孔质量不高，诸多因素造成顺层钻孔瓦斯抽采的浓度低下、漏气率高、抽采效果不佳，大量集聚瓦斯得不到有效抽采，严重威胁矿井的安全、高效生产[2-5]。
彬长矿区大佛寺矿是一座现代化的高产高效矿井，随着开采强度的增大和开采条件日趋复杂，瓦斯已成为制约矿井发展的主要因素之一。该矿自2012年初使用陕西蓝海科技有限公司和中国矿业大学共同研发生产的LHFK-1型封孔剂两年多来，瓦斯抽采率大幅度提升；为了进一步提升瓦斯抽采率，缩短施工周期和提高密封效果，经过市场考察及研究决定采用陕西蓝海最新产品LHFK-1型快速囊袋封孔装置配合LHFK-1型封孔剂使用，选定在大佛寺矿井的西二总回二号联巷钻场预抽钻孔进行全程密封试验；采用新装置及新技术后，钻孔封孔质量及瓦斯抽放效果显著提升。
2 工作面概况
顺层瓦斯抽采钻孔采用LHFK-1型快速囊袋封孔装置配合LHFK-1型封孔剂封孔实验工作面为陕西彬长矿业集团大佛寺矿西二总回二号联巷，该工作面煤体松软、裂隙发育程度高、瓦斯预抽钻孔成孔率较低，塌孔现象非常严重。
大佛寺煤矿过去一直采用的是先将马丽散封堵钻孔两端再进行带压注浆的封孔工艺，由于马丽散自身存在着反应速度过快，反应时间难以控制，凝固后硬度过低，密度小等缺点，导致钻孔两端封堵不严实，在后期的注浆过程中承压能力有限，钻孔封孔密实性差，瓦斯抽采浓度普遍较低，更有甚者出现一部分钻孔漏气现象，极大地影响了封孔剂的使用效果。
实验钻场瓦斯抽放钻孔孔径为Φ153mm；封孔深度12m，采用Φ110mm由排管，倾角平均在5°左右。
3 封孔方法
3.1 封孔材料和装置的选择
LHFK-I型封孔剂是由高分子材料及多种助剂复配而成，外观为灰色粉末，无毒、无味、无污染、无腐蚀性，所有组份均属无机系，有不燃、不助燃、阻燃的特性。产品按一定比例兑水施工（水料比为1：1），施工过程料浆发生单纯的物理络合反应，反应过程不剧烈，无明显热量放出，无有毒有害气体生成。操作简单，安全可靠，封孔长度容易控制，初凝时间可调，凝固速度快，密封钻孔周边松散煤体和缝隙，凝固膨胀后不析水，膨胀系数高，凝固后微膨胀，密封密实，经济实用，成本较低。
LH-WFN-I型快速囊袋封孔装置采用“两堵一压”的封孔原理，根据所需封孔长度，设定封闭装置之间的距离，通过一根注浆管把速凝膨胀封孔剂浆液先密封两端，利用注浆泵注浆压力使两端囊带鼓起，封闭钻孔，再持续带压自行向中间密封腔注浆，充实并压入孔壁裂隙内，实现有效快速密实封孔。装置工作示意图如图1所示。
囊袋式“两堵一压”封孔法既能使钻孔周围的裂隙得到充填，消除开孔时形成的漏气通道（裂隙），消除初期漏气通道，同时又能使钻孔得到可靠的支护，保证钻孔的稳定，使钻孔周围不易产生新的漏气通道（裂隙），避免后期漏气通道的产生和发展。该装置一次注浆即可实现密封效果，适应于不同孔径的钻孔及抽放管，可以保证有效封孔长度，实现密闭封孔质量，且安装简便、经济实用、适用性强、工作效率高，使用后大大提高了瓦斯抽采浓度。
3.2 封孔施工工艺
3.2.1 封孔设备与衬料
风动注浆泵、搅拌桶（50L或者100L）、PE管、PE花管、PE管直接、铁丝、钳子、小刀、LHFK-I型速凝膨胀封孔、LH-WFN-1型快速囊袋封孔装置。
3.2.2 封孔工艺
LHFK-l型速凝膨胀封孔剂和LH-WFN-1型快速囊袋封孔装置的“两堵一压”封孔施工新工艺，在封孔材料和施工工艺上保证了封孔质量。封孔工艺介绍如下：
（1）钻孔施工。按照钻孔设计要求及安全技术措施规定确保钻孔施工质量，在钻孔封孔段内不得出现伞檐状、台阶状、弯曲状钻孔。
（2）清孔。封孔前，封孔段必须用压风清扫干净。
（3）管路铺设。在抽采花管与抽采实管的连接位置处附设封孔囊袋装置中最前端的一个囊袋，使抽采管路从该囊袋中空处穿过，并使用铁丝或胶布将囊袋的两端紧缚在抽采管路上，随后送入钻孔内并依次连接抽排实管。在连接到最后一根实管时，将封孔装置中的另一端囊袋从该管路中穿过并使用铁丝将其固定在距抽放管最外端口0.5-0.6m位置处，随后将其送入钻孔预定位置，并保证抽采管路及注浆管路外部预留0.3m。孔口端封孔囊袋距孔口预留0.3m，目的是等注浆完毕后采用泥巴装的速凝膨胀封孔剂密封孔口，确保孔口整洁美观。
（4）压注封孔材料。采用风动泵注浆，将速凝膨胀封孔剂与水按照一定比例混合后注入孔中。注入的浆液先注入到两端的囊袋中，使两端的囊袋鼓起来，达到密封钻孔两端的作用。当注浆压力达到0.7～0.8MPa时，注浆管路预留的爆破阀门自动裂开，此时浆液自行注入两个囊袋之间的中间腔段，直至注浆压力达到1.2MPa时即可停止。持续大压力的注浆必将有效充填钻孔周围的裂隙。由于速凝膨胀封孔剂具有凝固后不析水，凝固后微膨胀的特点，因此在停泵后，浆液凝固过程中，封孔材料将继续膨胀，充填裂隙，达到密封钻孔的目的。endprint
（5）合茬抽采。待注浆4小时后，即可连接抽采管路进行瓦斯抽采。
4 应用效果分析
通过文章分析，该矿使用LHFK-I型封孔剂材料和LH-WFN-I型快速封孔囊袋装置封孔后，效果如下：
（1）瓦斯抽放浓度显著提高。采用马丽散和LHFK-1型封孔剂材料的钻孔瓦斯抽采浓度一般，而LHFK-I型封孔剂材料和LH-WFN-1型快速封孔囊袋装置密封的钻孔明显提高了顺层钻孔瓦斯抽采浓度和抽采负压，且瓦斯抽采浓度和负压周期衰减均小于马丽散封孔。
（2）采用马丽散作为顺层钻孔两端封堵的封孔工艺，在后期的带压注浆过程中，其注浆压力最高能达到0.7Mpa，而采用封孔囊袋装置其后期带压注浆的压力可以达到1.2Mpa以上，因此钻孔周边裂隙才能充填的更加密实，从而保证封孔效果。
（3）使用封孔囊袋相比较马丽散的成本更低廉，性价比更高，使用配件更少，减少后勤保障，节约成本。
（4）从施工效率来看，由于封孔囊袋施工操作简单、方便，单孔封孔用时及人为要明显少于马丽散封孔，从而大大提高了工人的劳动效率。
（5）马丽散由于反应速度过快，在施工中对工人的技术及熟练程度要求很高，否则很难及时顺利的送入钻孔预定深度，难以保证达到设计封孔长度，而囊袋封孔工艺不受此制约，且封孔长度可进行调整。
5 结束语
囊袋式注浆封孔法的关键技术是孔内一次性囊袋注浆装置。该装置通过两个囊袋先封堵钻孔两端，两个注浆囊袋膨胀后再密封钻孔中间段，从而达到全程封堵的目的。囊袋式注浆封孔法的装置结构新颖、构思巧妙，操作简单，实用性强，封孔效果较聚氨酯、玛丽散等有机材料有显著的提高，是提高煤层瓦斯抽采率的一种创新型产品及封孔工艺。
该技术成功在大佛寺矿西二总回二号联巷钻场工作面的应用，使试验区域顺层钻孔瓦斯抽采浓度显著提高了20%以上，且增加了瓦斯抽采周期和抽采负压，提高了工人的施工效率，同时也可为该矿在瓦斯治理工作资金投入方面节约大量成本，实现了社会与经济效益的双赢。因此，LH-WFN-1型快速囊袋封孔装置封孔工艺是治理瓦斯，解决抽采难题的首选创新型技术。
参考文献
[1]林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.
[2]马丕梁，范启炜.我国煤矿抽放瓦斯现状及其展望[J].中国煤炭，2004，30（2） .
[3]秦法秋，秦刚伟.突出煤层底板抽放巷区域消突技术实践探讨[J].煤炭科学技术，2010（1）：225-227.
[4]聂政.淮北煤田区域性防治煤与瓦斯突出对策[J].煤炭科学技术，2008（1）：54-57.
[5]张志良，杜润魁，兰发林.矿井区域综合防突关键技术探讨[J].中国煤炭，2010，36（7）.
作者简介：翁奇（1987-），男，陕西泾阳人，2010年毕业于河北工程大学采矿工程专业，本科学历。现任陕西彬长大佛寺矿业有限公司通风部科员。endprint
（5）合茬抽采。待注浆4小时后，即可连接抽采管路进行瓦斯抽采。
4 应用效果分析
通过文章分析，该矿使用LHFK-I型封孔剂材料和LH-WFN-I型快速封孔囊袋装置封孔后，效果如下：
（1）瓦斯抽放浓度显著提高。采用马丽散和LHFK-1型封孔剂材料的钻孔瓦斯抽采浓度一般，而LHFK-I型封孔剂材料和LH-WFN-1型快速封孔囊袋装置密封的钻孔明显提高了顺层钻孔瓦斯抽采浓度和抽采负压，且瓦斯抽采浓度和负压周期衰减均小于马丽散封孔。
（2）采用马丽散作为顺层钻孔两端封堵的封孔工艺，在后期的带压注浆过程中，其注浆压力最高能达到0.7Mpa，而采用封孔囊袋装置其后期带压注浆的压力可以达到1.2Mpa以上，因此钻孔周边裂隙才能充填的更加密实，从而保证封孔效果。
（3）使用封孔囊袋相比较马丽散的成本更低廉，性价比更高，使用配件更少，减少后勤保障，节约成本。
（4）从施工效率来看，由于封孔囊袋施工操作简单、方便，单孔封孔用时及人为要明显少于马丽散封孔，从而大大提高了工人的劳动效率。
（5）马丽散由于反应速度过快，在施工中对工人的技术及熟练程度要求很高，否则很难及时顺利的送入钻孔预定深度，难以保证达到设计封孔长度，而囊袋封孔工艺不受此制约，且封孔长度可进行调整。
5 结束语
囊袋式注浆封孔法的关键技术是孔内一次性囊袋注浆装置。该装置通过两个囊袋先封堵钻孔两端，两个注浆囊袋膨胀后再密封钻孔中间段，从而达到全程封堵的目的。囊袋式注浆封孔法的装置结构新颖、构思巧妙，操作简单，实用性强，封孔效果较聚氨酯、玛丽散等有机材料有显著的提高，是提高煤层瓦斯抽采率的一种创新型产品及封孔工艺。
该技术成功在大佛寺矿西二总回二号联巷钻场工作面的应用，使试验区域顺层钻孔瓦斯抽采浓度显著提高了20%以上，且增加了瓦斯抽采周期和抽采负压，提高了工人的施工效率，同时也可为该矿在瓦斯治理工作资金投入方面节约大量成本，实现了社会与经济效益的双赢。因此，LH-WFN-1型快速囊袋封孔装置封孔工艺是治理瓦斯，解决抽采难题的首选创新型技术。
参考文献
[1]林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.
[2]马丕梁，范启炜.我国煤矿抽放瓦斯现状及其展望[J].中国煤炭，2004，30（2） .
[3]秦法秋，秦刚伟.突出煤层底板抽放巷区域消突技术实践探讨[J].煤炭科学技术，2010（1）：225-227.
[4]聂政.淮北煤田区域性防治煤与瓦斯突出对策[J].煤炭科学技术，2008（1）：54-57.
[5]张志良，杜润魁，兰发林.矿井区域综合防突关键技术探讨[J].中国煤炭，2010，36（7）.
作者简介：翁奇（1987-），男，陕西泾阳人，2010年毕业于河北工程大学采矿工程专业，本科学历。现任陕西彬长大佛寺矿业有限公司通风部科员。endprint
（5）合茬抽采。待注浆4小时后，即可连接抽采管路进行瓦斯抽采。
4 应用效果分析
通过文章分析，该矿使用LHFK-I型封孔剂材料和LH-WFN-I型快速封孔囊袋装置封孔后，效果如下：
（1）瓦斯抽放浓度显著提高。采用马丽散和LHFK-1型封孔剂材料的钻孔瓦斯抽采浓度一般，而LHFK-I型封孔剂材料和LH-WFN-1型快速封孔囊袋装置密封的钻孔明显提高了顺层钻孔瓦斯抽采浓度和抽采负压，且瓦斯抽采浓度和负压周期衰减均小于马丽散封孔。
（2）采用马丽散作为顺层钻孔两端封堵的封孔工艺，在后期的带压注浆过程中，其注浆压力最高能达到0.7Mpa，而采用封孔囊袋装置其后期带压注浆的压力可以达到1.2Mpa以上，因此钻孔周边裂隙才能充填的更加密实，从而保证封孔效果。
（3）使用封孔囊袋相比较马丽散的成本更低廉，性价比更高，使用配件更少，减少后勤保障，节约成本。
（4）从施工效率来看，由于封孔囊袋施工操作简单、方便，单孔封孔用时及人为要明显少于马丽散封孔，从而大大提高了工人的劳动效率。
（5）马丽散由于反应速度过快，在施工中对工人的技术及熟练程度要求很高，否则很难及时顺利的送入钻孔预定深度，难以保证达到设计封孔长度，而囊袋封孔工艺不受此制约，且封孔长度可进行调整。
5 结束语
囊袋式注浆封孔法的关键技术是孔内一次性囊袋注浆装置。该装置通过两个囊袋先封堵钻孔两端，两个注浆囊袋膨胀后再密封钻孔中间段，从而达到全程封堵的目的。囊袋式注浆封孔法的装置结构新颖、构思巧妙，操作简单，实用性强，封孔效果较聚氨酯、玛丽散等有机材料有显著的提高，是提高煤层瓦斯抽采率的一种创新型产品及封孔工艺。
该技术成功在大佛寺矿西二总回二号联巷钻场工作面的应用，使试验区域顺层钻孔瓦斯抽采浓度显著提高了20%以上，且增加了瓦斯抽采周期和抽采负压，提高了工人的施工效率，同时也可为该矿在瓦斯治理工作资金投入方面节约大量成本，实现了社会与经济效益的双赢。因此，LH-WFN-1型快速囊袋封孔装置封孔工艺是治理瓦斯，解决抽采难题的首选创新型技术。
参考文献
[1]林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.
[2]马丕梁，范启炜.我国煤矿抽放瓦斯现状及其展望[J].中国煤炭，2004，30（2） .
[3]秦法秋，秦刚伟.突出煤层底板抽放巷区域消突技术实践探讨[J].煤炭科学技术，2010（1）：225-227.
[4]聂政.淮北煤田区域性防治煤与瓦斯突出对策[J].煤炭科学技术，2008（1）：54-57.
[5]张志良，杜润魁，兰发林.矿井区域综合防突关键技术探讨[J].中国煤炭，2010，36（7）.
作者简介：翁奇（1987-），男，陕西泾阳人，2010年毕业于河北工程大学采矿工程专业，本科学历。现任陕西彬长大佛寺矿业有限公司通风部科员。endprint
