新型囊袋式带压封孔技术应用

张 波

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉045000）

目前，国内煤矿瓦斯顺层抽采钻孔封孔技术主要有高分子发泡材料封孔、两注一堵封孔及囊袋式带压封孔三种工艺，其中，高分子材料封孔工艺使用的材料主要为聚氨酯，与水泥材料相比，其抗压强度要低一个数量级，易在抽采钻孔内产生裂隙，从而导致瓦斯抽采浓度偏低；采用“两堵一注”封孔工艺时，由于两端聚氨酯的抗压强度低，注浆压力不能超过封堵材料的抗压强度，而导致浆液不能转化为抽采钻孔的支护力；囊袋式注浆时浆液通过注浆泵压力增大，浆液在2h内可以凝结，其强度可以有效抵抗钻孔区域周围煤体变形，封堵初期即可对钻孔实施有效支护，从而减小钻孔变形，使抽采的瓦斯量保持在稳定的状态。因此，研究新型囊袋式带压封孔技术，对于提高瓦斯抽采浓度，保证井下工作面生产的安全具有重要意义。

1 工作面概况及钻孔布置

1.1 工作面概况

马兰煤矿10505工作面设计可采走向长1391m，倾斜长177／163／76m，采高1.54／2.45m，煤层倾角1°～12°，可采储量482.7kt。工作面所采煤层为二叠系山西组02＃煤层，属稳定可采近水平薄、中厚煤层。工作面直接顶为厚2.2～4.50m的粉砂质泥岩，致密坚硬；老顶为厚2.35～4.50的细砂岩；老底为厚1.81～6.00的灰白色中细砂岩。所采02＃煤层的瓦斯含量为3.15～8.32m3／t，煤层透气性系数为1.62m2／MPa·d左右，钻孔百米流量衰减系数为0.0031d－1左右。因此，所采的02＃煤层属于可抽放煤层。

1.2 10505皮带顺槽本煤层顺层钻孔设计

10505工作面本煤层钻孔从皮带顺槽距离87m处开始施工第一个，以后每3m施工一个，至距离1383m处结束（距切眼约10m），共施工433个，钻孔均垂直于工作面施工，距离740～1120m段孔深为150m；1120～1383m段孔深为60m，其余部分孔深160m，钻孔倾角为煤层倾角，钻孔开孔距巷道底板1.3～1.5m，开孔、终孔孔径均为113mm。

1.3 10505底板抽放巷下邻近层钻孔

为治理10505底板瓦斯，根据煤层层位关系，外错10505轨道巷44m沿下邻近02＃煤层施工一条顺槽作为10505工作面底抽巷，底抽巷全长1376m。沿底抽巷朝10505工作面方向施工02＃煤钻孔，治理10505工作面下邻近层瓦斯。钻孔布置如下：从10505底抽巷迎头开始布置第一个，以后每3m施工一个，至里程85m结束（里程从02＃煤进风轨道下山起算），共施工钻孔430个；其中1＃～6＃孔呈扇形布置，其余钻孔垂直于巷道施工，孔深均为160m，钻孔倾角为煤层倾角，钻孔开孔距巷道底板1.3～1.5m，开孔、终孔孔径均为113mm。

2 新型囊袋式注浆封孔机理

马兰煤矿所采用的囊袋式注浆封堵法，其主要封孔材料由硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、萘系高效减水剂，缓凝剂、高效膨胀剂等组成，囊袋式注浆封孔法封孔的首次出浆过程见图1。图1－a箭头方向表示浆液从注浆头由通道进入囊袋，此过程可以使浆液和煤壁充分接触，阻断煤壁的漏气通道，同时起到支护钻孔的作用。图1－b中的箭头方向表示第二次出浆时的方向，当首次注浆时的注浆容量大于10kg／cm2时，钻孔的出浆阀打开，浆液由阀口进入到钻孔的煤壁之间，因为囊袋两端已封堵，浆液被封堵在两囊袋间，此时浆液可和煤壁充分接触，钻孔可得到严密的封堵，此段注浆的浆液量可以超过20kg／cm2。

图1 囊袋式注浆封孔出浆示意

3 试验钻孔瓦斯浓度数据对比分析

马兰煤矿使用的是万隆通产分公司生产双囊袋带压注浆封孔器。在10505工作面底板抽放巷囊袋式注浆封孔法所封钻孔孔号（试验孔号）为：164＃、165＃、181＃、185＃、186＃。为了对比结果准确合理，选取顺槽内聚氨酯所封钻孔作为对比钻孔，聚氨酯所封钻孔号为：170＃、171＃、172＃、173＃、174＃。两种不同封孔技术的瓦斯抽放浓度见表1、表2。

表1 囊袋式封孔技术瓦斯抽放浓度

表2 聚氨酯封孔技术瓦斯浓度数据

通过表1与表2对比可知可知：

1）聚氨酯封孔平均浓度为70%，囊袋式注浆封孔钻孔平均浓度为80%，囊袋式注浆封孔与聚氨酯封孔相比，瓦斯抽采浓度提高10%，效果较好。

2）聚氨酯封孔相比囊袋式注浆封孔的钻孔平均浓度变化幅度较大，钻孔最大抽采浓度174＃钻孔，浓度为85%，最小为170＃钻孔，浓度为55%，说明聚氨酯封孔易受钻孔内环境的影响，而囊袋式注浆封孔钻孔最大抽采浓度185＃钻孔，浓度为90%，最小为186＃钻孔，浓度为78%。因此，从浓度对比方面可知，囊袋式注浆封孔明显优于聚氨酯封孔。

3）各个囊袋式注浆封孔钻孔浓度变化有一定波动，钻孔185＃的平均浓度要比钻孔186＃的平均浓度高出12%，这一方面是由于抽采前期瓦斯浓度并不稳定所导致的；另一方面由于煤层本身就是非均质体，185＃钻孔施工过程中没有矸石出现，又由于钻孔间距较大，说明钻孔周围煤体出现夹矸情况较少，保证了瓦斯的来源；而186＃钻孔打钻过程中较早见矸，说明该段煤体矸石较多，严重影响了瓦斯在煤层中的赋存。

4 囊袋式带压封孔技术的优缺点

囊袋式带压注浆封孔器已在马兰煤矿10505底抽巷44m往里下邻近层钻孔封孔推广使用。其优点除抽采效果较好以外，还有以下几个优点：① 囊袋式带压注浆封孔器采用双囊袋集成设计，无金属构件，不产生火花，外观简洁，无外设注浆管，方便钻孔插入；② 中心注浆，注浆管可回收复用，节约成本；③ 双囊袋在中间带压注浆，注浆压力0.6～1.0Pa，操作简便，可实现随打随封随抽；④ 注浆材料采用的是专用无机封孔料，与高分子封孔材料对比，材料本身不可燃、没有反应高温、不会随时间老化、抗压强度高，无安全隐患。

其主要缺点：囊袋注浆为人工进行操作，工作强度较大，可改进成风动注胶，减少人工强度。

5 结语

1）10505工作面本煤层顺层钻孔共施工433个，其中740～1120m段孔深为150m；1120～1383m段孔深为60 m，其余部分孔深160m，钻孔倾角为煤层倾角，钻孔开孔距巷道底板1.3～1.5m，开孔、终孔孔径均为113mm。底板抽放巷下邻近层钻孔共施工钻孔430个，孔深均为160 m，钻孔倾角为煤层倾角，钻孔开孔距巷道底板1.3～1.5 m，开孔、终孔孔径均为113mm。

2）囊袋式注浆封孔与聚氨酯封孔相比，瓦斯抽采浓度提高10%，囊袋式注浆封孔明显优于聚氨酯封孔。囊袋式注浆封孔钻孔浓度变化有一定波动，主要是由抽采前期瓦斯浓度并不稳定及打钻过程中较早见矸导致的。