分段注浆封孔技术在瓦斯抽采中的应用

胡 斌

(西山煤电集团 镇城底矿，山西 古交 030200)

·技术经验 ·

分段注浆封孔技术在瓦斯抽采中的应用

胡 斌

(西山煤电集团 镇城底矿，山西 古交 030200)

以某矿2404工作面为工程实例，介绍了“两堵一注”分段注浆封孔技术的封孔参数与工艺。工程实践表明，与采用普通的聚氨酯、水泥砂浆封孔法相比，聚氨酯“两堵一注”施工工艺优越性明显，可以提高封孔后的抽采浓度，且该法封孔后抽采浓度降低速度较慢；在瓦斯抽采量方面，也较原工艺大大提高。

瓦斯抽采；“两堵一注”分段注浆封孔技术；聚氨酯

1 概 况

瓦斯抽采理论与技术的提出，为煤矿瓦斯治理提供了一套非常好的解决方案。随着瓦斯抽采技术的不断发展，瓦斯事故也大幅度减少。尽管如此，瓦斯抽采技术尚不成熟，仍然存在许多问题，比如，在抽采瓦斯过程中，经常会出现钻孔封孔不严密，导致漏气，从而抽采浓度和抽采量均出现大幅度下降。该问题成为瓦斯抽采技术的一个瓶颈，制约了抽采瓦斯治理灾害的进程。

为了解决钻孔封孔不严问题，国内外科技工作者一直在进行广泛地探索。到目前为止，常用的钻孔封孔方法主要有5种，其优缺点见表1.

表1 常用的几种封孔方法比较表

某煤矿原来在抽采钻孔封孔时采用聚氨酯、水泥砂浆封孔法，封孔质量不高，在矿山压力作用下，封孔段经常发生破坏，出现较多裂隙，发生漏风，严重影响瓦斯抽采的效果。该矿经过反复研究，提出了采用聚氨酯“两堵一注”分段注浆封孔技术，有效地解决了这一技术难题，下面就对该成果予以介绍：

2 聚氨酯“两堵一注”分段注浆封孔原理

该封孔技术原理见图1. 首先，在抽采钻孔的孔底和孔口，分别进行注浆封堵，然后在钻孔的中间段，再进行注浆，简称就是“两堵一注”。具体操作如下：

图1 钻孔封孔示意图

1) 准备两根封孔套管，在套管的两端用专用封孔布袋套住并绑紧，将制备好的聚氨酯液用压风充填容器(该容器为自制的充填容器，下同)充填至封孔段的两端。聚氨酯液发泡膨胀后，将两端充填固定并封堵两端。

2) 待钻孔两端被封堵好以后，向封孔中段充填聚氨酯液，充填方法仍是使用压风充填容器将聚氨酯液吹入。刚吹入时，聚氨酯混合溶液没有发泡，会在煤岩体的裂隙中不断扩散。待充分扩散后，聚氨酯混合溶液发泡膨胀，即可对封孔中间段煤岩体的裂隙进行充填封堵。

3 试验地点概况

本次试验地点选择在该矿2404工作面，该工作面煤层走向为N39°W～N56°E， 倾角5°～22°，平均倾角16°；煤层厚度在4.9～5.7 m，平均厚度5.4 m，煤层稳定；设计标高为-490～-560 m，地质条件非常复杂，岩层裂隙发育，南翼为一盆地，北翼为一穹窿构造。根据地质资料预测，该工作面在回采过程中，将揭露19条正断层，断层落差在0.6～11 m. 设计在2404工作面刮板输送机槽下帮施工下斜顺层钻孔，向钻孔中注入聚氨酯，采用“两堵一注”分段注浆封孔方法进行封孔。

4 封孔参数

4.1 黑、白料的配比选择

试验表明，当把黑、白料的配比控制在1∶(1～1.11)时，可以得到最大的膨胀率，但是在白料较少的条件下，两种原料混合后膨胀速度太快。例如当配比为1∶1时，混合后仅20 s便膨胀完毕，这不利于人工封孔操作。为了便于操作，将配比设置为1∶1.2，这时膨胀率稍小，但是膨胀延续时间较长，达40 s 左右，方便工人操作。

4.2 聚氨酯用量的确定

在自由空间内，聚氨酯的膨胀系数约为30倍，但是在环形空间内则与自由空间不同，聚氨酯在环形空间内的膨胀系数会随着环形空间的长度增加而不断变化，其变化关系可以用下式表示：

y=28.91e- 0.183x

其相关性系数R2=0.96.

具体到某一个注浆点时，聚氨酯在该环境下的膨胀系数需要通过试验来确定。膨胀系数确定后，再根据设计的封孔长度、环形空间体积等因素确定聚氨酯的用量。

4.3 确定封孔长度

选择一个合理的封孔长度对于瓦斯抽采非常重要，因为在煤体内部有许多构造裂隙发育，在受采动扰动大的区域更是如此。如果封孔深度过小，没有穿过巷道的应力集中带，那么，由于钻孔通过裂隙与外部空间形成了一个回路循环，空气会在负压作用下，通过裂隙被吸入到钻孔中，从而降低抽采出的瓦斯浓度。而封孔长度太大又会增加成本，浪费资源。确定合理的封孔长度，关键是应该弄清楚巷道周围裂隙圈的分布范围。

通过对该煤矿巷道的检测分析，发现其煤巷周围裂隙圈半径在5～15 m，为避开裂隙圈的影响，封孔长度应大于裂隙圈的发育范围，故将煤巷钻孔封孔长度定为17 m. 岩巷周围的裂隙圈小于煤巷，在5～10 m，将其封孔长度定为13 m.

5 封孔工艺

1) 吹渣。钻孔施工结束后，封孔以前需要先将孔内岩渣清理干净，以便顺利下套管。清理岩渣可以使用高压风管吹孔，也可以向孔内注水清洗。

2) 下套管。在下套管的过程中，务必使套管的接头处密实，防止注浆过程中漏浆。要做到连接紧密不漏浆，需要注意以下两点：对于螺纹连接的套管，需将接头处扭紧，上满丝扣；对于插接式连接的套管，连接前需在接口处涂上一定量的快干胶水。

3) 进行气密性试验。为检查封堵效果是否良好，需要在孔口及封孔深度最前端注浆充填封堵之后进行气密性试验。气密性试验的方法如下：首先把压风管路和排气管路在孔口处连接起来，然后向套管内压风1 min， 观察是否有返风从孔口套管出来，如果没有返风，则表明密闭成功。压风时风压宜控制在0.05～0.1 MPa，切不可过高，风压过高容易将座底密闭冲跨。

4) 充填聚氨酯。气密性试验合格后，即可向套管内充填聚氨酯。充填之前需先计算好聚氨酯用量及配比浓度，确保一次充填到位，避免一次充填用量不足，注浆管路被发泡后的聚氨酯堵塞而封孔失败。

6 抽采效果

封孔后，开始的近一个月内，瓦斯抽采浓度基本维持在75%以上(见表2)，之后抽采浓度有所降低，但仍然在55%以上，孔口抽采负压一直维持在12～17 kPa，见表2. 表2中第一列表示抽采浓度变化，第二列表示抽采量的变化。由该表可以看出，从12月12日—1月10日，抽采量在不断增加，这是因为钻孔数量在不断增加。

表2 主管路中瓦斯抽采浓度与抽采纯量变化表

采用“两堵一注”封孔与原封孔工艺在抽采浓度和抽采量的对比分别见图2，图3.由图2，3可以看出，采用“两堵一注”封孔工艺后，抽采浓度和抽采量都提高。在封孔初期，“两堵一注”封孔后的抽采浓度为83%，同期原封孔方法达到的抽采浓度为55%. 随着时间的推移，抽采浓度逐渐下降，但原封孔工艺下降速度很快，而“两堵一注”工艺对应的曲线下降则较为缓慢。封孔40天后，原工艺的抽采浓度仅为12%，而新工艺为65%；封孔90天后，原工艺的抽采浓度仅剩下5%，而新工艺仍然有50%. 由图3可知，新工艺也优于原工艺，例如在封孔后40天(这时钻孔刚好施工完毕，抽采量达到最大值)，新工艺的抽采量达到2.6 m3·min- 1，而原工艺的抽采量仅为1.1 m3·min-1，前者是后者的2.6倍。

图2 抽采浓度对比曲线图

图3 抽采量对比曲线图

7 结 论

以某矿2404工作面为例，介绍了“两堵一注”分段注浆封孔技术的应用。工程实践表明，与采用普通的聚氨酯、水泥砂浆封孔法相比，聚氨酯“两堵一注”施工工艺优越性明显，可以提高封孔后的抽采浓度，且该法封孔后抽采浓度降低速度较慢，封孔后90天，抽采浓度依然高达50%，而原封孔工艺在封孔40天后抽采浓度就已经很低。在瓦斯抽采量方面，也较原工艺提高，新工艺的抽采量可以达到原工艺抽采量的2.6倍。

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Application of Segmental Grouting Sealing Technology in Gas Drainage

HU Bin

Introduces the sealing parameters and process of sealing the two ends then grouting segmental grouting with 2404 working face as a case in a mine. Engineering practice shows that compared with the ordinary polyurethane, cement mortar sealing method, the polyurethane plus sealing the two ends then grouting method represent more advantageous, the gas extraction concentration improved with longer decreasing period afterwards. The gas production also increased greatly than before.

Gas extraction; Sealing the two ends then grouting segmental grouting sealing technology; Polyurethane

2017-05-05

胡 斌(1984—)，男，内蒙古丰镇人，2007年毕业于华北科技学院，工程师，主要从事煤矿通风及瓦斯抽采管理工作

(E-mail)hubinbin1198@126.com

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1672-0652(2017)06-0040-03