瓦斯抽采中新型封孔材料及工艺的应用研究

任兴华

摘要：近年来，我国对瓦斯的需求不断增加，瓦斯抽采工艺也越来越受到重视。本文针对目前瓦斯抽采钻孔封孔材料封孔质量差、抽采浓度低、材料强度低、固结时间长等缺点，以硫铝酸盐水泥熟料、石灰和石膏为主料，并辅以改性材料，研发了一种新型无机双液瓦斯抽采钻孔封孔材料。该材料固化速度快、强度高、渗透性强，具有微膨胀性能，能够有效将孔内封实，消除孔内漏气通道。该新型材料在抽采钻孔封孔领域具有良好的应用前景。

关键词：封孔材料；抗压强度；膨胀性；漏气通道；抽采浓度

引言

我国部分地区的煤矿由于矿井煤层赋存条件差、吨煤成本高、经济效益差，长期以来一直采用传统水泥砂浆的封孔方式，没有引进和采用新材料、新工艺封孔，随着矿井开采深度的增加，瓦斯灾害越来越重，加之部分矿井煤层地质条件复杂，传统的封孔方式已不能满足矿井瓦斯治理的需要。新型矿用封孔材料PD采用了微胶囊化技术，能在2～4h内保持一定的流动性，使得材料在体积缓慢膨胀的同时，浆体强度逐渐增加直至凝固，且在膨胀过程中能向钻孔周边裂隙逐渐渗透封堵，再辅以膨博封孔剂，其钻孔密封效果比传统方式要好。

1主要密封方法及特点

目前，采用的钻孔封孔材料及工艺有：黏土/水泥砂浆封孔、封孔器封孔、水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、马丽散封孔等。采用以上封孔材料及封孔工艺均存在一定程度的局限性，主要存在封孔长度短、封孔质量不易保证、抽采负压不大、抽采浓度低、封孔工艺不易操作、封孔成本高、实用范围小等缺点。

2原封孔方法存在的问题

煤矿瓦斯治理过程中，抽采钻孔使用聚氨酯封孔较为常见，封孔一般包括三个工序：坐底、孔口封堵及注浆。坐底工序相对复杂，主要方法有倒聚氨酯法、吹聚氨酯法及抽拉式坐底法。传统的坐底方法存在问题如下：（1）倒聚氨酯法。存在聚氨酯膨脹时间无法控制，经常出现聚氨酯已膨胀而抽采管未下到预定位置现象；（2）吹聚氨酯法。若孔内有水，聚氨酯遇水膨胀率低或不膨胀；（3）抽拉式坐底法。聚氨酯在孔底黑白药混合不充分，膨胀率低，效果较差。由于工序相同，又存在共同的不足：（1）三个工序分开进行，程序较复杂；（2）聚氨酯坐底成功与否，效果如何，无法知晓，经常出现坐底不实而造成整个钻孔被堵实现象；（3）聚氨酯坐底需要根据孔壁岩性情况确定聚氨酯用量，往往很难掌握；（4）聚氨酯膨胀时发出大量的热量，可能造成煤炭自燃或封孔套管变形。因此，根据现场需要研发了一款新型的囊袋带压注浆式封孔器，可以解决上述存在的问题。

3新型封孔材料配比及性质

3.1材料简介

新型封孔材料基系主要由封孔主料和辅助添加剂构成，其中封孔主料主要由A料，硫铝酸盐水泥熟料、B料，石膏和石灰组成，辅助添加剂主要由早强剂、减水剂、速凝剂、发泡剂等组成，其用量虽少，但在新型封孔材料基系中起优化、改进、激发性能的重要作用。新型封孔材料水和组合物的重量比为（1.0～1.5）∶1.0，组合物由A、B2种组分按质量比1∶1的比例组合而成。该材料具备固化速度快、早期强度增长快、凝固时间可调、封孔致密性好、渗透性强、不收缩、膨胀性能好、结实率高、密封性能强等特性。

3.2封孔原理

囊袋带压注浆式封孔器封孔原理为：先下入两个囊袋到指定位置，通过连接在囊袋上的注浆管注浆，将囊袋腔体内注满水泥，注浆压力达到爆破阀爆破压力后爆破阀爆破，水泥进入两个囊袋间环状间隙，继续注浆注满环状间隙达到封孔目的。注浆水泥的初凝时间为10～12min，爆破阀爆破压力为1.5～2.0MPa。

3.3“两堵一注”封孔装置密封机理

该封孔装置的工作流程为：①启动注浆泵；②注浆管浆液压力达到单向阀开启压力；③前后堵头打开，填充堵头；④堵头浆液注满后，注浆管压力升高；⑤浆液压力达到爆破阀开启压力，爆破阀门开启；⑥浆液注入钻孔内；⑦浆液渗透进入钻孔周围煤体裂隙；⑧封孔结束。待堵头中密封浆液到达设定压力时，在预定的钻孔封孔位置两头产生耐高压的堵头，在2个堵头中间产生封孔注浆空间，在堵头中所注液体压力到了爆破阀预定压力时，爆破阀就会开启，浆液就能顺利到达指定地点进行封孔。由于单向阀的存在，封孔装置及堵头中的液体不会发生反向流动，从而使堵头压力始终保持一种膨胀状态与孔壁产生较大的摩擦力，有效进行封堵。密封浆体占满整个封孔段后，如果持续注浆，浆体就会受压力作用渗透到孔壁周围裂隙中，对裂隙中气体的流动途径进行封堵。

4钻孔密封材料选择原则

钻孔的密封直接影响着瓦斯抽采效果的好坏，因此，在实际操作过程中，封孔工艺应满足密封性好、操作方便、速度快、材料省等要求。依据对钻孔微裂隙进行密封的要求，结合水泥和聚合物的优点选择抽采钻孔密封材料要遵循以下原则：密封材料整体致密，耐老化性、抗干裂性强；密封材料要具有一定的膨胀性，用于密封钻孔周边的微裂隙，且其膨胀性主要用于封堵微裂隙；针对不同用途的钻孔（如正压和负压），均能有合适的密封材料；密封材料以水泥为主，应用聚合物对水泥进行改性；密封材料在井下使用方便，操作配比技术难度低，使操作人员容易掌握；密封材料的各原料均为日常化工材料，来源广泛；用于改性的聚合物必须接触无毒或低毒；成本易控制。

5钻孔密封工艺

①清孔。钻孔施工完成后，钻杆退出钻孔，再用风动钻孔清理钻孔内残余煤渣。②煤渣清理干净后，插入瓦斯抽采管和堵头等装置。按照钻孔密封设计方案往钻孔内放抽采管，当长2.3m的抽采管放置完成后，再放置安装有“两堵一注”封孔设备的瓦斯抽采管，钻孔密封设备安装的同时，将抽采管和封孔装置往钻孔里送（两堵头之间的距离是12m，外堵头距离孔口5m）。整个封孔装置全部进入钻孔。③注浆。待全部封孔设备都进入预定位置后，将准备好的满足注浆性能的浆体通过注浆泵进行注浆。注浆时必须注意注浆设备的压力变化，据此对注浆情况及进程进行分析判断。应特别关注注浆设备压力持续不发生变化的时间，这时爆破阀即将开启。在注浆设备压力经过一段时间不发生变化而又再次地发生压力增长后，还需要再不停地注浆7min左右才可结束注浆，这时保证孔内有足够的压力和浆体。④瓦斯抽采。在封孔工作结束24h后，浆液已完全凝固，这时即可将抽采管连接进入抽采系统进行瓦斯抽采。

结语

综上所述，采用新型封孔工艺封孔，提高了采掘工作面的瓦斯预抽率，减少了煤体向采掘空间的瓦斯涌出量，同时也降低了采掘工作面的瓦斯超限、“三级报警”的次数及发生煤与瓦斯突出的可能性，大幅提高了采掘过程中的安全性；抽采孔的抽采效果提升后，增加瓦斯利用量，减少瓦斯对大气的污染。对于掘进工作面，减少了抽采时间，增加了有效掘进时间，从而缓解了杉木树煤矿综采工作面采掘接替紧张的局面。

参考文献

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（作者单位：平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司）