抽采钻孔囊袋式封孔与联孔技术研究应用

武德峰

（山西新元煤炭有限责任公司 山西 阳泉 045000）

瓦斯抽采是降低煤层瓦斯涌出量、预防瓦斯积聚的重要技术手段。抽采期间钻孔的封孔质量关系着瓦斯抽放效果，若钻孔不漏气，可达到钻孔抽采效率95%以上。但是由于钻孔封孔技术相对落后，造成钻孔封孔质量差，瓦斯抽放过程中大量空气进入抽放管路中，降低了钻孔瓦斯抽放效率，影响着采掘工作面安全稳定生产。本文以新元矿3412工作面为例，研究提出在本煤层瓦斯抽采中采用囊袋式封孔技术及高压管标准化联孔工艺。

1 概述

山西新元煤炭有限责任公司位于阳泉市寿阳县，矿井设计生产能力为5.0Mt/a，井田内可采煤层为3#、9#石炭系煤层，矿井相对瓦斯涌出量为28m3/ t，绝对瓦斯涌出量为292m3/min，属煤与瓦斯突出矿井。

3412工作面位于井田3#煤层四采区，工作面设计走向长度为1946m，倾向长度为240m，煤层平均厚度为2.67m，由于3#煤层煤质松软裂隙不发育，煤层相对瓦斯涌出量为17.8m3/t，煤层瓦斯平均压力为2.66MPa，坚固系数为0.44，煤层透气系数为4×10-4MD，衰减系数为0.6319d-1，煤层破坏类型为Ⅲ类且抽放瓦斯难度大。

3412工作面初采时对本煤层布置顺层瓦斯抽放钻孔进行瓦斯预抽，钻孔交错布置在进回风顺槽内，钻孔设计长度为110m，钻孔间距为10m，采用聚氨酯进行封孔。由于钻孔施工后受工作面回采压力影响，钻孔附近裂隙发育，传统的封孔技术不能满足需要，导致钻孔封孔后气密性差，孔口负压低。随着回采压力加大钻孔出现蠕变及塌孔现象，钻孔抽采效果差，单孔抽采浓度在8%～19%之间，本煤层无法起到预期抽采效果，威胁着工作面安全高效回采。

2 瓦斯抽采钻孔封、联孔设计研究

为了进一步提高瓦斯钻孔封孔气密性，保证瓦斯抽放效果，新元矿通过技术研究，决定对工作面瓦斯抽放钻孔采取囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆法进行封孔，采取高压管标准化进行联孔。

2.1 囊袋式封孔技术原理

囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔技术，其原理主要是确定封孔长度后在钻孔裂隙发育区，利用注浆技术在囊袋注浆区域进行高压注浆，对周围岩体裂隙进行封堵，从而达到提高钻孔周围煤体稳定性及致密性，保证钻孔封孔效果的目的。

2.2 封孔参数确定

（1）钻孔轴向应力。3412进回风顺槽掘进后在其周围煤体形成应力带，当钻孔顺煤层钻进时会沿轴向依次产生卸压破坏带、应力集中带和原始应力带。由于卸压带附近煤体相对破碎，且会产生大量的贯穿裂隙，若钻孔在卸压带内，在进行瓦斯预抽时空气经卸压带的贯穿裂隙被抽入钻孔，从而造成封孔漏气导致瓦斯抽放浓度低，抽放效果差。

（2）钻孔纵向应力。钻孔施工时受钻机及钻杆震动影响，对钻孔附近煤体造成扰动破坏，沿钻孔径向不同深度形成不同的应力区，依次为充分卸压区、非充分卸压区、卸压扩展区和原岩应力区，而且随着扰动破坏半径的增加，煤体由钻孔向深部破坏程度逐渐降低，且煤体裂隙发育程度也随之降低。

（3）煤体卸压区。钻孔在施工过程中受煤体应力变化影响，不同深度的煤体产生的钻屑量不同，所以可通过对煤体施工试验钻孔，根据不同深度内钻屑量合理判断煤体卸压带、应力集中带和原始应力带的分布区域，从而确定有效的封孔长度。

（4）钻孔封孔长度。对3412工作面煤层共施工5个测试钻孔，钻孔直径为45mm，在钻孔施工期间密切观察钻进压力变化及记录钻孔煤屑量，通过对比分析可知，钻孔钻进至10～16m范围内钻屑量逐渐增加，当钻进至15～16m时钻屑量达到最大值，如图1所示。由此可以判断钻孔在10～16m范围内处于应力卸压区，原始应力区位于钻孔16m以外区域，所以最终确定钻孔封孔深度为18m，封孔长度为9～18m。

图1 煤层测试钻孔钻屑量与钻孔深度变化关系示意图

2.3 囊袋式封孔施工工艺

（1）钻孔施工完后对钻孔进行扩孔，扩孔长度为18m，扩孔后直径为120mm，扩孔后及时安装直径为63mm、单管长度为3.0m的PVC封孔管，共安装6节，相邻两节封孔管通过丝扣进行连接，如图2所示。

图2 囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔示意图

（2）封孔管安装后分别在钻孔内9.0m及16.5m处安装PKJW-63型封孔器，确保对10～16m范围内卸压区进行有效封堵，形成环形空间。

（3）封孔器安装后采用高压注浆泵向环形空间注射安泰华封孔材料，注浆压力不得低于2.0MPa，使得注浆液可以有效扩展孔壁内煤体裂隙，能够及时对煤体孔隙及凸凹面进行充填，同时在注浆压力作用下深入煤体微裂隙内与煤体颗粒凝固在一起，从而形成膨胀树枝状分布，实现全面封堵，如图3所示。

图3 囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔效果图

2.4 高压管标准化联孔工艺

采用高压管、不锈钢快速接头连接，10个孔为一组，100m为一个评价单元，每个钻孔封孔管通过带测嘴不锈钢弯头、球阀与联孔管连接，每组钻孔安装导流管、放水器，实现单孔观测、分组计量。联孔结束后，通过测嘴，对单孔负压、浓度进行测定，保证单孔负压达13kPa以上，对不达标的进行系统排查、整改。单孔负压达标前提下，测定单孔浓度，浓度不达30%，钻孔进尺不予结算。钻孔施工完成，挂设单孔牌板，分组计量挂设分组计量牌板，如图4所示。

图4 本煤层瓦斯抽采钻孔高压管联孔示意图

3 囊袋式封孔与联孔技术优点及应用效果

3.1 优点

（1）根据不同区域煤层瓦斯赋存、瓦斯抽采规律，为工作面抽采钻孔间距合理设计提供科学依据，解决钻孔优化布置问题；

（2）采用囊袋式注浆方法、高压标准化联孔工艺及新型瓦斯抽采管路系统，不仅对钻孔周围煤体内裂隙进行充分填充，消除了钻孔抽放时出现漏气通道现象，同时能使钻孔得到可靠的支护，提高瓦斯抽采系统气密性，保证了抽采负压，提高了瓦斯抽采效果。

3.2 应用效果分析

3412工作面煤层瓦斯钻孔采用囊袋式“两堵一注”水泥砂浆法进行封孔，以及高压管标准化联孔工艺及新型瓦斯抽采管路系统，大大提高瓦斯抽采系统气密性，保证了抽采负压，提高了瓦斯抽采效果，通过对后期钻孔瓦斯抽采率检测发现，最高单孔浓度达95%，提高了68%，顺槽瓦斯抽采管路浓度提高了59%，抽采纯量提高了1.27m3/min，百米吨煤瓦斯含量抽采达标所需用时减少了53d。

4 结 语

山西新元煤炭有限责任公司研究提出，对3412工作面煤层瓦斯抽放钻孔采取囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔技术以及高压管标准化联孔工艺，实践证明瓦斯抽放钻孔采取新型封孔技术及联孔工艺后，提高了钻孔封孔效果和煤层瓦斯抽采率，对于提高煤层瓦斯抽放技术安全性和工作效率、降低生产成本具有现实意义和推广价值。