瓦斯抽采钻孔封孔技术现状及发展方向

摘 要：瓦斯抽采是煤矿井下治理瓦斯的主要方法，其核心思想是对煤层中的瓦斯进行利用。瓦斯只有在一定浓度下才具有利用的价值，提高瓦斯浓度是瓦斯抽采急需解决的问题。瓦斯抽采是通过抽采钻孔完成的，因此保证抽采钻孔的封孔质量对于保证瓦斯浓度具有重要意义。分析了瓦斯抽采钻孔漏风的主要原因，重点介绍了注水泥浆液、囊袋或注聚氨酯、PD 材料、二次封孔等封孔工艺，并探讨了各种封孔工艺的适用条件，指出了瓦斯抽采钻孔封孔技术的发展方向。

关键词：瓦斯抽采；封孔；漏风；发展方向

1 引言

瓦斯俗称煤层气，是煤形成过程中产生的一种烃类气体，是一种清洁能源。煤层气在我国具有丰富的储量，加快煤层气的开发利用对保障矿井的安全开采，提高矿井的经济效益具有重要的意义。在2016年我国煤层气井下抽采量高达128亿m3，而利用量只有48亿m3，利用率不足一半。这是由于煤层气井下抽采的浓度较低有关。造成抽采的瓦斯浓度较低的原因是抽采钻孔的封孔存在问题，空气进入到钻孔中导致瓦斯的浓度较低[1]。随着煤层气产业的发展，人们对抽采钻孔的漏气机理开始重视，并研发了适于封孔的高性能材料，并形成了成套的工艺体系。但由于我国高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井煤层瓦斯地质条件差异性大，各种封孔技术的适用性存在很大的问题。因此，在特定地质条件下采用合适的封孔技术及工艺是井下瓦斯抽采所要解决的关键性问题。本文首先分析了瓦斯抽采钻孔漏气的原因，然后分析了当前存在的封孔工艺以及使用性，最后分析了钻孔封孔工艺及封孔材料的未来发展方向。

2 钻孔漏气原因分析

在封孔良好状态情况下，钻孔内的瓦斯浓度应该等同于煤层内瓦斯浓度。但在实际过程中，由于受到封孔材料、采动及封孔工艺的影响，在封孔后或产生不同程度的漏气。在抽采负压的作用下，空气会进入到抽采钻孔内，导致抽采的瓦斯浓度降低。此外，煤体内原生裂隙的存在，在采动影响作用下，这部分裂隙会发育，增加了漏气的通道。

钻孔封孔后的平面示意图如图1所示。这里造成钻孔漏气的原因可以分为4中：煤岩体次生裂隙漏气、封孔材料失效漏气、封孔材料与钻孔壁接触不紧密存在缝隙以及应力环境的改变。因此，钻孔的封孔质量不仅与封孔材料和封孔工艺有关，还与抽采钻孔周围的煤岩体应力状态有关[2-3]。在进行抽采钻孔封孔时，应该综合考虑到煤岩的力学性质、力学状态对封孔的影响。

传统的封孔工艺采用的注浆封孔工艺，通过注浆泵将混合均匀的水泥浆注入到封孔区域，并在孔口放置木楔以防止水泥浆堵塞钻孔，待水泥凝固后，将抽采孔并网抽采。这种工艺的主要优点是，水泥具有较强的黏合力、渗透性强且成本低廉。但是水泥的凝固时间较长，在凝固过程中脱水会收缩，容易使水泥体内部存在裂隙，这对于封孔十分不利。因此，随着高分子封孔材料在煤矿井下的大面积推广应用，传统的注水泥浆封孔的工艺逐渐被取代。

3 钻孔封堵工艺现状分析

3.1 高分子材料封孔工艺

聚氨酯等高分子材料具有发泡固化时间短的特点，现在已经成为我国瓦斯矿井抽采时的主要封孔工艺。该工艺的流程可以分为几个类型：①药卷式封孔，將混合的聚氨酯、聚亚氨酯浆液体均匀的涂在封孔管表面的棉纱上，然后将封孔管塞入到钻孔内；②注浆式封孔，通过注浆泵将高分子封孔材料注入到封孔段内；③囊袋式封孔，在孔内置入一次性囊袋注浆装置，作业时浆液经塑料堵头件上的注浆孔进入囊袋，封孔浆液在注浆压力作用下向钻孔壁渗透。药卷式封孔的封孔速度快，但封孔的效果较差，封孔的效果与浆液的量有关；注浆式封孔在封孔后的注浆泵难以清洗，需要经常更换注浆泵；囊袋式封孔受环境温度的影响较大，若温度过低囊袋内的封孔浆液反应程度降低，因而不易渗透至钻孔周围，这导致封孔的效果不佳。

3.2 PD 材料封孔工艺

PD 材料封孔是最近发展起来的微胶囊化技术，在进行封孔时材料的浆体在凝固过冲中逐渐膨胀并渗透到钻孔周围的裂缝中，从而实现对钻孔周围裂隙的封堵。该材料在应用过程中，需要以膨博封孔剂来进行注浆隔断，在封孔段的两端封堵中间进行注浆。PD材料主要是由高膨胀水泥和高水材料混合而成，在加入若干增稠和保水材料。在应用该技术进行封孔时，首先要确定巷道周围的围岩松动圈的范围，并以此来确定封孔段的最低长度，然后将封孔材料通过注浆管注入到封孔段内。在实际应用过程中，该工艺具有良好的封堵效果，然而由于PD材料固化形成的固体弹性较差，在采动应力作用下很容易产生裂缝，导致空气进入到抽采钻孔中去。

3.3 新型改性水泥封孔工艺

为了保证对瓦斯抽采钻孔进行有效封堵的同时还能兼顾作业成本和技术操作性，中煤科工集团研发了新型改性水泥封孔材料及配套工艺。以普通水泥和膨润土为基料，以保水剂为辅料，并加入一定量的膨胀剂的新型改性水泥封孔材料具有良好的膨胀性能，能有效地防止浆液凝固后形成的固体的开裂。该材料具有很好的流动性，固化时间短，能有效的防止浆液发生离析现象。新型改性水泥材料与传统的封孔材料相比，造价相对较低而且无毒，在进行封孔作业时配套设备使用简单，设备的可重复性使用。在我国的山西晋城、潞安、霍州，以及贵州水城、盘江等矿区得以大面积推广应用。

3.4 瓦斯抽采钻孔修复工艺

随着抽采时间的增加，抽采钻孔内的瓦斯浓度逐渐下降，这对于瓦斯抽采十分不利。若放弃浓度低的钻孔，这降低了抽采钻孔的利用率，增加了瓦斯抽采的作业成本。因此，针对这种情况，采用了瓦斯抽采钻孔修复工艺，也就是对钻孔进行二次封孔。二次封孔可以采用的封孔工艺较多，例如采用水泥砂浆加细石粉为材料进行二次注浆，通过对囊袋式封孔器预留的注浆口注入聚氨酯浆液进行二次封孔等等。在判定钻孔失效后，通过向初次封孔段内注入超细粉尘颗粒、化学黏液等适用的漏气处置材料， 对钻孔周围等效裂隙场实行二次或多次封堵。

4 钻孔封堵技术发展方向

经过60多年煤矿事业的发展，处理瓦斯的方式有最初的瓦斯抽放到现在的瓦斯抽采，更关注的是提高资源的利用率，这也对技术提出了更高的要求。如何提高煤层的抽采瓦斯浓度已成为瓦斯抽采所要解决的问题，解决这方面的问题还应该从抽采钻孔的封孔出发。钻孔封堵技术已由最初的水泥浆封堵，发展至高分子、PD 材料、柔性膏体材料封孔，最近又出现了以新型改性水泥封孔为代表的新型封孔工艺。但由于我国高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井煤层瓦斯地质条件差异性大，各种封孔技术的适用性存在很大的问题。随着我国煤矿开采进入到深矿井开采时代，应着力研发能适应大变形条件的高性能封孔材料。在深部开采时，钻孔周围的应力和瓦斯压力大，这会导致钻孔的变形加大，如何在这种条件下实现对钻孔的封孔显得十分关键。此外，应该研发适于井下作业的快速注浆封孔设备，以提高封孔的速度，减轻作业人员的劳动强度。科学地确定钻孔的合理封孔深度就成为封堵技术工艺发展的又一研究方向。

5 结语

斯抽采是煤矿井下治理瓦斯的主要方法，其核心思想是对煤层中的瓦斯进行利用。瓦斯只有在一定浓度下才具有利用的价值，提高瓦斯浓度是瓦斯抽采急需解决的问题。瓦斯抽采是通过抽采钻孔完成的，因此保证抽采钻孔的封孔质量对于保证瓦斯浓度具有重要意义。造成钻孔漏气的原因可以分为四种：煤岩体次生裂隙漏气、封孔材料失效漏气、封孔材料与钻孔壁接触不紧密存在缝隙以及应力环境的改变。因此，钻孔的封孔质量不仅与封孔材料和封孔工艺有关，还与抽采钻孔周围的煤岩体应力状态有关。在进行抽采钻孔封孔时，应该综合考虑到煤岩的力学性质、力学状态对封孔的影响。

参考文献：

[1]石海涛.瓦斯抽采钻孔稠化膨胀浆体封堵技术研究及應用[D].北京：中国矿业大学，2017.

[2]魏自富，李洪贺，高凡.浅谈松软煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术[J].煤，2016，25（06）：49-50+70.

[3]王重文，连现忠.瓦斯抽采钻孔“两堵一注”带压封孔技术及装置研究[J].世界科技研究与发展，2016，38（02）：357-359+370.

作者简介：

樊阳阳（1983- ）男，汉族，河北省井陉县人，2015年毕业于山西煤炭管理干部学院煤矿开采技术专业，通风助理工程师，现就职于山西新景矿煤业有限责任公司。