囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔工艺关键参数技术研究

尹勇勤，程风超

(郑煤集团 杨河煤业公司，河南 新密 452380)

煤与瓦斯突出事故是影响煤矿安全生产的重要因素之一，瓦斯抽采是防治煤与瓦斯事故的最根本、最直接、最有效的措施[1]。我国65%以上的回采工作面预抽瓦斯体积分数不足30%，充分体现了抽采钻孔封孔质量差、效果差的现状[2]。封孔质量的好坏直接影响抽采钻孔作用的发挥，提高封孔质量对安全生产具有重要意义[3]。

1 概况

杨河煤业为突出矿井，开采二1煤层，煤层属于典型的三软煤层，煤层地质条件复杂、透气性差、地应力大，采掘工作面煤层瓦斯含量普遍在6 m3/t以上，局部煤层瓦斯含量达到8 m3/t，主要采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯的治理措施。顺层钻孔主要采用聚氨酯+水泥“两堵一注”封孔工艺进行封孔，但是该封孔工艺存在钻孔抽采浓度低、抽采流量小、单孔抽采周期短、整体抽采周期长、抽采效果差等缺点，往往需要施工顺层钻孔2～3遍，需投入大量的人力、物力和财力，给矿井瓦斯治理造成巨大的阻力，严重威胁矿井正常生产接替[4]。

顺层钻孔采取聚氨酯+水泥“两堵一注”抽采效果差的原因分析：①钻孔封孔工艺落后，封孔质量差；②封孔段深度不足，对巷道预排宽度等值带计算值较小，封孔段以里存在裂隙；③顺层钻孔设计过密，易塌孔、穿孔；④水泥浆未侵入裂隙封堵裂隙，水泥浆收缩后，封孔段存在空白带；⑤聚氨酯“两堵一注”封孔工艺程序繁琐，工人工作随意性大，很少能够严格执行封孔标准。

针对以上情况，杨河煤业公司开展以囊袋式封孔器配合速凝膨胀封孔液材料的“两堵一注”带压注浆封孔试验研究。研究新型囊袋式带压封孔技术，选用具体的封孔方法、封孔材料、封孔长度、注浆压力、注浆量等[5]，对于提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采效果具有重要意义[6]。

2 囊带式“两堵一注”封孔工艺

2.1 技术原理

囊袋式注浆封孔装置主要组成部件有注浆封孔器、封孔专用材料、专用注浆泵等[7]。其主要技术原理是基于煤壁内存在周边裂隙、破碎区裂隙和应力扰动裂隙[8]，通过利用注浆泵增加注浆压力，增大浆液扩散能力，达到改变钻孔周围煤体特性和密封钻孔裂隙的目的，从而提高钻孔密封效果[9]。第1次带压注浆主要是充填囊袋及囊袋之间封孔段；第2次带压注浆主要是封堵煤体周边破碎区裂隙[10]；第3次带压注浆主要是封堵水泥浆凝固收缩产生的空白带及水泥浆凝固收缩产生的裂隙。

2.2 封孔工艺流程

清孔→固定囊袋封孔器和封孔管及注浆管→准备注浆泵注浆材料→第1次带压注浆，浆液进入囊袋，囊袋膨胀，当压力大于1.2 MPa时，中间爆破阀打开，将囊袋之间的封孔段充满→第2次带压注浆，提高注浆压力至2.5 MPa，持续注浆时间不少于5 min，充填钻孔周边裂隙→钻孔周边裂隙注满，注浆泵自动停注→24 h后进行第3次带压注浆，注浆压力2.5 MPa，持续注浆时间不少于5 min→浆液凝固后，连接抽采系统。

2.3 合理的封孔参数研究

国内外专家学者普遍认为，煤体未开发前自身具有裂隙的自然属性，且后期采动影响以及钻孔施工过程中的机械冲击力破坏了巷道周围煤体原有的应力平衡，形成了“三带”，即卸压带(巷道预排瓦斯带)、应力集中带和原始应力带[11]。卸压带内煤体裂隙发育、扩展、贯穿巷道，是漏气的主要原因，该范围可以依据《煤矿抽采达标暂行规定》附表1中的数据或计算公式确定，但是依据《煤矿抽采达标暂行规定》的数据或计算公式确定的范围，往往小于实际数据，因而封孔长度过短，则可能导致抽采钻孔漏气，从而降低瓦斯抽采效率[12]。所以，应首先考察确定巷道预排瓦斯带宽度，从而确定封孔深度和封孔度长度[13]。

杨河煤业在31091回风巷掘进至37.2～70.2、94.9～174.9、1 143～1 203 m三个区域，在31091回风巷下帮煤体施工3组(每组3个)深度为22 m、直径为42 mm的钻孔，钻孔间距为3～5 m，测试钻孔钻屑量、电磁辐射和瓦斯含量等指标[14]；并在31091回风巷布置1组应力监测站，监测站滞后掘进工作面30～50 m，应力监测点3个，孔深分别为22、20、18 m。通过测试数据对比分析回风巷煤体不同位置的指标差异及分布规律。

杨河煤业通过实测31091回风巷煤层瓦斯含量、钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔电磁辐射及数值模拟等多指标综合分析，具体统计结果见表1。

表1 多指标综合分析Tab.1 Comprehensive analysis of multiple indicators

综合以上分析，确定31091工作面预排瓦斯带范围从实体煤一侧计算大于22 m，确定封孔深度22 m，封孔段长度为15 m。

2.4 合理的注浆参数研究

带压注浆封孔的关键是控制好注浆量和注浆压力，注浆量的多少影响封孔的质量，注浆压力决定注浆的质量[15]。

2.4.1 注浆量的确定

只有足够的注浆量，才能有效充填封孔段和钻孔围边裂隙[16]，注浆量计算如下。

(1)浆液密度的确定。

(1)

(2)浆液量的确定。

Q=d×3.14(D2-d2)×h×K×β×α

(2)

式中，D为钻孔直径，取0.094 m；d为封孔管直径，取0.05 m；h为封孔段长度，取18 m；k为钻孔围岩裂隙系数，取1.2；β为钻孔直径不规则系数，取1.1；α为浆液可利用系数，取1.05。

水灰比为1∶1，经计算需要每孔注水泥量108 kg。因此，顺层钻孔采用囊袋式“两堵一注”封孔工艺注浆量不少于108 kg。

2.4.2 注浆压力确定

注浆压力是迫使浆液在钻孔周围裂隙中扩散流动的动力[17]，注浆压力的大小，决定浆液扩散能力的大小[18]，从而决定注浆效果。注浆压力过大时，容易对封孔段周边裂隙承载力造成破坏，扩大裂隙破裂面或生成新裂隙；注浆压力过小，浆液扩散动力不足，造成不能对钻孔裂隙进行有效封堵，其扩散不规律。可以通过牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方程式[19]，模拟计算注浆时所需的压力值：

(3)

式中，P为注浆压力；λ为冗余系数，取1.2；μ为浆液黏度，取1.7×10-4Pa·s；R为扩散半径，30 cm；r为钻孔半径，4.7 cm；T为注浆时间，2 000 min；δ为裂隙开度，0.02 cm。

将数据代入公式计算得，注浆所需压力值为2.5 MPa。因此，顺层钻孔采取囊袋式“两堵一注”封孔工艺注浆所需压力值为2.5 MPa。

3 现场应用及考察

3.1 研究地点

选取杨河煤业31091工作面为试验基地，该工作面为首次回采工作面，未采取抽采措施。煤层厚2.0～15.7 m，平均厚7.5 m，煤层赋存较稳定，煤层倾角12°～22°。

3.2 钻孔设计及封孔工艺参数

试验点设计2组9个钻孔，孔深80 m，孔间距2.5 m，孔径94 mm，采用ZDY4000L型钻机配套φ73 mm三棱钻杆施工钻孔。囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔和聚氨酯封孔工艺参数见表2。

表2 囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔和聚氨酯封孔工艺对比Tab.2 "Two plugs and one injection" polyurethane sealing hole and bladder type pressure grouting sealing technology

3.3 实践效果分析

通过现场对2组钻孔封孔工艺参数进行连续50 d的抽采效果考察，重点考察不同封孔工艺参数瓦斯抽采浓度情况、瓦斯抽采浓度随着时间的增加衰减幅度的变化规律。由图1、表3可知，采用囊袋式“两堵一注”水泥注浆加U型膨胀剂封孔是聚氨酯+水泥“两堵一注”注浆封孔工艺瓦斯抽采浓度的4.5～13.5倍。随着抽采时间的推移，采用囊袋式“两堵一注”水泥注浆加U型膨胀剂封孔工艺的抽采浓度呈现缓慢变化趋势，连续抽采50 d后抽采浓度仍然维持在10%左右；采用聚氨酯+水泥“两堵一注”注浆封孔工艺的抽采浓度呈现直线下降的趋势，连续抽采50 d后降到了3%以下，达到瓦斯抽采极限，不可再抽采。

图1 囊袋式带压注浆封孔和聚氨酯封孔瓦斯抽采变化Fig.1 Gas-draining change diagram of bladder-type sealing hole and polyurethane sealing hole

由此可知，采用囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔工艺能够有效提高钻孔抽采抽采浓度，减缓抽采钻孔衰竭能力，延长钻孔抽采时间。

表3 囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔和聚氨酯封孔工艺瓦斯瓦斯抽采情况Tab.3 Gas and gas drainage situation of bladder type "two plugs and one injection" sealing hole and polyurethane sealing hole with pressure grouting %

4 结语

(1)通过实测煤层瓦斯含量、钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔电磁辐射及数值模拟等多指标综合分析，确定杨河煤业孔的合理封孔深度为22 m，封孔段长度为15 m。

(2)分析了高水充填材料浆液的渗透规律，得到了压力值为2.5 MPa时，扩散半径为0.63 m，浆液可以充填密实钻孔扰动裂隙范围，确定封孔注浆压力为2.5 MPa。

(3)通过对比采用传统工艺封孔的钻孔，采用新封孔工艺进行封孔，钻孔瓦斯抽采浓度提高了4.5～13.5倍，且长时间保持较高的瓦斯抽采浓度。囊袋式“两堵一注”带压多轮次注浆封孔技术在杨河煤业具有良好的适用性，达到了封堵填充顺层瓦斯抽采钻孔周围裂隙的目的，有效提高了瓦斯抽采效果，为下一步瓦斯抽采提供了技术支撑。