一种新型瓦斯抽采封孔装置的设计与应用分析

武文星

（晋能控股集团王村煤业有限责任公司，山西 大同 037003）

引言

为了提升瓦斯抽采的效率，降低钻孔漏气的影响，诸多研究人员在瓦斯抽采钻孔封孔质量以及封孔工艺方面进行了长期的研究，取得了显著的成果。最早应用的封孔工艺主要是水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔以及囊袋式封孔，以此为基础发展出“两堵一注”封孔工艺和配套设备。“两堵一注”封孔方法从原理上来说能够很好地解决封孔压力不足以及钻孔周围存在漏气通道等问题，但是该方法配套设备有注浆管、回浆管以及抽采管，并且注浆管和回浆管同抽采管相切，使得复合囊袋充填浆液膨胀后，“三角区”难以完全填充，进而使得注浆封孔过程中常常伴随漏浆情况，导致注浆压力有所下降，钻孔周围裂隙难以完全填充[1]。因此，设计了一种新型瓦斯抽采封孔装置，在晋能控股煤业集团某矿2110 工作面进行了实地试验，对当前钻孔漏气以及瓦斯抽采效率低等情况提供了经验借鉴。

1 钻孔封孔段漏气机理研究

1.1 钻孔围岩应力分布

巷道在开采前处于初始应力状态。开始挖掘后巷道本身的初始应力状态遭到破坏，开采面周围应力二次分布，煤壁前方出现应力集中现象，产生应力集中区，巷道围岩周围的应力状态较为复杂，从两帮至围岩以此为应力下降区、应力升高区和原始应力区，应力升高区又可以根据深度的变化分为峰前应力升高区以及峰后应力升高区。

瓦斯抽采钻孔能够近似当作1 个采动过后应力重新分布的微小煤层巷道，所以可以沿用巷道应力分布理论进行钻孔封孔相关内容的研究。依照松动圈理论不难发现，巷道的挖掘过程破坏了原岩应力的分布，使得围岩平衡发生改变，周围应力重新分布，局部出现应力集中的现象，围岩周围产生1 圈松散破碎带。因此可以认为钻孔开孔后，也会产生1 个近似的破碎圈，称之为裂隙场。巷道掘进过程中径向应力的分布具体情况如图1 所示。

图1 掘进巷道径向应力分布示意图

根据图1 不难发现，巷道的挖掘过程破坏了原有的应力平衡状态，使得煤层发生弹塑性变形、局部出现应力集中，从钻孔孔口至孔底之间依次是应力降低区Ⅰ、峰后应力升高区Ⅱ、峰前应力升高区Ⅲ以及原岩应力区Ⅳ。

1.2 钻孔漏气通道分析

1）封孔段材料存在漏气可以分为两类：一类是材料自身的气密性较差造成漏气；另一类是封孔材料和钻孔壁结合不紧密造成漏气。封孔材料自身漏气是因为材料的性能不满足要求、致密性较差以及固化后容易因为巷道开采过程中周围煤体的应力改变导致自身受到破坏产生裂隙，产生漏气通道；注浆过程中，材料膨胀性或者注浆压力不足使得封孔材料同钻孔壁结合不紧密，产生漏气通道。除此之外，钻孔倾角较小时，受重力的影响导致跑浆现象时有发生，产生环形漏气通道，在瓦斯抽采过程中负压的作用下，巷道内的空气通过通道涌入钻孔。

2）气体在瓦斯抽采钻孔过程中，会通过巷道裂隙带依次经过围岩应力降低区、峰后应力升高区、峰前应力升高区以及原始应力区。受到围岩应力分布的影响，对煤体进行破坏，造成大量新裂隙的出现以及老裂隙的扩展，整个煤层气密性较差，大量漏气通道出现，是瓦斯抽采钻孔过程中的主要漏气通道。

3）钻孔周围裂隙带同开采过程中的巷道围岩较为相似，钻孔周围出现破碎区和塑性区。随着开采的不断深入，煤体受到反复的扰动破坏，产生大量的裂隙，裂隙逐渐扩展为漏气通道，因此也被叫作“漏气圈”[2]。伴随瓦斯的抽采，空气也从漏气圈进入钻孔内部。

2 新型封孔装置的提出

2.1 “两堵一注”封孔技术的不足

“两堵一注”注浆封孔工艺是对此前的黄泥浆封孔和聚氨酯封孔方式的一种改进，属于囊袋式封孔工艺的一种。虽然原理可行但是实际使用效果不佳，瓦斯抽采难以满足既定目标，原因在于管路中的“三角区”缝隙在封浆的过程中难以被完全填充，空气借助抽采负压从产生的缝隙流入钻孔，使得抽采效率下降。“两堵一注”封孔装置漏气通道如图2 所示。

图2 “两堵一注”封孔装置漏气示意图

根据图2 不难发现，囊袋填充后，管路同封孔囊袋间存在注浆难以充满的“三角区”，产生漏气通道，空气借助抽采负压从产生的缝隙流入钻孔，使得抽采效率下降。

2.2 新型注浆装置结构设计

设计的新型封孔装置同当前的封孔工艺装置相比，实现了“一管多用，多管合一”，通过抽采管和注浆管与回浆管内切的形式，显著提升了注浆压力，避免了“三角区”漏气通道的产生，显著提高了抽采钻孔密封效果，瓦斯抽采浓度有所保障。除此之外该装置的适应性较强，可以适应多种倾角瓦斯抽采钻孔，结构核心为注浆阀和回水阀。通过二者位置的变化可以将环形注浆空间内的气体完全排出，保证浆液充分渗透至环形注浆空间内，对周围煤体的裂隙也能起到一定的填充作用。

2.3 新型注浆封孔工艺原理

1）依照抽采钻孔的角度设置注浆阀以及回水阀，环形注浆空间的长度在5～10 m 范围内。

2）通过孔口囊袋和孔内囊袋上的单向截止阀向囊袋内注浆，囊袋膨胀通过挤压使得孔壁和煤壁之间紧密贴合，实现封孔段堵头。

3）继续注浆，不断提升注浆压力直到达到复合囊袋间注浆阀开启压力1.5 MPa 时，打开回水阀排出环形注浆空间内的空气，注浆压力使得注浆充满环形注浆空间、周围煤体的裂隙中以及周围的“漏气圈”中，进一步减小孔壁周围的漏气通道。

4）一旦回浆管又浆液流出，即刻关闭孔口回水阀，提高注浆压力至2 MPa，持续10 min 后停止注浆，完成整个抽采钻孔的封孔过程。

3 现场工业性试验

3.1 试验工作面概况

晋能控股煤业集团某矿设计生产能力为60 万t/年，平硐加暗斜井开拓方式。2110 工作面开采煤层均为2 号煤层，是较稳定煤层，巷道长度174 m，东邻2108 工作面（已回采），西邻2112 工作面（正在布置），南接2 号煤层边界巷，北至2110 开切眼与一、二水平隔离煤柱，使用两进一回“Y”型全负压的通风方式。回采期间瓦斯涌出量大约是8.25 m3/min，2110 工作面布置有平行顺层钻孔进行瓦斯抽采，相邻煤层布置穿层钻孔进行预抽采。

3.2 封孔方案改进试验

为了比较新型瓦斯抽采封孔装置的实际工作效果，采用聚氨酯封孔法、囊袋式“两堵一注”封孔法和新型瓦斯抽采封孔方法分别进行试验，比较实验结果。实验方案是在底板上方1.5 m 处水平进行瓦斯抽采钻孔，相邻钻孔间距为8 m、孔径5 mm、孔深60 m，总计钻孔15 个。钻孔完毕依次使用3 种封孔工艺进行钻孔间隔封孔。使用同种工艺的5 个孔采取串孔的方式形成抽采支路，共计3 个支路，支路同抽采总管相连接。

3.3 试验结果分析

完成封孔后，分别记录3 组封孔工艺的瓦斯抽采体积分数以及瓦斯抽采纯量，两次测量之间间隔5 d，根据所得数据绘制变化曲线图，如图3、下页图4 所示。

图3 瓦斯抽采体积分数对比曲线

图4 瓦斯抽采纯量对比曲线

根据图3 不难发现，测量至50 d 时，聚氨酯封孔工艺、“两堵一注”封孔工艺以及新型封孔工艺的平均瓦斯抽采体积分数分别是38.02%，50.82%和56.84%。相较于原有的2 种工艺，采用新型封孔装置的瓦斯抽采体积分数显著提升，提升幅度分别为49.50%以及11.85%。

根据图4 不难发现，平均瓦斯抽采纯量同瓦斯抽采体积分数的变化趋势较为相近，测量至50 d 时，3种工艺的平均瓦斯抽采纯量分别为0.032 m3/min，0.042 m3/min，0.046 m3/min，相较于原有的2 种工艺，采用新型封孔装置的瓦斯抽采纯量显著提升，提升幅度分别为43.75%以及9.52%。

根据上页图3、图4 不难发现，随着时间的推移，不论何种钻孔封孔工艺，平均瓦斯抽采浓度以及瓦斯抽采纯量都会逐渐下降，但是采用新型钻孔封孔工艺平均瓦斯抽采浓度以及瓦斯抽采纯量的下降速度要显著小于其他2 种工艺。由此可知，新型钻孔封孔装置密封性更佳，减小漏气通道以及孔内的负压损失的效果更好，瓦斯抽采浓度以及瓦斯抽采纯量明显更高。由此可见新型钻孔封孔装置对于改善当前瓦斯抽采过程中效率较低、质量较差等问题有着重要意义。