囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺材料的自主创新与应用

沈 浩

（铁法煤业（集团）有限责任公司大隆矿，辽宁 调兵山 112700）

1 问题提出

铁法煤业（集团）有限责任公司大隆矿始建于1966 年9 月，2019 年6 月矿井核定生产能力为210万t/a。大隆井田处于晓明背斜和大兴向斜之间，形成一个北高南低的单斜构造，并有轻微的褶曲。地层走向以北西向为主，倾角一般为6°～10°。井田走向长（东西）4.43 km，倾斜宽（南北）3.58 km，面积13.55 km2。大隆井田有9 个可采煤层，其中4、7、15、16 层为主要可采煤层。

2010 年5 月大隆矿鉴定为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯含量普遍在8 m3/t,瓦斯治理方面坚持“抽采为主、风排为辅”，主要通过钻孔进行瓦斯抽采，需要施工的瓦斯抽采钻孔数量多，所使用的封孔工艺材料也随之增多，存在材料费用消耗大的问题。为节省材料费用支出，降低成本，对囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺材料进行优化设计[1-4]。

2 封孔工艺材料的选取与设计

2.1 封孔工艺材料的组成

囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺主要用在煤矿井下抽采钻孔施工完毕后对钻孔进行封闭工作，封闭后使钻孔周围存在的裂隙通过注浆料得到充填，同时消除钻孔漏气现象发生，从而提高钻孔密封效果。封孔时主要是通过利用注浆泵进行加压注浆，达到改变钻孔周围煤体特性和密度使钻孔口20 m 范围内得到可靠的支护保证，即避免中后期钻孔漏气和塌孔现象的发生，也提高了瓦斯抽采浓度。囊袋式“两堵一注”带压封孔材料主要由囊袋、注料管、注浆泵、封孔料四部分组成，结构原理简单，操作简便、封孔快捷，封孔效果好。囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺原理如图1。

图1 囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺原理示意图

2.2 封孔工艺囊袋的选取设计

囊袋的主要作用是通过囊袋将封孔料中的水分筛出留下封孔料，按设计的封孔长度将钻孔两侧密封并固定抽采管路。囊袋布采用的是丙纶长纤维材质，布面光滑，透气性能好，用于制作囊袋比较耐酸、耐碱、耐水解、抗氧化、抗毒变。

囊袋布的厚度在0.85～1.35 mm 之间，质量420 g/cm3，融化点142～146 ℃，正常使用温度小于90 ℃，有效过滤精度最小可达到1 μm 左右。矿内女工将囊袋布裁剪成全长为580 mm、宽度为460 mm 长方形布块，再使用缝纫机加密缝合3 次，缝合后保证外径为150 mm、内径为145 mm 空心圆柱形。前置囊袋在缝合过程中需要在一侧留出1个20 mm圆孔，后置囊袋在两侧位置各留出1 个20 mm 圆孔，便于注料管的穿插和囊袋与注料管路连接。缝合后达到断裂伸长率为28%～76%、断裂强度2608～2050 N，适用于直径范围在150 mm 以内的抽放管路。

2.3 封孔工艺注料管的选取设计

注料管的主要作用是在注浆泵的压力作用下将封孔料输送到囊袋和钻孔内完成注浆封孔工作。注料管采用的是聚乙烯管材（PE100），抗压耐用不易破裂，坚固耐磨，韧性强，耐高温，抗冻性强，弯曲半径可小到管径的20～50 倍，正常使用温度-30～50 ℃，选用外径为20 mm、壁厚为2.3 mm，可承受18 kg 压力，约为1.8 MPa。注料管长度选择22 m，其中有效封孔长度选择20 m，钻孔外留余2 m 与注浆泵连接。使用手电钻在注料管有效封孔长度20 m 内钻削3 个Φ8 mm 圆孔，用于封孔料流入囊袋和钻孔内。3 个圆孔分别用牛筋管进行掩护，使用2 个单耳无极卡箍将牛筋管固定在注料管中间的圆孔处，通过牛筋管将圆孔密封，只有注浆泵给到一定的压力，达到牛筋管工程压力值时，牛筋管破裂封孔料流入钻孔内完成封孔工艺。两侧的圆孔使用胶带将牛筋管固定，两侧的牛筋管主要的作用是防止封孔料逆流。使用的牛筋管柔软性好、颜色透亮、韧性好、有弹力，正常使用温度在-5～65 ℃之间，牛筋管公称压力为0.63 MPa。使用Φ18 mm 封管木楔将注料管前端堵严，防止封孔料从注料管的另一端流出。囊袋与注料管的连接和注料管中间孔与牛筋管的连接均采用的是单耳无极卡箍，采用的是304 不锈钢材质，耐腐蚀、不生锈，压紧力为2.4 MPa，管表面360°均匀受力压缩保障密封性。

2.4 封孔工艺注浆料和注浆泵的选取

1）注浆料主要作用是将前置囊袋和后置囊袋之间的钻孔、钻孔壁裂隙进行填充，实现钻孔密实封孔。采用具有膨胀作用的水泥砂浆，流动性、膨胀性和密实性良好，封孔成本较低，瓦斯抽采效果良好。注浆料无毒、无污染、无腐蚀性、阻燃等性能良好。

2）注浆泵的主要作用是在排浆压力作用下将注浆料通过注料管往复注入钻孔内实现封孔。注浆泵以井下压缩空气为动力，工作气压为0.63 MPa，排浆压力为1.5 MPa，排浆流量为27 L/min，整机质量16 kg，注浆泵体积小，使用可靠。

2.5 封孔装置的组装

进行囊袋式“两堵一注”带压封孔装置组装，首先选取完好的注料管，并用封管木楔将注料管前端堵严；然后使用2 个单耳无极卡箍将牛筋管固定在注料管中间注料口位置处，使用胶布将牛筋管固定在两个囊袋注料口处；再将后置囊袋套入注料管上，使用2 个单耳无极卡箍将囊袋与注料管固定牢固；最后将前置囊袋套入注料管上，使用2 个单耳无极卡箍将封管木楔、囊袋、注料管一起固定牢固。组装完成后形成一套囊袋式“两堵一注”带压封孔装置。

2.6 封孔工艺原理

1）准备工作。首先将注浆泵接设完好试运转，然后根据要求接设一定长度的抽采管路，再在规定位置处使用铁线将抽采管路与前置囊袋和注料管路捆绑牢固，防止安装时移动，最后采用压风清扫钻孔，排除钻孔中残余煤（岩）细屑。

2）安装工作。首先将抽采管路及安装封孔装置的抽采管路送入钻孔，两囊袋之间的注料管可用胶布或细铁线将其与抽采管路捆绑固定，再将后置囊袋用铁线固定在抽放管路上，按要求将前置囊袋送入规定深度即可。抽采管路进入钻孔设定位置后，可利用铁丝固定好抽采管路，防止抽采管路及封孔装置移动。

3）注浆封孔。按比例向搅拌桶装入封孔材料，启动搅拌器，将封孔料搅拌均匀。将注浆泵出口与注料管相连，启动注浆泵开始注浆。封孔料通过注料管路从后置囊袋注料口和前置囊袋注料口流入两个囊袋内，随着封孔料的增多两个囊袋逐渐鼓起，达到封闭钻孔的作用。注浆泵继续注浆加压增大，当排浆压力达到0.63 MPa 时，注料管中间位置的牛筋管受压力的作用破裂，封孔料从注料口流入钻孔内。当注浆压力达到1.5 MPa 时持续3 min 将钻孔周边裂隙充填密实，即可停止注浆。钻孔注浆24 h后，可以连接瓦斯抽采系统，进行抽采瓦斯。

3 封孔工艺的使用效果分析与研究

1）封孔工艺材质能够满足井下现场的使用条件，在注入封孔料时，达到了预期的使用效果，没有出现封孔料流动性差、牛筋管无法破裂的情况，能够很好地密封瓦斯抽采钻孔。

2）通过井下定向钻孔、本层预抽钻孔、穿层钻孔、高位钻孔等进行现场实际安装和使用，实现了钻孔高浓度的瓦斯抽采，提高了瓦斯抽采浓度。

3）密封完好的钻孔随着抽采瓦斯时间的延长，钻孔内瓦斯浓度平稳缓慢降低。

4）大隆矿通过自主选取材料，经矿内女工利用闲余时间进行囊袋的缝合加工，创新出新型的囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺装置。装置总体结构简单，操作简便，封孔快捷，取得了良好的封孔效果。自主加工1 个囊袋式“两堵一注”带压封孔装置需要的材料费用是43.12 元，据统计大隆矿2021 年井下施工定向钻孔9 个、深度4505 m，本层预抽钻孔173 个、深度22 890 m，穿层钻孔252 个、深度18 244 m，高位钻孔792 个、深度75 232 m，共计1226 个钻孔，全长120 871 m。购买一个囊袋式“两堵一注”带压封孔装置需要500 元，大隆矿一年购买封孔装置所使用的材料费为613 000 元，通过自主加工封孔装置可以节省材料费560 134元。自主创新加工比购买封孔装置节省了91%的材料费用支出，为大隆矿节资降耗做出贡献。

4 结论

1）通过对囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺装置材料的选取和优化设计，制作出新型的囊袋式“两堵一注”带压封孔装置，经过试验和井下的使用达到了预期的使用效果，提高了瓦斯抽采率。

2）通过自主创新加工的囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺装置节省了91%材料费用支出，为煤矿安全生产提供稳定的经济基础。此方法能够在其他矿井进行推广和应用，具有较好的推广应用价值。