“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝試驗及效果分析

文/孟鍵 白鵬

一、引言

煤層瓦斯抽采工作是煤礦瓦斯治理最主要的手段，也是瓦斯利用的重要環(huán)節(jié)，煤層瓦斯抽采效果的好壞，直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。瓦斯抽采工作在高瓦斯、突出礦井瓦斯治理工作中具有不可替代的作用。由于我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、透氣性差、地應(yīng)力大，使得常規(guī)的封孔方法和工藝封孔效率低、封孔效果差。

山西石泉煤業(yè)有限責任公司目前所開采的3號煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，礦井瓦斯問題尤為嚴重。原有封孔技術(shù)缺陷使得石泉煤業(yè)抽采鉆孔漏氣嚴重、抽采瓦斯?jié)舛鹊?，不利于煤層瓦斯抽采工作，也非常不利于煤礦安全生產(chǎn)。基于此，結(jié)合石泉煤業(yè)3號煤層具體情況，開展針對巷道周邊煤巖體蠕變條件下的巷周及鉆孔周邊應(yīng)力分布規(guī)律與裂隙發(fā)育特征，并根據(jù)其確定結(jié)果，確立煤層鉆孔的合理始封位置、合理封孔深度、合理注漿壓力等參數(shù)研究，為提高煤層鉆孔封孔質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

二、目前我國煤礦煤層鉆孔封孔技術(shù)存在的主要問題

巷道周圍煤巖體的蠕變效應(yīng)對于鉆孔始封位置和封孔段長度影響研究較少，注漿壓力等選擇不合理，導(dǎo)致鉆孔周邊裂隙無法被完全封堵、封孔效果不理想，使得煤層瓦斯抽采效果差、煤層測壓測值不準，影響瓦斯治理措施，為煤礦安全生產(chǎn)埋下隱患。

三、采用聚氨酯封孔工藝現(xiàn)狀

石泉煤業(yè)原來采用聚氨酯材料對煤層鉆孔進行封孔，并聯(lián)網(wǎng)抽采，但瓦斯抽采效果并不理想，瓦斯抽采效率普遍不高，其主要原因之一就是封孔質(zhì)量差。以采用聚氨酯封孔的巷幫鉆場抽采瓦斯參數(shù)為例，30106膠帶順槽在掘進初期20d內(nèi)掘進了50.4m，巷幫鉆場4個超前鉆孔瓦斯抽采濃度穩(wěn)定在4%～6%，瓦斯抽采純量在0.1～0.14m3/min，單個鉆孔瓦斯抽采純量平均為0.025～0.035m3/min，由此可見，采用聚氨酯封孔方法的封孔效果并不理想。

四、“兩堵一注”帶壓注漿高效封孔工藝技術(shù)原理

1.早期的“兩堵一注”帶壓封孔原理

先在封孔段的兩端進行封堵，兩端常用的封堵材料是袋裝聚氨酯。待兩端封堵材料發(fā)泡、凝結(jié)后，再使用位于兩端封堵材料之間的注漿管對封孔段中間部分進行帶壓注漿；在注漿壓力的作用下漿液向鉆孔壁的裂隙中滲透填充，最終封堵鉆孔壁周邊的裂隙，完成封孔。

2.新型“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔工藝介紹及技術(shù)原理

“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔工藝利用注漿泵產(chǎn)生的注漿壓力，先將封孔器兩頭的囊袋充滿漿液、兩端囊袋膨脹后液漿再封閉中間封孔段的縫隙，從而實現(xiàn)多層封孔，具有主動封孔、封孔嚴密、操作簡單、使用方便等優(yōu)點。

3.封孔器工作原理

將“兩堵一注”囊袋式帶壓封孔器的注漿管與注漿泵連通，液漿在注漿泵壓作用下進入注漿管，漿液經(jīng)過單向閥進入囊袋1及囊袋2，囊袋迅速膨脹，將囊袋的外徑緊固在煤層孔壁上，將封孔器兩端的孔封閉；當壓力大于1.6MPa時，中間爆破閥打開，液漿將兩個囊袋中間的封孔段部分充滿，并在注漿泵產(chǎn)生的壓力作用下對孔周邊裂隙進行充填，壓力在2MPa持續(xù)一段時間后，周邊裂隙注滿，注漿泵自動注停，實現(xiàn)密實封孔。待到漿液凝固后，即可連接抽采系統(tǒng)，通過瓦斯抽采軟管連接瓦斯抽采干管路抽采瓦斯。

圖130106膠帶順槽本煤層順層鉆孔封孔試驗布置示意圖

圖2瓦斯抽采鉆孔封孔布置示意圖

五、試驗地點概況

30106膠帶順槽沿3#煤層底板掘進，該層位為二疊系下統(tǒng)山西組，該層位主要由3#煤層及其頂?shù)装迥鄮r、砂質(zhì)泥巖及砂巖組成。煤層賦存平緩，平均厚度為6.11m，走向角度10°左右，煤層結(jié)構(gòu)簡單。設(shè)計全長1035m，按方位4°沿3#煤層底板掘進；巷道采用錨索梁網(wǎng)支護方式，斷面：矩形；規(guī)格：掘=寬×高=4800×3200mm，凈=寬×高=4600×3100mm，如圖 1所示。

六、“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝試驗方案的確定

1.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝確定的背景

組織對聚氨酯、專用封孔膠、“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔廠家分別進行現(xiàn)場試驗，待鉆孔與抽采水箱連接到位后對單孔濃度、流量進行連續(xù)跟蹤測定及封孔質(zhì)量檢查和分析，根據(jù)瓦斯抽采最佳效果，最終選擇確定“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝技術(shù)。

2.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝技術(shù)方案的確定

本次試驗根據(jù)試驗地點鉆孔布置、巷道幫部錨桿孔布置，并結(jié)合煤層松動圈機理制定了試驗方案：封孔管下管長度為15米，每節(jié)3m，每節(jié)采用絲扣連接，末端一節(jié)封孔管篩管（花眼）長度為2m，末端一節(jié)封孔管口設(shè)置堵頭 （防止煤渣吸入封孔管影響抽采效果），為了盡量避開或排除外界對封孔氣密性因素的影響，選取第一個囊袋位于孔口3.5m，第二個囊袋位于篩管花眼外1.5m，保持兩個囊袋之間距離為8m，囊袋采用鐵絲捆扎在封孔管外壁，保證捆綁牢固可靠，如圖2所示。

3.抽采鉆孔封孔注漿泵技術(shù)標準

（1）注漿泵用風壓為 0.4～0.5MPa，注漿壓力為 2～2.5MPa，注漿泵自動注停則該鉆孔停止注漿，表明該鉆孔內(nèi)漿液已達到飽和狀態(tài)，漿液已填充滿封孔段煤體裂隙，該孔注漿結(jié)束。注漿過程中若注入專用水泥數(shù)量較多，注漿泵壓力仍未上升，說明存在竄孔（鉆場內(nèi)各鉆孔之間或鉆孔與幫部錨桿孔）現(xiàn)象，存在導(dǎo)通的通道，該孔斷定為無效孔，應(yīng)停止注漿作業(yè)。

（2）嚴格按要求進行配料（注漿泵筒內(nèi)標有刻度及量程，配料要求為45L水，3袋封孔料，每袋封孔料重15kg），封孔水泥有結(jié)塊現(xiàn)象時，入桶之前進行篩選，嚴禁結(jié)塊物進入攪拌桶內(nèi)。

（3）封孔結(jié)束后，及時清洗注漿泵，確保注漿泵清洗干凈。

（4）封孔完畢后由打鉆隊組將孔口采用水泥封堵抹平，固定孔口抽采管路。

4.抽采鉆孔聯(lián)網(wǎng)程序

（1）封孔注漿完畢8～16小時以內(nèi)對所封鉆孔進行聯(lián)網(wǎng)抽采。

（2）鉆孔孔口通過專用彎頭與Ф50抽采軟管連接，采用管箍固定；鉆孔封孔管與彎頭接口處涂抹密封膠，防止漏氣；軟管連接配套閥門，采用管箍固定；閥門通過Ф50軟管短節(jié)與抽采水箱Ф50鋼管短節(jié)連接。連接軟管吊掛在巷道煤幫上，必須吊掛“平、直、穩(wěn)、牢”，不得彎曲。連接兩孔之間抽采軟管必須有支撐吊掛點。

（3）聯(lián)網(wǎng)后及時抽采，瓦斯抽采隊技術(shù)人員立即對單孔抽采參數(shù)進行測量，并做好單孔抽采初始濃度記錄。

七、“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝試驗效果分析

經(jīng)過在30106工作面采用“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔，并通過對封孔效果及數(shù)據(jù)的跟蹤測定分析，從主管路抽采參數(shù)、支管路抽采參數(shù)、單孔濃度方面均實現(xiàn)較大程度提高，且成效顯著。目前礦井高低負壓瓦斯抽采濃度、抽采純瓦斯量、礦井瓦斯抽采率均呈現(xiàn)出跳躍式提升，主管路瓦斯?jié)舛扔?%提高到10%，增幅近3倍多，主管路抽采純瓦斯量由7m3/min提高到36m3/min，增幅近5倍；支管路瓦斯?jié)舛扔?%提高到25%，增幅近12倍，支管路抽采純瓦斯量增幅近15倍，為瓦斯發(fā)電氣源保障奠定堅實基礎(chǔ)。通過對兩種不同封孔方式的試驗鉆孔數(shù)據(jù)進行跟蹤測定，從兩種封孔工藝試驗鉆孔中選取現(xiàn)場施工最為成功且具有代表性鉆孔數(shù)據(jù)進行如下對比，如圖3所示（聚氨酯與“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔抽采濃度曲線圖）。

圖3聚氨酯與“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔抽采濃度曲線圖

八、結(jié)論

1.試驗表明“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝能夠簡單、快速、高效進行瓦斯抽采鉆孔的封孔，既可應(yīng)用于巖石鉆孔，也可應(yīng)用于煤層鉆孔，具有很強的瓦斯抽采鉆孔普適性。

2.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔率減慢，抽采濃度及抽采量高倍數(shù)遞加，有利于瓦斯利用氣源需求。

3.高壓封孔的水泥漿不但能封堵圍巖的漏氣通道，減緩了鉆孔變形的速度，而且所采用的速凝膨脹水泥在初凝后發(fā)生一定的體積膨脹，使封孔段鉆孔周圍形成高應(yīng)力區(qū)，膨脹力繼續(xù)壓密未曾充填的裂隙，進一步減少漏氣通道，對鉆孔起到主動支護的作用，減小了鉆孔的塑性區(qū)及鉆孔變形量，降低了封孔段巖體的透氣性。

4.“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝設(shè)備成套性強，囊袋注漿和鉆孔注漿依據(jù)設(shè)定壓力依次自動進行，達到設(shè)定最終壓力注漿泵自動停止，封孔結(jié)束無需人工干預(yù)，避免了人工由于經(jīng)驗不足而造成的操作失誤。另外，共享啟動馬達的自動攪拌制漿系統(tǒng)，降低了操作人員的工作強度。