瓦斯抽采鉆孔封孔解析

摘 要：本文首先就煤礦瓦斯的危害及瓦斯抽采的必要性予以概述，并對瓦斯抽采鉆孔的封孔方式展開細致分析，旨在提高瓦斯抽采效率。

關鍵詞：瓦斯抽采;鉆孔;封孔

1 瓦斯抽采概述

1.1 煤礦瓦斯的危害

在煤礦開采中，瓦斯氣體大量存在，是一種以甲烷氣體為主的氣體混合物，具有很大的危害性。瓦斯事故在煤礦生產(chǎn)中有較多發(fā)生，特別是在高瓦斯煤層開采中，常見的瓦斯事故有：一是瓦斯窒息事故，當瓦斯?jié)舛冗^高時，會使人因缺氧而窒息，常見于瓦斯通風不暢、采空區(qū)瓦斯涌出、誤入未經(jīng)通風的巷道等情況;二是瓦斯燃燒事故，若礦區(qū)火源管理不嚴，而且存在瓦斯大量涌出、積聚、通風不及時等問題，容易導致瓦斯燃燒;三是瓦斯爆炸事故，瓦斯遇火反應有一定的濃度界限，若瓦斯?jié)舛炔桓哂?%，僅會燃燒，若濃度處于5%至16%之間時，可能會發(fā)生爆炸，也稱之為瓦斯爆炸界限，而且瓦斯爆炸是最為嚴重的煤礦事故。四是煤與瓦斯突出，當煤層應力以及瓦斯壓力突破某限值的情況下，使得瓦斯氣體以及碎煤以突發(fā)形式的噴出，會帶來較大的破壞性。

1.2 瓦斯抽采技術

該技術主要通過鉆孔的方式，將煤層瓦斯能夠在抽采設備作用下，抽放至地表，并將瓦斯進行存儲和利用。瓦斯抽采也是瓦斯事故的主要防控措施，能夠有效控制瓦斯?jié)舛龋疫€能夠變廢為寶，提高瓦斯資源的利用效率。瓦斯抽采的作用總結如下：一是控制瓦斯?jié)舛?，降低瓦斯涌出量，提高礦井通風效率;二是降低煤層瓦斯壓力，控制瓦斯對煤體的破壞，避免發(fā)生瓦斯突出問題;三是瓦斯資源的開發(fā)與應用;四是控制煤礦生產(chǎn)污染問題。

2 瓦斯抽采鉆孔封孔方式分析

2.1 材料式封孔方式

2.1.1 粘土封孔

粘土封孔是比較原始的封孔方式，隨著封孔技術發(fā)展與進步，該方法在實際中僅有較少應用。工作原理是在管道和鉆孔形成的空間內裝入粘土，在此基礎上進行壓實。將水泥漿注入孔口附近，在封孔前需要保證已經(jīng)固結完畢，采用這種方法對材料性能要求低，材料的成本也較低。但其封孔效果受工藝精度限制，勞動強度較大，而且受黏土特性影響，封孔長度較小，還會出現(xiàn)裂縫等問題，影響抽采效果。

2.1.2 水泥砂漿封孔

粘土封孔已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需要，人們對其進行了改進，主要是通過在鉆孔的基礎上，將一些實體物放到抽采管兩端，將其堵住，然后再在里面混入水和水泥，利用注漿泵實現(xiàn)封孔的目的。采用這種方法所使用的水泥獲取方便，成本較低，有效克服了粘土封孔的弊端。同時，水泥砂漿封孔也易受材料影響，若砂漿出現(xiàn)脫水收縮現(xiàn)象，可造成裂紋的出現(xiàn)，降低鉆孔的封孔效果，而且連續(xù)注漿操作，對人力物力的消耗較大。此外，盡管速凝劑、膨脹劑等外加劑的使用，可以改善砂漿密封性能，但會封孔效果仍然較差。

2.1.3 聚氨酯封孔

這種方法是通過將特定的兩種材料進行攪拌混合，然后再將其送入抽采鉆孔，過了一段時間以后，二者混合形成的聚氨酯就會膨脹產(chǎn)生徑向壓力（通常不會超過2兆帕），加快物體進入裂隙的速度，就會形成對鉆孔的封堵。藥液法（有卷纏和壓注兩種形式）是比較常見的處理方式。采用這種方法大大縮短了工作時間，穩(wěn)定性強，在一定壓力范圍內不會產(chǎn)生變形，膨脹效率高。一些研究者還進行了其他材料（PD材料等）的搭配，取得了一定的效果，但能否將其大范圍的投入使用還有待商榷。

聚氨酯封孔方式存在問題如下：首先聚氨酯材料具有10至300秒的發(fā)泡時長，若封孔距離較長時，需對發(fā)泡時間嚴格控控制，否則易在未達到目標位置時即發(fā)泡膨脹，會影響鉆孔封孔效果;其次由于聚氨酯固結后，其透氣壓力通常不會高于2兆帕，在鉆孔內部應力作用下，可能造成封孔材料損壞，破壞封孔密封性能，降低瓦斯抽采效率;最后其作為高分子聚合物，具有凝結放熱的特性，同時聚氨酯材料中還包含一些具有較低燃點的物質，存在引起瓦斯燃燒的可能，而且聚氨酯的發(fā)泡效果還易受到濕度及水分的影響，進而降低封孔效果。

2.2 “兩堵一注”封孔方式

聚氨酯和囊袋是這種方法所必需的材料，能夠在封孔段形成一個堵頭，在此基礎上進行注漿，注漿過程中會用到注漿機，需要做好設備的維護和保養(yǎng)工作，提高注漿過程的安全性。在注漿時產(chǎn)生的注漿壓力，會加快注漿液的滲透速度，最后將抽采鉆孔密封。這種方法能夠根據(jù)實際工況來對封孔參數(shù)進行適當調整，保證孔段和孔壁之間的的連接性和密封性，一定范圍內的注漿壓力能夠提高注漿液的滲入率，注漿液過了一段時間以后就會凝固，此時地應力會促進應力集中區(qū)域的形成，降低了漏氣率，密封性也得到了有效保證。

“兩堵一注”封孔方式也存在不足，當堵頭材料選用聚氨酯時，會因聚氨酯材料特性，而導致封孔效果不佳的情況。同時，“兩堵一注”封孔所應用的囊袋與聚氨酯堵頭，由于結構強度較為有限，不可采用過高的注漿壓力，使得注漿封堵效果受限。此外，隨著持續(xù)向下開采，地下煤層的應力會顯著增加，當出現(xiàn)應力集中或卸壓情況時，會對煤層帶來較大破壞，然而對于封孔長度的判斷有很大難度，僅依靠經(jīng)驗或現(xiàn)有條件，很難保證裂隙帶鉆孔密封效果。

2.3 封孔器封孔方式

膠圈和膠囊是封隔器封孔常見的方式。膠圈封隔器主要是通過固定螺帽，利用外套管的運動實現(xiàn)對膠圈的壓縮，膠圈一旦被壓縮就會產(chǎn)生徑向位移，當位移量達到一定程度時，就會對環(huán)空空間進行封堵;膠囊封孔器是通過選擇合適的方向對膠囊施加力，在力的作用下產(chǎn)生膨脹，就會占據(jù)空間，形成對環(huán)空空間的封堵。通過這種工作原理，研究人員又采用了注漿式和充氣式的封孔方式，主要是將囊袋與充氣機等設備相連，在設備的作用下囊袋就會膨脹，占據(jù)空間增大，達到封孔的目的。這種方法的好處是能夠在較短的時間內實現(xiàn)封孔，并且工作原理簡單，易操作，不容易引發(fā)安全事故。封孔器封孔的問題表現(xiàn)在：適用范圍小，封孔器成本高，封孔深度有限，多作為臨時性封孔，而且還會發(fā)生橡膠膠囊老化等問題，影響鉆孔密封效果。

2.4 二次封孔技術

這種技術在21世紀首次被提出，隨后經(jīng)過眾多科研者的努力，不斷進行試驗改進，取得了重大進步，能夠有效的對抽采鉆孔進行封孔。封孔過程如下：第一階段，在抽采管上纏繞聚合發(fā)泡材料，然后在此基礎上將抽采管放入松動圈外，工作一段時間后，煤層在地應力和回采面的影響下，產(chǎn)生位移變形，會擴大原有煤層的裂隙，使抽采管中的空氣含量增加，降低了抽采濃度。第二階段則是在鉆孔內加入微細膨脹粉料，這種材料的組成十分復雜，主要由石灰、淀粉和水泥等材料混合而成，通過使用高壓空氣能夠很好的實現(xiàn)輸送功能，將環(huán)空空間塞滿，接著進行封孔工作，為了節(jié)省時間，施工人員一般是通過速凝水泥來達到密封效果。這種方法的優(yōu)點是很好的利用了抽采負壓的原理，能夠有效保證輸送材料后的裂隙滲入程度高，減少了風量的損失，將瓦斯抽采濃度控制在一個合理的范圍內，極大地改進了工作效率。

二次封孔技術存在問題如下：一次封孔后容易出現(xiàn)細料堵塞的問題，會降低密封性能;需嚴格控制粉料配比與粒徑精度，工藝復雜其操作難度大;微細膨脹粉料性能對濕度較為敏感，且井下往往具有較大濕度，若因受潮出現(xiàn)結塊現(xiàn)象，會較大程度破壞封孔效果。

3 結束語

綜上所述，在我國，隨著開采深度的增加，瓦斯問題更加突出，而且瓦斯抽采難度也顯著提高，迫切需要瓦斯抽采技術改進與創(chuàng)新。而封孔效果直接關系瓦斯抽采效率，需要掌握瓦斯抽采封孔方式，更好的保障封孔密封性能。

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作者簡介：

王飛（1981- ），男，河北張家口人，畢業(yè)于山西大同大學，通風與安全工程師。