順層抽采鉆孔全程注漿封孔技術(shù)和工藝

張?jiān)S樂

（義煤集團(tuán)伊川區(qū)域煤業(yè)有限公司，河南 伊川471300）

根據(jù)順層抽采鉆孔漏氣機(jī)理封孔機(jī)理，為更好達(dá)到封堵鉆孔漏氣通道的目的，對順層抽采鉆孔封孔材料和封孔方法提出了新的要求和改進(jìn)。

1 堵實(shí)徑向漏氣通道

1）順層抽采鉆孔在徑向上主要有封孔材料本身漏氣、封孔段—鉆孔間隙漏氣和鉆孔周圍松動圈漏氣三種漏氣途徑。針對三種漏氣途徑，封孔材料和方法應(yīng)具備：①封孔材料膨脹后（或凝固后），材料本身致密不漏氣；②封孔材料應(yīng)具備滲透性，能夠壓實(shí)松動圈。材料滲透進(jìn)入鉆孔周圍煤體松動圈中的裂隙，能堵實(shí)裂隙。采用高壓注漿，使?jié){液壓實(shí)松動圈，可以相對減少松動圈范圍內(nèi)的裂隙；③封孔材料膨脹后（或凝固后），材料本身應(yīng)不收縮；④封孔材料應(yīng)具有抗壓性。鉆孔周邊煤體受應(yīng)力作用，隨著時(shí)間延長，鉆孔會發(fā)生蠕變，封孔材料的力學(xué)性能應(yīng)能保證在鉆孔發(fā)生蠕變時(shí)與鉆孔周邊煤壁不產(chǎn)生間隙。

2）堵實(shí)軸向漏氣通道（軸向抗運(yùn)移）。順層抽采鉆孔軸向漏氣通道的產(chǎn)生主要是封孔長度較短造成，未覆蓋卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)的裂隙。但如果封孔長度較長，僅會造出封孔材料的浪費(fèi)，而且會形成卸壓帶邊界至封孔段末端一帶內(nèi)煤體內(nèi)的瓦斯抽不出，從而形成抽采盲區(qū)，為日后的生產(chǎn)留下安全隱患。若封孔深度超出巷幫應(yīng)力集中峰值點(diǎn)的深度，就會在峰值點(diǎn)區(qū)域形成一道應(yīng)力屏障，阻隔該區(qū)域兩側(cè)煤體內(nèi)的瓦斯流動，不利于瓦斯抽采和煤體卸壓。因此，順層抽采鉆孔的合理封孔深度應(yīng)該超過卸壓帶，同時(shí)又要小于巷道煤壁應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度即覆蓋瓦斯運(yùn)移負(fù)壓影響區(qū)。

3）采用有效的封孔技術(shù)。為達(dá)到更好的封孔效果，提出全程注漿封孔法，體現(xiàn)"徑向滿實(shí)密、加固松動圈、軸向抗運(yùn)移"封孔機(jī)理。即封孔方法和材料要做到使抽采鉆孔徑向上充滿封孔材料，并對鉆孔周圍的松動圈有一定的加固充填作用，徑向上做到密實(shí)不透氣，軸向上封孔段長度必須超過瓦斯運(yùn)移負(fù)壓影響區(qū)，確保在合理預(yù)抽期內(nèi)巷道中的大氣不被抽入鉆孔中。

2 全程注漿封孔參數(shù)設(shè)計(jì)

全程注漿封孔法利用聚氨酯，發(fā)泡倍數(shù)高、發(fā)泡速度快；水泥漿具有很好的滲透性，凝固后水泥有較高的強(qiáng)度，因此采用封孔段兩端用聚氨酯堵實(shí)，中間注入高壓水泥漿的方法進(jìn)行封孔。本礦的順層鉆孔為75m，封孔長度為20m。

如圖1所示，本封孔法操作原理為：封孔段兩端用放有聚氨酯的膨脹袋堵實(shí)封孔段兩端，然后利用注漿泵將水泥漿注入2個(gè)膨脹袋之間的注漿段。因?yàn)樽{段兩端已堵實(shí)，隨著注漿的持續(xù)，在注漿段形成高壓水泥漿，高壓水泥漿可部分滲透進(jìn)入鉆孔周邊松動圈范圍煤體的裂隙中，進(jìn)而堵實(shí)部分裂隙。待水泥漿凝固后，即可堵實(shí)鉆孔。

圖1 全程注漿封孔法示意

3 全程注漿封孔材料和設(shè)備

3.1 使用的材料及設(shè)備

如圖1所示，全程注漿封孔法采用整根Φ50mm的PE管，抽采管長度為22m，花眼段長度為2m，封孔長度為20 m，其中兩端聚氨酯膨脹段長度各為1m，水泥注漿段為17 m，封孔段距孔口距離為1m。封孔使用材料見表1。

表1 全程注漿封孔法用材料明細(xì)（單個(gè)鉆孔）

3.2 雙液注漿泵

雙液注漿泵由河南理工大學(xué)研制，主要由壓風(fēng)接頭、手提架、壓力容器、進(jìn)氣管閥門、調(diào)壓閥、調(diào)氣閥、調(diào)流閥以及快插三通組成。其主要利用壓風(fēng)將在兩個(gè)壓力容器中的聚氨酯兩種漿液分別壓出，后在快插三通處匯合，將聚氨酯注漿管連接至快插三通處即可注漿。

雙液注漿泵的調(diào)壓閥可以調(diào)節(jié)供氣壓力，調(diào)氣閥可以調(diào)節(jié)供氣量，調(diào)流閥可以調(diào)節(jié)出漿流量。其主要特點(diǎn)是：易于攜帶，操作簡單，不用清洗注漿泵，可多次使用。

3.3 聚氨酯注漿頭

聚氨酯注漿頭的主要作用是固定聚氨酯注漿管出漿頭，在注完聚氨酯后，可以拔出聚氨酯注漿管且聚氨酯膨脹袋內(nèi)的漿液不露出。拔出聚氨酯注漿管可以避免因抽采鉆孔內(nèi)插入管子過多而造成的漏氣。

4 水泥漿水灰比確定

水灰比影響混凝土的流變性能、水泥漿凝聚結(jié)構(gòu)以及其硬化后的密實(shí)度，因而在組成材料給定的情況下，水灰比是決定混凝土強(qiáng)度、耐久性和其他一系列物理力學(xué)性能的主要參數(shù)。對某種水泥就有一個(gè)最適宜的比值，過大或過小都會使強(qiáng)度等性能受到影響。

為了確定最適宜順層抽采鉆孔注漿用的水泥漿水灰比，對不同水灰比下的水泥漿進(jìn)行調(diào)配試驗(yàn)。試驗(yàn)比例和結(jié)果見表2。

表2 不同水灰比下水泥凝結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2中的試驗(yàn)結(jié)果，考慮注漿時(shí)不同水灰比下注漿泵的注入能力，確定最適宜順層抽采鉆孔注漿用的水泥漿水灰比為0.7。

5 全程注漿封孔工藝過程

5.1 封孔前的準(zhǔn)備工作

（1）按表1中所列材料準(zhǔn)備好材料和設(shè)備，并放置在封孔位置。

（2）按圖2所示將聚氨酯膨脹袋、水泥注漿管、回漿管、聚氨酯注漿頭固定在抽采管上。

（3）如圖2所示，將聚氨酯注漿管Ⅰ和聚氨酯注漿管Ⅱ分別通過聚氨酯注漿頭固定在里外2個(gè)聚氨酯膨脹袋上。

（4）用量杯將聚氨酯兩種料各900mL分別倒入雙液注漿泵對應(yīng)的壓力罐中。

（5）準(zhǔn)備好連接抽采系統(tǒng)所需要的接頭、閥門等。

（6）佩戴手套等個(gè)人防護(hù)用品，做好個(gè)人防護(hù)。

圖2 全程注漿封孔工藝－封孔過程示意Ⅰ

5.2 封孔操作步驟

（1）鉆孔施工完成，按圖3將固定好封孔材料的抽采管放入鉆孔，當(dāng)抽采管露出鉆孔15cm時(shí)，停止送入抽采管。

（2）連接壓風(fēng)管路接口、雙液注漿泵和聚氨酯注漿管Ⅰ。

（3）開啟雙液注漿泵閥門，開始注入聚氨酯。

（4）聚氨酯注入完畢后關(guān)閉壓風(fēng)、雙液注漿泵閥門，用力向孔外方向拔出聚氨酯注漿管Ⅰ。

（5）將準(zhǔn)備好的聚氨酯各900mL，分別倒入雙液注漿泵對應(yīng)的壓力罐中，連接壓風(fēng)管路接口、雙液注漿泵和聚氨酯注漿管Ⅱ。

（6）按步驟（4）、（5）進(jìn)行注漿操作，注漿完成后用力向孔外方向拔出聚氨酯注漿管Ⅱ。

（7）聚氨酯注漿完畢，用水泥或黃泥將抽采孔口位置封實(shí)，使抽采管保持穩(wěn)定。

圖3 全程注漿封孔工藝－封孔過程示意Ⅱ

（8）聚氨酯注入8小時(shí)后，準(zhǔn)備水泥、水泥攪拌桶、水泥注漿泵、注漿連接管等準(zhǔn)備注水泥漿。

（9）將Φ12mm球閥安裝在水泥注漿管口，連接好注漿管路，按水灰比0.7的比例調(diào)配好水泥漿。

（10）開啟注漿泵，開始注漿。

（11）待回漿管回漿后將回漿管用細(xì)扎絲折起困實(shí)。

（12）繼續(xù)注入水泥漿，待水泥注漿泵明顯無法注入水泥漿后，維持注漿狀態(tài)5min。

（14）關(guān)閉球閥，關(guān)閉水泥注漿泵，清洗注漿設(shè)備。

（15）注入水泥漿24小時(shí)后，連接抽采管網(wǎng)，封孔完畢。

5.3 封孔中注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)礦方工作時(shí)間，在當(dāng)班封孔時(shí)，可將本班施工鉆孔注入聚氨酯，待下個(gè)班次注入水泥漿；

（2）調(diào)配水泥漿時(shí)可根據(jù)需要添加適量的速凝劑、膨脹劑等材料；

（3）4分球閥可循環(huán)使用，待注入水泥漿1天后，用扳手將球閥卸下清洗，用較為粘稠的水泥漿或黃泥將水泥注漿管口堵實(shí)即可。

5.4 抽采管路連接

根據(jù)本礦抽采系統(tǒng)連接的實(shí)際情況，瓦斯抽采管連接抽采支管需要內(nèi)徑50mm直通1個(gè)、內(nèi)徑50mm抽采軟管1根（約1m長，根據(jù)距Φ100mm抽采管距離的不同而變化）、外徑50mm的閥門連接管1個(gè)。管路連接如圖4所示。

圖4 抽采管路連接示意

5.5 安全注意事項(xiàng)

（1）井下施工之前，應(yīng)檢查注漿泵、注漿連接管的氣密性、耐壓性，如有漏氣或連接不緊密的情況不得使用。

（2）使用聚氨酯及水泥時(shí)應(yīng)佩戴橡膠手套。

（3）封孔時(shí)，施工人員應(yīng)加強(qiáng)溝通，避免發(fā)生因操作不一致造成的封孔失敗或受傷。

（4）注漿前，檢查連接管路連接，保證連接緊密、牢固。

（5）控制好注漿壓力，注漿壓力升高應(yīng)緩慢、均勻，不允許突然升高壓力或壓力超過管路耐壓值，以免漿液壓力過大噴出傷人。

（6）注漿完成后，應(yīng)先泄壓再拔開注漿管，拔開注漿管時(shí)應(yīng)將注漿管朝向無人方向。

6 封孔效果

用這種方法封孔后，測定鉆孔孔口瓦斯?jié)舛取⒘髁亢拓?fù)壓，并隨機(jī)選取其他方法所封鉆孔并測試，根據(jù)測定結(jié)果可以得出，采用全程注漿封孔工藝的鉆孔在抽采時(shí)間達(dá)30天時(shí)，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛仍?0%以上的占86%，瓦斯?jié)舛仍?0%以上的占50%；在抽采時(shí)間達(dá)50天時(shí)，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛仍?5%以上的占92%。

同期相鄰的其它方式所封鉆孔在抽采時(shí)間達(dá)30天時(shí)，抽采鉆孔孔口瓦斯?jié)舛仍?0%以上的僅有1個(gè)，占總數(shù)的10%。

由此可見，這種封孔技術(shù)提高了礦井瓦斯抽采效率，實(shí)現(xiàn)了提高預(yù)抽瓦斯?jié)舛燃傲髁康哪康摹?/p>

〔1〕周世寧，林伯泉.煤礦瓦斯動力災(zāi)害防治理論及控制技術(shù)〔M〕.北京：科學(xué)出版社，2007（9）：1－12.

〔2〕國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009，9.

〔3〕國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定讀本〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009，9（3）.

〔4〕徐 超，劉輝輝，鄒 偉.淺談我國煤礦瓦斯抽放技術(shù)〔J〕.中國煤炭，2010（2）：196－198.