煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術研究

鄭凱歌

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

★ 煤礦安全 ★

煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術研究

鄭凱歌

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

針對我國現有煤礦井下瓦斯抽采主要封孔方式，通過分析各個封孔方式的優缺點，得出采動效應下鉆孔周邊裂隙發育規律研究不透徹、封孔位置選擇不合理、現有封孔技術及材料不能有效封堵采動過程中鉆孔周邊發育的裂隙是造成目前煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔效果不佳的主要原因。通過實驗室試驗、數值模擬及現場應用手段相結合，深化模擬基礎理論研究；構建采動過程鉆孔煤體裂隙發育規律理論與模型，確定及優選瓦斯抽采鉆孔封孔位置、材料及裝置；瓦斯抽采鉆孔封孔技術的多元耦合化，降低乃至克服各個技術缺點，提高封孔質量；研發和改進“一體化”封孔裝置，簡化封孔操作、保證封孔效果、降低封孔成本等方面是封孔技術發展主要方向。

瓦斯抽采 封孔方式 裂隙發育 采動效應 多元耦合 “一體化”封孔裝置

由于我國煤炭資源賦存條件非常復雜，造成了煤層瓦斯賦存的復雜性，使我國成為世界上煤礦瓦斯災害最為嚴重的國家之一。目前防治瓦斯事故最主要手段就是對煤體瓦斯進行鉆孔抽采，但是目前我國許多礦井的瓦斯抽采率和瓦斯抽采濃度仍然達不到國家標準要求。分析其主要原因，一是煤層瓦斯賦存及構造特征等基礎工作不夠完善、瓦斯抽采設計及方法使用不完全恰當；二是瓦斯抽采鉆孔封孔效果較差，導致瓦斯抽采濃度及流量衰減快，不能達到預期抽采要求。因此，提高瓦斯抽采鉆孔的封孔質量是保證井下瓦斯抽采安全高效的基礎保障。本文通過對我國目前煤礦井下瓦斯抽采鉆孔主要封孔方法進行分析和總結，提出了提高瓦斯抽采鉆孔封孔質量的技術及裝置對策，以期實現提高瓦斯抽采濃度和抽采效率的目標，為礦區安全高效生產提供有效的技術支持。

1 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔主要封孔方式

1.1 材料式封孔方式

(1)粘土封孔。我國最早采用粘土封孔作為主要封孔方式，現小型煤礦偶有見到。其主要是將封孔粘土送至抽采管及鉆孔之間的環形空間，每隔0.5～1.0 m用木塞壓實。在孔口 1.0 m左右處用水泥漿封堵，固結后即完成封孔，如圖1所示。該種方法封孔的優點是封孔材料價格低。

圖1 粘土封孔示意圖

(2)水泥封孔。隨著封孔工藝的進步，粘土封孔方法的缺點愈加明顯，在此基礎上，提出了待鉆孔成孔后，在抽采管兩端用實體物或棉紗封堵，送入孔內后，按照一定比例將水泥熟料和水進行配比，利用注漿泵注入鉆孔，完成封孔，水泥封孔示意圖見圖2。該方法的優點是水泥熟料封孔材料來源廣泛，價格低廉，抽采效果要遠好于粘土封孔。

圖2 水泥封孔示意圖

(3)聚氨酯封孔。聚氨酯封孔方法主要是將封孔A料和B料按照一定比例調配均勻攪拌后注入抽采鉆孔內，經過一定時間后，聚氨酯發泡膨脹，在鉆孔與抽采管間產生1～2 MPa的徑向壓力，促使聚氨酯進入周邊裂隙，從而實現對瓦斯抽采鉆孔的封堵。使用方式主要有卷纏藥液法和壓注藥液法兩種，如圖3所示。其優點主要是封孔時間短、發泡倍數高及輕度受壓情況下不易變形等。相關研究學者針對聚氨酯封孔材料存在的問題還進行了PD材料、樹脂錨固劑的試驗，雖然有一定的技術改進，但整體仍不明顯。

圖3 聚氨酯封孔示意圖

1.2 “兩堵一注”封孔方式

“兩堵一注” 封孔方法主要有囊袋式和聚氨酯式兩種，其基本原理是先在封孔段的兩端用袋裝聚氨酯或者膨脹囊袋作為堵頭，待堵頭形成后，再通過注漿管對堵頭封堵段之間的環空位置進行注漿，在注漿壓力的作用下，注漿液向煤壁滲透并填充周圍裂隙， 實現抽采鉆孔封孔，該封孔方式的優點是能夠實現靈活調整封孔參數以及實現封孔段與孔壁的緊密結合，且在注漿壓力足夠大的情況，注漿液可在膨脹壓力的作用下進入煤壁裂隙，材料凝固后在地應力的作用下可形成應力集中區域，減少漏氣通道，提高封孔段的密閉性。“兩堵一注”封孔技術如圖4所示。

圖4 “兩堵一注”封孔示意圖

1.3 封孔器封孔

封隔器封孔方式主要分膠圈和膠囊兩種，如圖5所示。其中膠圈封隔器原理為當壓緊螺帽擰緊后，外套管發生相對運動壓縮膠圈，促使膠圈發生徑向位移，直至封堵抽采管與鉆孔之間的環空空間；膠囊封孔器原理為通過外力擠壓封孔膠囊使其膨脹，直至充滿鉆孔空間。部分學者也提出了充氣式和注漿式囊袋封孔，前端連接充氣或注漿裝置，通過充氣設備或注漿設備將囊袋充滿直至完成封孔。其優點是封孔快速、操作過程簡單等。

圖5 封孔器封孔示意圖

1.4 二次封孔技術

二次封孔技術是由中國礦業大學周福寶及其團隊于2007年首次提出，后經過長期的研發和工程試驗取得了良好的抽采鉆孔封孔效果。該封孔技術主要分2個階段，如圖6所示。第一階段是將卷纏聚合發泡材料的抽采管送至巷道松動圈以外位置，抽采一定時間后，隨著回采面的推進和地應力的綜合作用，煤層會發生變形和蠕動位移，進而導致鉆孔周邊煤層的孔(裂)隙擴張、發育，外界空氣由裂隙進入抽采管內，使得抽采濃度快速下降，即進入第二次封孔階段。

圖6 二次封孔示意圖

第二階段主要是利用高壓空氣(0.2～0.3 MPa)將由水泥、黃泥、石灰、石膏粉和淀粉等細料按照一定比例混合的微細膨脹粉料吹入鉆孔內，直至微細膨脹粉料充滿鉆孔與抽采管的環空空間，采用速凝水泥密封鉆孔孔口，完成第二階段封孔。混合配比后的封孔微細膨脹粉料在抽采負壓作用下滲入鉆孔周圍的裂隙內，提高了裂隙封堵效果，降低了孔內漏風量，從而提高了瓦斯抽采濃度，改善了瓦斯抽采效果。

2 現有封孔方式存在的問題

上述封孔方式均有自己的優點，在不同的區域內得到了相應的推廣應用，但目前我國約有65%的回采工作面瓦斯抽采鉆孔的預抽瓦斯濃度低于30%，這充分反映了抽放鉆孔密封質量差的現狀，間接反映上述封孔方式存在一定的局限性及效果的不理想 。

2.1 材料式封孔主要存在的問題

2.1.1 粘土封孔方式

(1)該封孔方法工藝精度要求較高，稍有疏忽易導致封孔效果受損嚴重，整體密封性不強，工人的勞動強度較大。

(2)當粘土過軟時，常會粘結在孔壁上，而導致封孔料達不到預定的封孔位置，且易形成空腔與裂隙，使封孔失敗，一定程度上限制了封孔段長度；過硬時易形成裂縫，導致抽采濃度降低。

2.1.2 水泥砂漿封孔方式

(1)水泥砂漿在凝固過程中易脫水收縮，導致砂漿內部產生裂紋，且凝結固化速度慢，導致有效封孔時間長，降低鉆孔的密封性及施工效率。雖然加入速凝劑等添加劑優化后能改善該現象，但速凝劑的加入，會降低水泥的強度，且其具有一定毒性，對人身危害較大。

(2)雖然許多學者提出通過在水泥砂漿中加入膨脹劑、聚合物等材料來降低其收縮程度，但是當鉆孔傾角較小時，在水平及近水平鉆孔中仍會在鉆孔上方形成月牙狀空隙，且對鉆孔圍巖裂隙的封堵也有限，封孔質量受到影響。

(3)該方法需連續注漿，現場施工時，需2～3名工人迅速進行水泥砂漿配比，1名工人利用注漿泵向孔內進行連續注漿。該方法需大量的人力和物力，增加了注漿泵等外力裝置，施工工藝較復雜。

2.1.3 聚氨酯封孔方式

(1)現有聚氨酯材料發泡時間一般為10～300 s，如需進行參數調整，成本較高，在鉆孔縮徑位置或長距離封孔時，常會出現在未送到指定位置前，聚氨酯材料已經發泡、膨脹，嚴重影響封孔質量。

(2)聚氨酯固結后，其整體抗壓強度較低，透氣壓力一般低于2.0 MPa，在工作面回采過程中，在地應力的作用下，鉆孔周圍會發生應力集中及卸壓現象，導致聚氨酯封孔位置發生形變及損傷而出現漏氣現象，抽采濃度也會隨之下降。

(3)聚氨酯是一種高分子聚合，其膨脹及凝結過程中會放出大量的熱，導致材料升溫快，甚至可達 150 ℃ 以上。材料中的低閃點成分易氧化冒煙甚至著火，進而導致煤體自燃或瓦斯爆炸；在自重應力的作用下，聚氨酯封堵上傾鉆孔時徑向膨脹力降低，導致鉆孔周圍裂隙封堵效果不好，影響抽采效果。

(4)當孔內有積水及濕度較大時會導致減少聚氨酯的發泡倍數，降低固化強度，嚴重影響封孔質量。

2.2 “兩堵一注”封孔存在的問題

(1)聚氨酯作為堵頭的“兩堵一注”封孔技術，由于聚氨酯膨脹時間的難控性，容易出現整體封孔不到位等問題。另囊袋及聚氨酯堵頭強度較低，限制了注漿壓力，導致封孔材料徑向壓力降低，不能充分封堵鉆孔裂隙及損傷部位。目前一些學者提出了“兩堵一注”帶壓封孔方式及裝置，但實際上受兩端堵頭強度的限制，注漿壓力不高，甚至不帶壓封孔，暫不能使鉆孔裂隙達到完全密封的作用，無法達到高徑向封堵力的目的。

(2)隨著開采深度的不斷加深，地應力作用愈加明顯，當巷道形成后，在地應力作用下，煤體發生了應力集中及卸壓現象，導致煤體受多重損傷破壞及蠕變破壞。現有理論研究很難確定合理的封孔始深度及長度，多憑現場經驗和地質條件等因素來判斷，導致難以有效地實現裂隙帶內抽采鉆孔段的密封，最終導致瓦斯抽采濃度低、衰減速度快等現象。

2.3 封孔器封孔存在的問題

(1)實踐表明, 膠圈和膠囊這兩種封孔器僅適用于鉆孔圍巖細密、穩定性較好及裂隙不發育的巖層當中。其封孔方式僅與孔壁物理接觸，當封孔段存在裂隙時極易形成瓦斯的泄漏通道，一般只能用于臨時性封孔，難以廣泛推廣。

1.維生素B1是體內多種酶系統的輔酶，能促進氧化過程，調節糖代謝，對促進生長發育、維持正常代謝、保持神經和消化機能的正常具有重要意義。

(2)封孔器整體價位較高，封孔深度淺，且多為一次性使用，不能回收重復利用，大大增加了封孔成本。使用過程中易出現密封段壓力大、橡膠膠囊老化等現象，導致密封性能降低，在抽采負壓的作用下，與空氣溝通，降低抽采濃度及效率。

2.4 二次封孔技術存在的問題

(1)一次封孔后注漿固結后，導出細料的花管存在被封堵的風險較大，易造成細料在管內堵塞，影響封孔效果。

(2)二次封孔工藝對微細膨脹粉料的配比及粒徑精度要求高，需專業人員進行操作，受人為因素影響較大，需要二次封孔操作，工藝較為復雜。

(3)井下水文地質條件復雜，濕度較高，二次封孔使用的微細膨脹粉料遇水或受潮時易發生結塊，從而導致微細膨脹粉料不能有效進入鉆孔周邊煤體內的孔隙、裂隙內，會嚴重影響二次封孔法的封孔效果。

3 井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術發展對策

隨著煤礦開采逐步向深部延伸，地應力和瓦斯壓力都呈現出增大的趨勢，煤層出現了碎軟性、高瓦斯、低透性、易突出等特點，與之相關的瓦斯災害也日趨復雜和嚴重。作為瓦斯治理主要途徑的鉆孔瓦斯抽采，面臨巨大的威脅和挑戰，而決定瓦斯抽采效果的關鍵環節是封孔效果，鉆孔封孔效果直接決定了采掘接替周期和礦井生產的安全性。因此，需要相關科學研究者沿著前人的研究成果，積極前進，解決現有存在的難題，不斷優化封孔技術，提高抽采效果。筆者認為今后的研究工作應著力于以下幾個方面。

3.1 模擬理論基礎研究

數學方法、科學試驗和數值模擬是最常用、最有效的理論研究方法。瓦斯鉆孔封孔過程涉及固、氣、水三相的耦合，具有較強的復雜性，而僅依靠數學方法很難準確揭示其真實物理過程。仿真試驗是研究流、固體力學的基礎方法，其結果可靠性強，是數值模擬的基礎，而數值模擬能夠解決難以開展仿真試驗的研究，兩者是相互聯系、相互促進的。通過收集國內外文獻分析后可知：進行仿真模擬試驗的一般沒有開展數值模擬，而開展數值模擬的往往沒有進行仿真試驗驗證，這些都阻礙了基礎理論的進步。

隨著仿真試驗設備的改進、試驗條件的完善、試驗技術水平的提高、大型商業化流-固體力學數值模擬軟件的開發、計算機應用和傳感器技術的進步，為瓦斯抽采鉆孔封孔過程的研究提供了技術支撐。以后的研究，應將仿真模擬試驗和數值模擬有機結合，通過相似性、可重復性的試驗，為數值模擬提供更合理的參數支持，通過數值模擬獲得更全面的流場信息，優化試驗方案，不斷將理論研究向前推進。筆者認為可利用建立圍壓條件下氣、液、固三相耦合的數學模型，采用ANSYS、COMSOL等適合多物理場耦合模擬的軟件來開展數值模擬研究。對于瓦斯抽采鉆孔封孔機理研究，應將實驗室試驗、數值模擬和現代測量技術結合起來，才能真正實現由定性解釋向定量描述發展。

鉆孔裂隙在采動過程中的發育規律是優化鉆孔布置、材料及裝置選擇的重要依據。目前研究工作多集中在煤的滲透屬性、原始孔裂隙特征等基本規律研究，并未綜合考慮隨著煤體開采產生應力集中和卸壓效應導致的煤體變形破裂的不斷變化以致形成復雜裂隙網絡對鉆孔封孔效果的影響，因而無法準確確定瓦斯抽采鉆孔封孔位置、材料及裝置。而開采導致的高密度、高聯通度的采動裂隙，與巷道形成聯通，在抽采負壓作用下空氣進入抽采管路，導致抽采濃度降低。目前還沒有合適的理論來定量描述這種裂隙產生機理，以致沒有合適的評價方法和體系來對封孔位置、材料及裝置進行優選。因此，如何定量準確評價采動過程中煤體的裂隙發育規律和特征，尤其是基于采動效應下裂隙發育的幾何特征和規律的評價模型，是煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術研究所面臨的一個重要基礎科學問題。

3.3 瓦斯抽采鉆孔封孔技術的多元耦合化

(1)有機-無機材料及帶壓注入技術的多元耦合。現有有機材料具有膨脹倍數高、固結速度快等特點，完全適合作封堵堵頭；無機材料與煤層之間具有較好的親和力，易充填孔壁裂隙，增強煤體強度，且在帶壓注入技術的綜合作用下，提高了封孔徑向壓力，保證了裂隙封堵效果。但現有有機材料存在固結后孔隙發育，強度低的缺點，限制了注入壓力，需研究人員進行技術攻關，對有機材料強度、氣密性等進行改性研發，開發高強度、高徑向作用力的兩端封堵新材料，確保兩端封堵材料的強度性能；對無機材料應在保證強度及親和力的前提下，提高凝結速率，改進現有注漿裝置，提高注漿徑向壓力。

(2)囊袋堵頭-帶壓注漿技術及二次封孔方法的多元耦合。在封孔管兩端裝入囊袋，囊袋堵頭利用注漿管向囊袋注漿形成，具有更強的支護作用，能夠實現任意角度的注漿且封堵效果好，注漿壓力可提高到2 MPa以上；堵頭形成后利用高壓注漿設備將無機封孔材料注入封孔段；在孔口留有微細膨脹粉料注入管，如出現鉆孔濃度明顯衰減，在未回采結束的情況下，進行鉆孔二次封孔處理，保證抽采效果。

3.4 “一體化”封孔裝置的研發和改進

現有封孔裝置主要采用“兩堵一注”的封孔工藝，通過改變堵頭的密封性，更換或者提高現有封孔液的性能，通過外力設備提供壓力注入的手段進行封孔。其整體封孔液與封孔裝置為分離狀態，整體操作要求高、施工復雜、成本較高，現場很難達到理論封孔要求。需要研發集“自脹式封孔液”、“瓦斯抽采管”、“封堵頭”三位一體的煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔裝置，可通過簡單的人為操作完成封孔。在簡化封孔操作、保證封孔效果、降低封孔成本的前提下，還需專業領域研究人才進行深入研究和探討。筆者通過現場試驗，結合現有理論基礎提出了一種“一體化”封孔裝置，裝置主體由內花管及鑲套在其外面并可沿其滑動(直線式或可旋轉式)的外花管再加上兩端囊袋、抽采管上的攪拌片等組成。其囊袋和管內均裝滿自膨脹封孔料，并帶有隔層，且保證囊袋內料反應速度遠快于管內，待所有短節連接后，通過使用手柄帶動攪拌片旋轉，進而使隔層破碎，A、B料混合并隨著攪拌片的攪動而均勻混合。通過擰緊螺母(或旋轉開關)，使外花管相對內花管滑動，從而使兩層花管中的各孔連接，形成A、B料反應后流向鉆孔的通道，完成封孔工作，該裝置已經申請專利并公開。“一體化”封孔裝置如圖7所示。

4 結語

(1)通過對現有封孔技術的研究發現，要改善煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，提高瓦斯抽采效率，應綜合考慮煤的非均質性和各向異性、孔隙和裂隙發育、煤對瓦斯的吸附作用等特征，建立一套模擬圍壓條件下的井下煤層瓦斯抽采鉆孔封孔工藝物理模擬試驗平臺，綜合運用數值模擬、 地球物理和參數敏感性分析與優化等技術，對模型的建立參數進行反演，以確定封孔模型中各種因素的重要性和合理參數，形成對特定工程有效的瓦斯抽采鉆孔參數預測模型。

圖7 “一體化”封孔裝置示意圖

(2)應掌握采動效應作用下鉆孔周邊裂隙的發育規律，通過合理的定量描述，結合合適的評價方法和體系，綜合考慮數值模擬及仿真模擬試驗結果，優選出合理的始封深度和封孔長度、材料及裝置。

(3)采用帶壓注漿技術與有機-無機材料或囊袋堵頭的注漿材料的多元耦合，在不斷完善改進各單項技術的基礎上，實現不同封孔方法手段的集成化和多元化，形成優勢互補。另可研發“一體化”封孔裝置，簡化封孔操作，提高封孔質量，但對“一體化”封孔裝置的研發和改進工作剛進入起步階段，需要專業領域人才發揮主觀能動性進行創新和改進，以期實現良好的瓦斯抽采鉆孔封孔效果。

[1] 林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社，2010

[2] 程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J].采礦與安全工程學報，2009(2)

[3] 申寶宏，劉見中，張泓.我國煤礦瓦斯治理的技術對策[J].煤炭學報，2007(7)

[4] 葛兆龍，梅緒東，賈亞杰.高壓水射流割縫鉆孔抽采影響半徑研究[J].采礦與安全工程學報，2014(4)

[5] 王勇，楊畢，姚薦達.割縫鉆孔水壓致裂增透過程的數值模擬[J].煤炭技術，2014(9)

[6] 黃鑫業，蔣承林.本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術研究[J].煤炭科學技術，2011(10)

[7] 方前程，黃淵躍，劉學服.坦家沖礦瓦斯抽采鉆孔封孔工藝技術研究[J].中國煤炭，2012(2)

[8] 王兆豐，武煒.煤礦瓦斯抽采鉆孔主要封孔方式剖析研究[J].煤炭科學技術，2014(6)

[9] 孫文德，李子全，周軍等.瓦斯抽采中新型封孔材料及工藝的應用研究[J].煤炭科學技術，2012(4)

[10] 林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術[M].徐州:中國礦業大學出版社，1998

[11] 周福寶,李金海,昃璽.煤層瓦斯抽放鉆孔的二次封孔方法研究[J].中國礦業大學學報，2009(6)

[12] 王兆豐.我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討[J].焦作工學院學報(自然科學版)，2003(4)

[13] 馮增朝.低滲透性煤層瓦斯強化抽采理論及應用[M].北京: 科學出版社，2008

[14] 代志旭，郭明功.本煤層瓦斯壓力測定新技術研宄[J].煤炭科學技術，2011(2)

[15] 翟果紅，蔣承林，王法凱.基于高壓注漿與膠囊壓力點液封孔技術的瓦斯測壓[J].煤炭科學技術，2012(5)

[16] 翟成，向賢偉，余旭等.瓦斯抽釆鉆孔柔性膏體封孔材料封孔性能研究[J].中國礦業大學學報，2013(6)

[17] 林柏泉，呂有廠，李寶玉等.高壓磨料射流割縫技術及其在防突工程中的應用[J].煤炭學報，2007(9)

Studyonsealingtechnologyofundergroundgasdrainageboreholesofcoalmines

Zheng Kaige

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

Aiming at the main sealing methods for current underground gas drainage boreholes at coal mines, with the analysis on the advantages and disadvantages of major borehole sealing methods, it concluded that the main reasons why sealing effect was not favorable when mining included an improper study on the crack development laws of surrounding rocks along the borehole under the mining effect, the irrational selection of sealing position and the existing borehole sealing techniques and materials with ineffective sealing of cracks in surrounding rocks along the boreholes. it was pointed out that the main development direction of borehole sealing techniques would lie in deepening numerical simulation combined with field application means and laboratory test, establishing theories and models of borehole fissure during active mining process, determining and optimizing borehole sealing position, materials and devices, multi-factor coupling of mine gas drainage boreholes to reduce and overcome various technical shortcomings, improving the quality of borehole sealing, developing integrated plugging device to simplify borehole sealing operation, ensure borehole sealing effect, and reduce the cost of borehole sealing.

gas drainage, sealing mode, fracture development, mining effect, multi-factor coupling, integrated plugging device

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2016XAYMS08),十三五重大專項(2016ZX05045002-002)

鄭凱歌. 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術研究[J].中國煤炭，2017,43(10)：109-114.

Zheng Kaige.Study on sealing technology of underground gas drainage boreholes of coal mines[J]. China Coal, 2017，43(10):109-114.

TD712.62

A

鄭凱歌(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事煤礦地質及煤礦瓦斯防治工作。

(責任編輯 張艷華)