抽采鉆孔囊袋式封孔與聯孔技術研究應用

武德峰

（山西新元煤炭有限責任公司 山西 陽泉 045000）

瓦斯抽采是降低煤層瓦斯涌出量、預防瓦斯積聚的重要技術手段。抽采期間鉆孔的封孔質量關系著瓦斯抽放效果，若鉆孔不漏氣，可達到鉆孔抽采效率95%以上。但是由于鉆孔封孔技術相對落后，造成鉆孔封孔質量差，瓦斯抽放過程中大量空氣進入抽放管路中，降低了鉆孔瓦斯抽放效率，影響著采掘工作面安全穩定生產。本文以新元礦3412工作面為例，研究提出在本煤層瓦斯抽采中采用囊袋式封孔技術及高壓管標準化聯孔工藝。

1 概述

山西新元煤炭有限責任公司位于陽泉市壽陽縣，礦井設計生產能力為5.0Mt/a，井田內可采煤層為3#、9#石炭系煤層，礦井相對瓦斯涌出量為28m3/ t，絕對瓦斯涌出量為292m3/min，屬煤與瓦斯突出礦井。

3412工作面位于井田3#煤層四采區，工作面設計走向長度為1946m，傾向長度為240m，煤層平均厚度為2.67m，由于3#煤層煤質松軟裂隙不發育，煤層相對瓦斯涌出量為17.8m3/t，煤層瓦斯平均壓力為2.66MPa，堅固系數為0.44，煤層透氣系數為4×10-4MD，衰減系數為0.6319d-1，煤層破壞類型為Ⅲ類且抽放瓦斯難度大。

3412工作面初采時對本煤層布置順層瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預抽，鉆孔交錯布置在進回風順槽內，鉆孔設計長度為110m，鉆孔間距為10m，采用聚氨酯進行封孔。由于鉆孔施工后受工作面回采壓力影響，鉆孔附近裂隙發育，傳統的封孔技術不能滿足需要，導致鉆孔封孔后氣密性差，孔口負壓低。隨著回采壓力加大鉆孔出現蠕變及塌孔現象，鉆孔抽采效果差，單孔抽采濃度在8%～19%之間，本煤層無法起到預期抽采效果，威脅著工作面安全高效回采。

2 瓦斯抽采鉆孔封、聯孔設計研究

為了進一步提高瓦斯鉆孔封孔氣密性，保證瓦斯抽放效果，新元礦通過技術研究，決定對工作面瓦斯抽放鉆孔采取囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿法進行封孔，采取高壓管標準化進行聯孔。

2.1 囊袋式封孔技術原理

囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔技術，其原理主要是確定封孔長度后在鉆孔裂隙發育區，利用注漿技術在囊袋注漿區域進行高壓注漿，對周圍巖體裂隙進行封堵，從而達到提高鉆孔周圍煤體穩定性及致密性，保證鉆孔封孔效果的目的。

2.2 封孔參數確定

（1）鉆孔軸向應力。3412進回風順槽掘進后在其周圍煤體形成應力帶，當鉆孔順煤層鉆進時會沿軸向依次產生卸壓破壞帶、應力集中帶和原始應力帶。由于卸壓帶附近煤體相對破碎，且會產生大量的貫穿裂隙，若鉆孔在卸壓帶內，在進行瓦斯預抽時空氣經卸壓帶的貫穿裂隙被抽入鉆孔，從而造成封孔漏氣導致瓦斯抽放濃度低，抽放效果差。

（2）鉆孔縱向應力。鉆孔施工時受鉆機及鉆桿震動影響，對鉆孔附近煤體造成擾動破壞，沿鉆孔徑向不同深度形成不同的應力區，依次為充分卸壓區、非充分卸壓區、卸壓擴展區和原巖應力區，而且隨著擾動破壞半徑的增加，煤體由鉆孔向深部破壞程度逐漸降低，且煤體裂隙發育程度也隨之降低。

（3）煤體卸壓區。鉆孔在施工過程中受煤體應力變化影響，不同深度的煤體產生的鉆屑量不同，所以可通過對煤體施工試驗鉆孔，根據不同深度內鉆屑量合理判斷煤體卸壓帶、應力集中帶和原始應力帶的分布區域，從而確定有效的封孔長度。

（4）鉆孔封孔長度。對3412工作面煤層共施工5個測試鉆孔，鉆孔直徑為45mm，在鉆孔施工期間密切觀察鉆進壓力變化及記錄鉆孔煤屑量，通過對比分析可知，鉆孔鉆進至10～16m范圍內鉆屑量逐漸增加，當鉆進至15～16m時鉆屑量達到最大值，如圖1所示。由此可以判斷鉆孔在10～16m范圍內處于應力卸壓區，原始應力區位于鉆孔16m以外區域，所以最終確定鉆孔封孔深度為18m，封孔長度為9～18m。

圖1 煤層測試鉆孔鉆屑量與鉆孔深度變化關系示意圖

2.3 囊袋式封孔施工工藝

（1）鉆孔施工完后對鉆孔進行擴孔，擴孔長度為18m，擴孔后直徑為120mm，擴孔后及時安裝直徑為63mm、單管長度為3.0m的PVC封孔管，共安裝6節，相鄰兩節封孔管通過絲扣進行連接，如圖2所示。

圖2 囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔示意圖

（2）封孔管安裝后分別在鉆孔內9.0m及16.5m處安裝PKJW-63型封孔器，確保對10～16m范圍內卸壓區進行有效封堵，形成環形空間。

（3）封孔器安裝后采用高壓注漿泵向環形空間注射安泰華封孔材料，注漿壓力不得低于2.0MPa，使得注漿液可以有效擴展孔壁內煤體裂隙，能夠及時對煤體孔隙及凸凹面進行充填，同時在注漿壓力作用下深入煤體微裂隙內與煤體顆粒凝固在一起，從而形成膨脹樹枝狀分布，實現全面封堵，如圖3所示。

圖3 囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔效果圖

2.4 高壓管標準化聯孔工藝

采用高壓管、不銹鋼快速接頭連接，10個孔為一組，100m為一個評價單元，每個鉆孔封孔管通過帶測嘴不銹鋼彎頭、球閥與聯孔管連接，每組鉆孔安裝導流管、放水器，實現單孔觀測、分組計量。聯孔結束后，通過測嘴，對單孔負壓、濃度進行測定，保證單孔負壓達13kPa以上，對不達標的進行系統排查、整改。單孔負壓達標前提下，測定單孔濃度，濃度不達30%，鉆孔進尺不予結算。鉆孔施工完成，掛設單孔牌板，分組計量掛設分組計量牌板，如圖4所示。

圖4 本煤層瓦斯抽采鉆孔高壓管聯孔示意圖

3 囊袋式封孔與聯孔技術優點及應用效果

3.1 優點

（1）根據不同區域煤層瓦斯賦存、瓦斯抽采規律，為工作面抽采鉆孔間距合理設計提供科學依據，解決鉆孔優化布置問題；

（2）采用囊袋式注漿方法、高壓標準化聯孔工藝及新型瓦斯抽采管路系統，不僅對鉆孔周圍煤體內裂隙進行充分填充，消除了鉆孔抽放時出現漏氣通道現象，同時能使鉆孔得到可靠的支護，提高瓦斯抽采系統氣密性，保證了抽采負壓，提高了瓦斯抽采效果。

3.2 應用效果分析

3412工作面煤層瓦斯鉆孔采用囊袋式“兩堵一注”水泥砂漿法進行封孔，以及高壓管標準化聯孔工藝及新型瓦斯抽采管路系統，大大提高瓦斯抽采系統氣密性，保證了抽采負壓，提高了瓦斯抽采效果，通過對后期鉆孔瓦斯抽采率檢測發現，最高單孔濃度達95%，提高了68%，順槽瓦斯抽采管路濃度提高了59%，抽采純量提高了1.27m3/min，百米噸煤瓦斯含量抽采達標所需用時減少了53d。

4 結 語

山西新元煤炭有限責任公司研究提出，對3412工作面煤層瓦斯抽放鉆孔采取囊袋式“兩堵一注”水泥帶壓注漿封孔技術以及高壓管標準化聯孔工藝，實踐證明瓦斯抽放鉆孔采取新型封孔技術及聯孔工藝后，提高了鉆孔封孔效果和煤層瓦斯抽采率，對于提高煤層瓦斯抽放技術安全性和工作效率、降低生產成本具有現實意義和推廣價值。