瓦斯抽采鉆孔封孔技術現狀及發展方向

摘 要：瓦斯抽采是煤礦井下治理瓦斯的主要方法，其核心思想是對煤層中的瓦斯進行利用。瓦斯只有在一定濃度下才具有利用的價值，提高瓦斯濃度是瓦斯抽采急需解決的問題。瓦斯抽采是通過抽采鉆孔完成的，因此保證抽采鉆孔的封孔質量對于保證瓦斯濃度具有重要意義。分析了瓦斯抽采鉆孔漏風的主要原因，重點介紹了注水泥漿液、囊袋或注聚氨酯、PD 材料、二次封孔等封孔工藝，并探討了各種封孔工藝的適用條件，指出了瓦斯抽采鉆孔封孔技術的發展方向。

關鍵詞：瓦斯抽采；封孔；漏風；發展方向

1 引言

瓦斯俗稱煤層氣，是煤形成過程中產生的一種烴類氣體，是一種清潔能源。煤層氣在我國具有豐富的儲量，加快煤層氣的開發利用對保障礦井的安全開采，提高礦井的經濟效益具有重要的意義。在2016年我國煤層氣井下抽采量高達128億m3，而利用量只有48億m3，利用率不足一半。這是由于煤層氣井下抽采的濃度較低有關。造成抽采的瓦斯濃度較低的原因是抽采鉆孔的封孔存在問題，空氣進入到鉆孔中導致瓦斯的濃度較低[1]。隨著煤層氣產業的發展，人們對抽采鉆孔的漏氣機理開始重視，并研發了適于封孔的高性能材料，并形成了成套的工藝體系。但由于我國高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井煤層瓦斯地質條件差異性大，各種封孔技術的適用性存在很大的問題。因此，在特定地質條件下采用合適的封孔技術及工藝是井下瓦斯抽采所要解決的關鍵性問題。本文首先分析了瓦斯抽采鉆孔漏氣的原因，然后分析了當前存在的封孔工藝以及使用性，最后分析了鉆孔封孔工藝及封孔材料的未來發展方向。

2 鉆孔漏氣原因分析

在封孔良好狀態情況下，鉆孔內的瓦斯濃度應該等同于煤層內瓦斯濃度。但在實際過程中，由于受到封孔材料、采動及封孔工藝的影響，在封孔后或產生不同程度的漏氣。在抽采負壓的作用下，空氣會進入到抽采鉆孔內，導致抽采的瓦斯濃度降低。此外，煤體內原生裂隙的存在，在采動影響作用下，這部分裂隙會發育，增加了漏氣的通道。

鉆孔封孔后的平面示意圖如圖1所示。這里造成鉆孔漏氣的原因可以分為4中：煤巖體次生裂隙漏氣、封孔材料失效漏氣、封孔材料與鉆孔壁接觸不緊密存在縫隙以及應力環境的改變。因此，鉆孔的封孔質量不僅與封孔材料和封孔工藝有關，還與抽采鉆孔周圍的煤巖體應力狀態有關[2-3]。在進行抽采鉆孔封孔時，應該綜合考慮到煤巖的力學性質、力學狀態對封孔的影響。

傳統的封孔工藝采用的注漿封孔工藝，通過注漿泵將混合均勻的水泥漿注入到封孔區域，并在孔口放置木楔以防止水泥漿堵塞鉆孔，待水泥凝固后，將抽采孔并網抽采。這種工藝的主要優點是，水泥具有較強的黏合力、滲透性強且成本低廉。但是水泥的凝固時間較長，在凝固過程中脫水會收縮，容易使水泥體內部存在裂隙，這對于封孔十分不利。因此，隨著高分子封孔材料在煤礦井下的大面積推廣應用，傳統的注水泥漿封孔的工藝逐漸被取代。

3 鉆孔封堵工藝現狀分析

3.1 高分子材料封孔工藝

聚氨酯等高分子材料具有發泡固化時間短的特點，現在已經成為我國瓦斯礦井抽采時的主要封孔工藝。該工藝的流程可以分為幾個類型：①藥卷式封孔，將混合的聚氨酯、聚亞氨酯漿液體均勻的涂在封孔管表面的棉紗上，然后將封孔管塞入到鉆孔內；②注漿式封孔，通過注漿泵將高分子封孔材料注入到封孔段內；③囊袋式封孔，在孔內置入一次性囊袋注漿裝置，作業時漿液經塑料堵頭件上的注漿孔進入囊袋，封孔漿液在注漿壓力作用下向鉆孔壁滲透。藥卷式封孔的封孔速度快，但封孔的效果較差，封孔的效果與漿液的量有關；注漿式封孔在封孔后的注漿泵難以清洗，需要經常更換注漿泵；囊袋式封孔受環境溫度的影響較大，若溫度過低囊袋內的封孔漿液反應程度降低，因而不易滲透至鉆孔周圍，這導致封孔的效果不佳。

3.2 PD 材料封孔工藝

PD 材料封孔是最近發展起來的微膠囊化技術，在進行封孔時材料的漿體在凝固過沖中逐漸膨脹并滲透到鉆孔周圍的裂縫中，從而實現對鉆孔周圍裂隙的封堵。該材料在應用過程中，需要以膨博封孔劑來進行注漿隔斷，在封孔段的兩端封堵中間進行注漿。PD材料主要是由高膨脹水泥和高水材料混合而成，在加入若干增稠和保水材料。在應用該技術進行封孔時，首先要確定巷道周圍的圍巖松動圈的范圍，并以此來確定封孔段的最低長度，然后將封孔材料通過注漿管注入到封孔段內。在實際應用過程中，該工藝具有良好的封堵效果，然而由于PD材料固化形成的固體彈性較差，在采動應力作用下很容易產生裂縫，導致空氣進入到抽采鉆孔中去。

3.3 新型改性水泥封孔工藝

為了保證對瓦斯抽采鉆孔進行有效封堵的同時還能兼顧作業成本和技術操作性，中煤科工集團研發了新型改性水泥封孔材料及配套工藝。以普通水泥和膨潤土為基料，以保水劑為輔料，并加入一定量的膨脹劑的新型改性水泥封孔材料具有良好的膨脹性能，能有效地防止漿液凝固后形成的固體的開裂。該材料具有很好的流動性，固化時間短，能有效的防止漿液發生離析現象。新型改性水泥材料與傳統的封孔材料相比，造價相對較低而且無毒，在進行封孔作業時配套設備使用簡單，設備的可重復性使用。在我國的山西晉城、潞安、霍州，以及貴州水城、盤江等礦區得以大面積推廣應用。

3.4 瓦斯抽采鉆孔修復工藝

隨著抽采時間的增加，抽采鉆孔內的瓦斯濃度逐漸下降，這對于瓦斯抽采十分不利。若放棄濃度低的鉆孔，這降低了抽采鉆孔的利用率，增加了瓦斯抽采的作業成本。因此，針對這種情況，采用了瓦斯抽采鉆孔修復工藝，也就是對鉆孔進行二次封孔。二次封孔可以采用的封孔工藝較多，例如采用水泥砂漿加細石粉為材料進行二次注漿，通過對囊袋式封孔器預留的注漿口注入聚氨酯漿液進行二次封孔等等。在判定鉆孔失效后，通過向初次封孔段內注入超細粉塵顆粒、化學黏液等適用的漏氣處置材料， 對鉆孔周圍等效裂隙場實行二次或多次封堵。

4 鉆孔封堵技術發展方向

經過60多年煤礦事業的發展，處理瓦斯的方式有最初的瓦斯抽放到現在的瓦斯抽采，更關注的是提高資源的利用率，這也對技術提出了更高的要求。如何提高煤層的抽采瓦斯濃度已成為瓦斯抽采所要解決的問題，解決這方面的問題還應該從抽采鉆孔的封孔出發。鉆孔封堵技術已由最初的水泥漿封堵，發展至高分子、PD 材料、柔性膏體材料封孔，最近又出現了以新型改性水泥封孔為代表的新型封孔工藝。但由于我國高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井煤層瓦斯地質條件差異性大，各種封孔技術的適用性存在很大的問題。隨著我國煤礦開采進入到深礦井開采時代，應著力研發能適應大變形條件的高性能封孔材料。在深部開采時，鉆孔周圍的應力和瓦斯壓力大，這會導致鉆孔的變形加大，如何在這種條件下實現對鉆孔的封孔顯得十分關鍵。此外，應該研發適于井下作業的快速注漿封孔設備，以提高封孔的速度，減輕作業人員的勞動強度。科學地確定鉆孔的合理封孔深度就成為封堵技術工藝發展的又一研究方向。

5 結語

斯抽采是煤礦井下治理瓦斯的主要方法，其核心思想是對煤層中的瓦斯進行利用。瓦斯只有在一定濃度下才具有利用的價值，提高瓦斯濃度是瓦斯抽采急需解決的問題。瓦斯抽采是通過抽采鉆孔完成的，因此保證抽采鉆孔的封孔質量對于保證瓦斯濃度具有重要意義。造成鉆孔漏氣的原因可以分為四種：煤巖體次生裂隙漏氣、封孔材料失效漏氣、封孔材料與鉆孔壁接觸不緊密存在縫隙以及應力環境的改變。因此，鉆孔的封孔質量不僅與封孔材料和封孔工藝有關，還與抽采鉆孔周圍的煤巖體應力狀態有關。在進行抽采鉆孔封孔時，應該綜合考慮到煤巖的力學性質、力學狀態對封孔的影響。

參考文獻：

[1]石海濤.瓦斯抽采鉆孔稠化膨脹漿體封堵技術研究及應用[D].北京：中國礦業大學，2017.

[2]魏自富，李洪賀，高凡.淺談松軟煤層瓦斯抽采鉆孔封孔技術[J].煤，2016，25（06）：49-50+70.

[3]王重文，連現忠.瓦斯抽采鉆孔“兩堵一注”帶壓封孔技術及裝置研究[J].世界科技研究與發展，2016，38（02）：357-359+370.

作者簡介：

樊陽陽（1983- ）男，漢族，河北省井陘縣人，2015年畢業于山西煤炭管理干部學院煤礦開采技術專業，通風助理工程師，現就職于山西新景礦煤業有限責任公司。