瓦斯抽采中新型封孔材料及工藝的應用研究

任興華

摘要：近年來，我國對瓦斯的需求不斷增加，瓦斯抽采工藝也越來越受到重視。本文針對目前瓦斯抽采鉆孔封孔材料封孔質量差、抽采濃度低、材料強度低、固結時間長等缺點，以硫鋁酸鹽水泥熟料、石灰和石膏為主料，并輔以改性材料，研發了一種新型無機雙液瓦斯抽采鉆孔封孔材料。該材料固化速度快、強度高、滲透性強，具有微膨脹性能，能夠有效將孔內封實，消除孔內漏氣通道。該新型材料在抽采鉆孔封孔領域具有良好的應用前景。

關鍵詞：封孔材料;抗壓強度;膨脹性;漏氣通道;抽采濃度

引言

我國部分地區的煤礦由于礦井煤層賦存條件差、噸煤成本高、經濟效益差，長期以來一直采用傳統水泥砂漿的封孔方式，沒有引進和采用新材料、新工藝封孔，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯災害越來越重，加之部分礦井煤層地質條件復雜，傳統的封孔方式已不能滿足礦井瓦斯治理的需要。新型礦用封孔材料PD采用了微膠囊化技術，能在2～4h內保持一定的流動性，使得材料在體積緩慢膨脹的同時，漿體強度逐漸增加直至凝固，且在膨脹過程中能向鉆孔周邊裂隙逐漸滲透封堵，再輔以膨博封孔劑，其鉆孔密封效果比傳統方式要好。

1主要密封方法及特點

目前，采用的鉆孔封孔材料及工藝有：黏土/水泥砂漿封孔、封孔器封孔、水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔、馬麗散封孔等。采用以上封孔材料及封孔工藝均存在一定程度的局限性，主要存在封孔長度短、封孔質量不易保證、抽采負壓不大、抽采濃度低、封孔工藝不易操作、封孔成本高、實用范圍小等缺點。

2原封孔方法存在的問題

煤礦瓦斯治理過程中，抽采鉆孔使用聚氨酯封孔較為常見，封孔一般包括三個工序：坐底、孔口封堵及注漿。坐底工序相對復雜，主要方法有倒聚氨酯法、吹聚氨酯法及抽拉式坐底法。傳統的坐底方法存在問題如下：（1）倒聚氨酯法。存在聚氨酯膨脹時間無法控制，經常出現聚氨酯已膨脹而抽采管未下到預定位置現象;（2）吹聚氨酯法。若孔內有水，聚氨酯遇水膨脹率低或不膨脹;（3）抽拉式坐底法。聚氨酯在孔底黑白藥混合不充分，膨脹率低，效果較差。由于工序相同，又存在共同的不足：（1）三個工序分開進行，程序較復雜;（2）聚氨酯坐底成功與否，效果如何，無法知曉，經常出現坐底不實而造成整個鉆孔被堵實現象;（3）聚氨酯坐底需要根據孔壁巖性情況確定聚氨酯用量，往往很難掌握;（4）聚氨酯膨脹時發出大量的熱量，可能造成煤炭自燃或封孔套管變形。因此，根據現場需要研發了一款新型的囊袋帶壓注漿式封孔器，可以解決上述存在的問題。

3新型封孔材料配比及性質

3.1材料簡介

新型封孔材料基系主要由封孔主料和輔助添加劑構成，其中封孔主料主要由A料，硫鋁酸鹽水泥熟料、B料，石膏和石灰組成，輔助添加劑主要由早強劑、減水劑、速凝劑、發泡劑等組成，其用量雖少，但在新型封孔材料基系中起優化、改進、激發性能的重要作用。新型封孔材料水和組合物的重量比為（1.0～1.5）∶1.0，組合物由A、B2種組分按質量比1∶1的比例組合而成。該材料具備固化速度快、早期強度增長快、凝固時間可調、封孔致密性好、滲透性強、不收縮、膨脹性能好、結實率高、密封性能強等特性。

3.2封孔原理

囊袋帶壓注漿式封孔器封孔原理為：先下入兩個囊袋到指定位置，通過連接在囊袋上的注漿管注漿，將囊袋腔體內注滿水泥，注漿壓力達到爆破閥爆破壓力后爆破閥爆破，水泥進入兩個囊袋間環狀間隙，繼續注漿注滿環狀間隙達到封孔目的。注漿水泥的初凝時間為10～12min，爆破閥爆破壓力為1.5～2.0MPa。

3.3“兩堵一注”封孔裝置密封機理

該封孔裝置的工作流程為：①啟動注漿泵;②注漿管漿液壓力達到單向閥開啟壓力;③前后堵頭打開，填充堵頭;④堵頭漿液注滿后，注漿管壓力升高;⑤漿液壓力達到爆破閥開啟壓力，爆破閥門開啟;⑥漿液注入鉆孔內;⑦漿液滲透進入鉆孔周圍煤體裂隙;⑧封孔結束。待堵頭中密封漿液到達設定壓力時，在預定的鉆孔封孔位置兩頭產生耐高壓的堵頭，在2個堵頭中間產生封孔注漿空間，在堵頭中所注液體壓力到了爆破閥預定壓力時，爆破閥就會開啟，漿液就能順利到達指定地點進行封孔。由于單向閥的存在，封孔裝置及堵頭中的液體不會發生反向流動，從而使堵頭壓力始終保持一種膨脹狀態與孔壁產生較大的摩擦力，有效進行封堵。密封漿體占滿整個封孔段后，如果持續注漿，漿體就會受壓力作用滲透到孔壁周圍裂隙中，對裂隙中氣體的流動途徑進行封堵。

4鉆孔密封材料選擇原則

鉆孔的密封直接影響著瓦斯抽采效果的好壞，因此，在實際操作過程中，封孔工藝應滿足密封性好、操作方便、速度快、材料省等要求。依據對鉆孔微裂隙進行密封的要求，結合水泥和聚合物的優點選擇抽采鉆孔密封材料要遵循以下原則：密封材料整體致密，耐老化性、抗干裂性強;密封材料要具有一定的膨脹性，用于密封鉆孔周邊的微裂隙，且其膨脹性主要用于封堵微裂隙;針對不同用途的鉆孔（如正壓和負壓），均能有合適的密封材料;密封材料以水泥為主，應用聚合物對水泥進行改性;密封材料在井下使用方便，操作配比技術難度低，使操作人員容易掌握;密封材料的各原料均為日常化工材料，來源廣泛;用于改性的聚合物必須接觸無毒或低毒;成本易控制。

5鉆孔密封工藝

①清孔。鉆孔施工完成后，鉆桿退出鉆孔，再用風動鉆孔清理鉆孔內殘余煤渣。②煤渣清理干凈后，插入瓦斯抽采管和堵頭等裝置。按照鉆孔密封設計方案往鉆孔內放抽采管，當長2.3m的抽采管放置完成后，再放置安裝有“兩堵一注”封孔設備的瓦斯抽采管，鉆孔密封設備安裝的同時，將抽采管和封孔裝置往鉆孔里送（兩堵頭之間的距離是12m，外堵頭距離孔口5m）。整個封孔裝置全部進入鉆孔。③注漿。待全部封孔設備都進入預定位置后，將準備好的滿足注漿性能的漿體通過注漿泵進行注漿。注漿時必須注意注漿設備的壓力變化，據此對注漿情況及進程進行分析判斷。應特別關注注漿設備壓力持續不發生變化的時間，這時爆破閥即將開啟。在注漿設備壓力經過一段時間不發生變化而又再次地發生壓力增長后，還需要再不停地注漿7min左右才可結束注漿，這時保證孔內有足夠的壓力和漿體。④瓦斯抽采。在封孔工作結束24h后，漿液已完全凝固，這時即可將抽采管連接進入抽采系統進行瓦斯抽采。

結語

綜上所述，采用新型封孔工藝封孔，提高了采掘工作面的瓦斯預抽率，減少了煤體向采掘空間的瓦斯涌出量，同時也降低了采掘工作面的瓦斯超限、“三級報警”的次數及發生煤與瓦斯突出的可能性，大幅提高了采掘過程中的安全性;抽采孔的抽采效果提升后，增加瓦斯利用量，減少瓦斯對大氣的污染。對于掘進工作面，減少了抽采時間，增加了有效掘進時間，從而緩解了杉木樹煤礦綜采工作面采掘接替緊張的局面。

參考文獻：

[1] 劉廣北，李書田，張宏軍.新型封孔材料在煤礦探放水中的應用[J].煤，2010，19（1）：50-52.

[2] 林柏泉，張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[3] 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.

[4] AQ1026—2007，煤礦瓦斯抽采規范[S].

[5] 郝志勇.新型封孔材料研究現狀與材料原理[R].徐州：中國礦業大學瓦斯研究所，2006.

[6] 殷文韜.煤層瓦斯抽放封孔工藝研究與應用[J].煤炭工程，2011（2）：31-33.

（作者單位：平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司）