高瓦斯綜放面順層鉆孔二次封孔優化設計研究

申潞杰

（山西蘭花科技創業有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平，048400）

0 引言

我國礦井的瓦斯抽采率較低，無法有效改善高瓦斯礦井安全生產現狀，也大大限制了礦井生產能力[1]。目前，高瓦斯礦井抽采率低主要原因時抽采孔的封孔質量差。當前井下封孔技術主要有機械注水泥砂漿封孔、封孔器封孔、聚氨酯樹脂封孔等手段。但這些封孔手段漏氣嚴重，忽略了鉆孔四周煤體裂隙的影響，導致封孔質量差，瓦斯抽采濃度降低[2,3]。本文以3211綜放面為研究對象，根據二次封孔技術的原理，研究改進型二次封孔技術，應用到順層鉆孔的封孔工作中，并對改進型二次封孔技術現場工藝進行優化設計，研究結果可為條件類似的礦井提供技術指導。

1 礦井概況

伯方煤礦3211工作面位于井田西北部，北部為斷層帶，南與3209工作面相鄰，東側與二盤區回風大巷相接。3211工作面推進長度設計2673m，可采長度2525m，采長180m，埋深224～344m，采用一次采全高綜放開采工藝。3211工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度 4.64～5.77m，平均 5.46m；含 1～3 層夾矸，夾矸總厚 0.1～0.4m；煤層傾角 2～7°；平均 5°；煤層硬度f=1～2，層理、節理為中等發育；煤層透氣性系數為0.84m2/MPa2d，屬于低透性煤層。工作面瓦斯壓力為0.88MPa，煤層瓦斯含量為4.22m3/t。

2 礦井原封孔技術與瓦斯抽采效果

2.1 原封孔技術方案

井下瓦斯抽采管外徑50mm，長度20m，鉆孔的直徑為89mm，原采用聚氨酯封孔袋方式進行封孔。首先用封孔袋在抽采管前段2m處進行密封，每2個封孔袋為1組，固定在抽采管上，共7組，各組間隔300～500mm，待封孔材料充分混合后，送入鉆孔，如圖1所示。圖中L1（約為1.0m）為抽采管花管段，在抽采管前段四周打上花眼，可以在送管和抽采的過程中防止煤屑堵塞抽采管，保證抽采效果；L2（約為0.5m）為緩沖段，防止聚氨酯封孔袋膨脹堵塞花管；L3（約為8.0m）為封孔段；礦井原封孔工藝對L4段未采取任何封堵措施，只在孔口處用棉布堵住，其中L3+L4=15.0m。

圖1 礦井原封孔工藝示意

2.2 原方案下瓦斯抽采效果觀測

本次觀測選取3211綜放面回風平巷600m處礦方采用原封孔工藝密封的10個鉆孔，均在成孔當天進行鉆孔密封抽采工作，主要觀測鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采混合流量和瓦斯抽采純流量觀測結果，如圖2所示。

圖2 原方案下瓦斯抽采觀測效果

由圖2可知，在原封孔方案下鉆孔最高瓦斯抽采濃度為45～85%，最低瓦斯抽采濃度為1%～10%；瓦斯的抽采混合流量最高為11～28L/min，最低為6～9L/min。分析以上數據可得到礦方原封孔工藝密封的鉆孔存在以下問題：

1）鉆孔初始抽采濃度普遍不高，封孔質量差；

2）抽采瓦斯濃度低，高濃度狀態的抽采時間短，一般在23天左右時，因瓦斯抽采濃度低于觀測設置水平而停止進行觀測。

3）瓦斯抽采濃度的衰減速度比較快。封孔當日，瓦斯抽采濃度較高，隨后，瓦斯抽采濃度下降迅速，一般在9天后低于初始狀態的20%。

4）瓦斯抽采濃度差異較大。瓦斯抽采濃度變化無規律，存在較大異常，差異大，嚴重影響了抽采系統的安全性。

3 順層鉆孔改進型二次封孔技術試驗

3.1 改進型二次封孔技術工藝

改進型二次封孔技術是基于煤層鉆孔裂隙發育研究和二次封孔技術原理進行改進封孔的，該技術既可以保證封孔初期瓦斯抽采效果達到一個很高的水平，還可有效的對鉆孔周邊裂隙進行封堵，延長鉆孔抽采周期，提高鉆孔抽采效果。具體工藝如下所述：

1）確定封孔深度。基于巷道松動圈理論，封孔深度大于巷道松動圈半徑，但小于應力集中峰值點的距離。本文通過測定鉆屑量變化規律確定出巷道松動圈大小，和應力峰值點的位置，由此確定封孔深度[4，5]。

2）確定封孔材料以及用量。目前聚氨酯類發泡材料憑借著發泡倍數高、固化速度快、工藝簡單等優點得到了廣泛的應用[6]。改進型二次封孔技術在一次封孔階段采用中國礦業大學與天津大學合作研制的賽瑞聚氨酯封孔材料，其與鉆孔壁的粘結性、致密性及其強度等均效果較好，可以通過改變材料配比調節發泡時間適用于不同長度的鉆孔密封。

3）確保鉆孔初次密封質量。改進型二次封孔技術中，保證鉆孔初次密封的質量是改進型二次封孔技術的關鍵之一。在鉆孔初次密封階段我們通常采用棉布卷料的方法進行封孔，通常封孔長度根據現場工作經驗略小于封孔深度的一半，但具體長度還要根據鉆孔的實際情況確定。

4）實施粉料輸送階段。鉆孔初次密封階段完成后，向鉆孔內送入長度1.5～2.0m的粉料輸送管，粉料輸送管末端露出鉆孔0.5m方便連接粉料輸送設備，孔口用棉布蘸聚氨酯發泡材料堵住，封堵長度為0.3～0.5m。調節主風路風壓至0.15MPa，向鉆孔內輸送粉料。通過粉料機上的壓力表示數或高壓膠管內的粉料運動狀態判斷粉料輸送情況，然后將粉料輸送管用黃泥或者棉布封死，即完成改進型二次封孔技術的全部操作。

3.2 試驗地點與方法

本次實驗采用對比試驗的方法，即對比改進型二次封孔技術與礦方原封孔技術瓦斯抽采效果。試驗地點同樣選擇在3211綜放面回風平巷緊挨礦方原封孔工藝密封的鉆孔，預計施工20個試驗鉆孔，采用改進型二次封孔技術進行鉆孔密封，觀測記錄鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采混合流量和瓦斯抽采純流量。當連續2次以上瓦斯抽采濃度均小于16%時，停止觀測。

3.3 試驗設計方案

在施工設計方面，改進型二次封孔技術參照礦方原封孔工藝進行，鉆孔前段的密封長度保持與礦方原封孔工藝保持一致，但是在工藝上采用棉布卷料的方法，棉布長度為6m，膨脹后封孔段長度可達8m，鉆孔密閉腔室內預留1.5m長的粉料輸送管，孔口用棉布卷裹混合聚氨酯進行密封。

輸送粉料顆粒階段，用井下壓風管路連接粉料機進行動力輸送，將粉料通過風力輸送到鉆孔密閉腔室內。

3211工作面回風平巷平均鉆屑量隨巷道煤體深度的變化關系如圖3所示。

圖3 平均鉆屑量與煤體深度之間的變化關系

由圖3可以確定，巷道松動圈半徑約為12m，應力集中峰值點為17m，因此封孔深度應在12～17m之間。考慮到回風平巷兩幫施工大量穿層鉆孔，周邊煤體嚴重受到施工穿層鉆孔所產生的破壞，因此在二次封孔技術實施的過程中，封孔深度應大于穿層鉆孔的長度，取16m為試驗鉆孔的最佳封孔長度。

3.4 優化設計試驗結果

自鉆孔封孔接抽后開始試驗鉆孔的瓦斯抽采效果觀測，主要觀測鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采混合流量和瓦斯抽采純流量觀測結果，如圖4所示。

圖4 改進方案下瓦斯抽采觀測效果

由圖4可知，在改進封孔方案下鉆孔最高瓦斯抽采濃度為95%～98%，最低瓦斯抽采濃度為11%～15%；瓦斯的抽采混合流量最高為10～26L/min，最低為 5～8L/min。

圖5為封孔技術方案改進前后所封鉆孔瓦斯抽采效果對比圖，圖中顯示，改進后的方案比原方案在平均單孔瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純流量和平均有效抽采時間方面分別提高了10.3%，1.3L/min和22.2d，改進型二次封孔技術大大提高了瓦斯抽采效率，延長高濃度瓦斯抽采周期。

圖5 方案改進前后對比

4 結 論

1）實測伯方煤礦3211綜放面原封孔工藝抽采效果并進行分析。伯方煤礦煤層裂隙中等發育，原封孔工藝時效果較差，主要表現為瓦斯抽采濃度低、衰減快、差異大，抽采時間短。

2）在3211綜放面進行改進型二次封孔技術對比試驗，確定封孔技術工藝參數為：封孔深度16m，一次封孔長度8m，粉料腔室長度7m。

3）改進型二次封孔技術所封鉆孔在平均單孔瓦斯抽采濃度、抽采純流量和有效抽采時間方面分別提高了10.3%，1.3L/min和22.2d，具有良好的封孔效果。