“兩堵一注”帶壓封孔工藝在龍門峽南煤礦的研究與應用

肖 喬 余曉康 馮康武 李林松 孫 臣 劉 陽

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037；2.華鎣山煤業股份有限公司龍門峽南煤礦，四川省廣安市，409800)

我國是世界上煤礦瓦斯災害最為嚴重的國家之一，瓦斯災害時刻影響著礦井的安全生產[1]。目前，對于減少瓦斯事故、實現煤與瓦斯共采最有效的措施就是對礦井煤層瓦斯進行抽采[2-3]。瓦斯抽采鉆孔封孔質量的好壞將直接影響煤層瓦斯抽采效果[4]。因此，根據礦井自身條件選擇較好的封孔工藝很有研究必要。

現階段我國煤礦抽采鉆孔主要的封孔工藝有水泥漿液封孔[5]、高分子發泡材料封孔[6]、囊袋式封孔器封孔[7]、二次封孔法封孔[8]、“兩堵一注”帶壓封孔[9-10]等。水泥漿液封孔工藝是在抽采鉆孔中預埋1根抽采管和1根注漿管，從注漿管注入水泥漿液，抽采管返漿后停止注漿，待漿液凝固后完成封孔，具有成本低、操作方便的優點，缺點是水泥凝固后易收縮導致漏氣，而且漿液無法深入鉆孔裂隙中進行封堵，亦會造成鉆孔漏氣，此為龍門峽南煤礦傳統封孔工藝；高分子發泡聚合材料封孔具有封孔時間短、發泡倍數高等優點，但發泡材料抗壓能力有限，在高地應力或采掘干擾情況下容易產生變形，導致封孔段鉆孔周圍產生裂隙，影響抽采效果；囊袋式封孔器封孔具有封孔速度快的特點，但重復利用率低，對操作人員要求高，封孔質量無法保證；二次封孔法封孔工藝主要是采取一次封孔之后，又利用帶壓將微細膨脹粉料吹入抽放鉆孔內，起到封堵鉆孔周邊裂隙、提高抽采率的效果，缺點是微細膨脹粉料易受潮結塊，影響裂隙封堵；“兩堵一注”帶壓封孔可以使封孔材料很好地滲入鉆孔周邊裂隙，有效地封堵漏氣通道，提高密封性，目前存在的問題是“兩堵”強度低，導致注漿壓力不高或不帶壓，不能對鉆孔周邊裂隙進行嚴密封堵，無法達到“注”的目的，導致抽采效果不佳。

針對龍門峽南煤礦現開拓采區構造發育、裂隙眾多的特點，若采用傳統水泥漿液封孔工藝將無法滿足礦井抽采要求，綜合考慮封孔效果和經濟效益，提出選用“兩堵一注”帶壓封孔工藝，并對該工藝進行改造升級，分別在3131工作面機巷和+310 m北西翼運輸大巷進行順層、穿層應用試驗，效果良好。

1 試驗礦井概況

龍門峽南煤礦絕對瓦斯涌出量為12.20 m3/min，相對瓦斯涌出量為11.07 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。主采K1煤層最大瓦斯壓力為2.2 MPa，最大瓦斯含量為14.78 m3/t，透氣性系數為0.521 m2/(MPa2·d)，K1煤層原始瓦斯壓力、瓦斯含量均較大，且煤層透氣性較差，同時具有突出危險性，瓦斯治理困難。隨著礦井抽采重點向313采區轉移，此采區煤(巖)層原生構造十分發育，加之巷道掘進后松動圈內裂隙眾多，原先采用的水泥漿液封孔工藝抽采效果很不理想，瓦斯抽采濃度低，且抽采鉆孔易出現漏氣問題。因此，需結合礦井實際情況，對原有封孔工藝進行改進升級。

2 “兩堵一注”帶壓封孔工藝

2.1 封孔原理

“兩堵一注”帶壓封孔工藝示意圖見圖1。其基本原理為：首先采用專用封堵材料對瓦斯抽采鉆孔封孔段兩端進行封堵，待封堵材料發泡、膨脹凝結后，再往封堵段之間的空間內注入攜帶一定壓力的水泥漿液，當壓力達到一定程度，漿液在注漿壓力的作用下將進入鉆孔壁裂隙進行封堵，凝固后其注漿壓力接近于地應力，能使鉆孔封孔段處形成高應力區，徹底密封瓦斯漏氣通道，提高密閉性。

1—封孔泵；2—壓力表；3—返漿管；4—抽采管；5—注漿管；6—化學漿堵頭；7—水泥漿液；8—抽采鉆孔；9—抽采管花眼段；10—煤(巖)層；11—裂隙圖1 “兩堵一注”帶壓封孔工藝

2.2 封孔參數確定

(1)順層鉆孔封孔長度的確定。由于K1煤層較松軟、裂隙發育，采煤工作面風巷、機巷掘進過程中將形成裂隙圈，需滿足抽采鉆孔封孔長度大于裂隙圈半徑，防止因裂隙與抽采鉆孔溝通而引起的漏氣，結合以往經驗，確定順層鉆孔封孔長度為12 m。

(2)穿層鉆孔封孔長度的確定。根據礦井已揭露的地質資料顯示，K1煤層底板的泥巖段氣密性較好，而靠近穿層仰孔孔口端茅口灰巖段的鉆孔裂隙較發育，因此，封孔至煤層底板的泥巖即可，結合以往經驗，確定穿層鉆孔封孔長度為15 m。

2.3 主要封孔材料及設備的選用

(1)考慮到龍門峽南煤礦煤(巖)層構造帶眾多，原生斷層、裂隙發育的實際情況，采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝會存在兩方面問題：其一，鉆孔封孔段兩端封堵材料強度不足，主要體現在材料徑向上缺乏作用力，對后續的注漿帶來影響；其二，缺乏對注漿壓力的把控，注漿時若壓力過小，水泥漿液無法滲透孔壁裂隙，若壓力過大，容易將封堵材料沖破，兩者均會對封孔效果造成負面影響。

(2)通過地面帶壓封孔模擬試驗，發現采用PN-6波雷因高分子發泡聚合材料作為鉆孔頂、底端封堵材料，兩端封堵材料產生的徑向作用力可滿足注漿壓力對兩端封堵材料的強度要求。

試驗采用直徑? 100 mm的鐵管模擬井下抽采鉆孔，采用PN-6波雷因注漿加固材料作為鉆孔頂封材料，然后帶壓注漿封孔12 h后，將鐵管沿截面切開，可以得到模擬鉆孔的剖面，如圖2所示。

圖2 “兩堵一注”帶壓封孔模擬鉆孔剖面

從圖2可看出，模擬鉆孔內有瓦斯抽采管、注漿管、返漿管以及封孔段凝固的封孔材料，其中經過12 h后封孔材料已完全凝固，同時瓦斯抽采管無受壓變形現象，說明該封孔材料能夠有效密封鉆孔。因此選用PN-6波雷因注漿加固材料(后文簡稱為“化學漿”)作為龍門峽南煤礦“兩堵一注”帶壓封孔工藝“兩堵”的材料。

鉆孔封孔段兩端封堵完成后，往封孔段注入的水泥漿液必須帶有適當壓力，使得水泥漿液既不會沖破封孔段兩端的封堵材料，又可以充分滲入鉆孔孔壁裂隙。通過前期試驗，當注入漿液壓力控制在1～2 MPa時，其填充效果最好。對此，龍門峽南煤礦引進了BFK-12/2.4型礦用注漿封孔泵，該泵額定注漿壓力為0～2.4 MPa，注入流量為12 L/min，滿足“兩堵一注”帶壓封孔工藝“一注”要求。

2.4 封孔步驟

第一步：準備工作。事先預置BFK-12/2.4型礦用注漿封孔泵作為封孔機械設備，且準備足量的封孔材料，“兩堵”材料采用化學漿，“一注”材料采用水泥與石膏粉配水料，還需要準備其他必備的封孔注漿器具，包括抽采管、注漿管、返漿管、棉紗、鐵絲等。

第二步：清理預封鉆孔。通過壓風對已打鉆孔進行清洗，清洗完畢后對鉆孔進行檢查，確保鉆孔的完整性，不出現變形、垮孔的情況。

第三步：“兩堵”。按封孔結構要求固定管道，并根據封孔深度在管道封孔前后端包裹棉紗，用于混合“兩堵”封孔材料。現場配置化學漿，將化學漿液充分澆在管道棉紗上，并將管道送至鉆孔預定封孔位置。待化學漿充分反應膨脹后，使鉆孔封孔段前后兩端封堵牢固，完成“兩堵”。

第四步：“一注”。通過注漿泵機械配置水泥漿液，連接注漿泵與注漿管并往孔內注漿，待返漿管返漿后關閉返漿管上的閥門，繼續注漿。此階段為帶壓注漿階段，須確保封孔段內水泥漿液壓力值滿足在1～2 MPa之間，且壓力值不再衰減。滿足條件后封堵注漿管，完成“一注”。

第五步：待24 h封孔材料充分反應凝固后，“兩堵一注”帶壓封孔工作全部完成，可對鉆孔內瓦斯進行接抽。

3 應用效果分析

3.1 順層鉆孔帶壓封孔效果分析

順層鉆孔帶壓封孔考察地點選擇在3131工作面機巷，在3131工作面機巷布置抽采鉆孔對K1煤層進行瓦斯預抽。本次試驗選定了1#～10#瓦斯抽采鉆孔進行封孔效果對比分析，試驗鉆孔直徑均為?87 mm，鉆孔深度為100～120 m，封孔長度均為12 m，抽采負壓為20～30 kPa，鉆孔竣工參數見表1。其中，1#～5#瓦斯抽采鉆孔為傳統水泥漿液封孔工藝封孔，6#～10#鉆孔選用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進行封孔，鉆孔平面布置示意圖見圖3。

通過對1#～10#瓦斯抽采鉆孔進行為期1個月的觀測統計，傳統水泥漿液封孔工藝(1#～5#)與“兩堵一注”帶壓封孔工藝(6#～10#)鉆孔的單孔瓦斯抽采參數分別如表2、表3所示，并得出兩者的單孔平均瓦斯抽采濃度與抽采時間的關系，見圖4。

表1 鉆孔竣工參數表

圖3 鉆孔平面布置示意圖

表2 傳統水泥漿液封孔工藝鉆孔瓦斯濃度 %

表3 “兩堵一注”帶壓封孔工藝鉆孔瓦斯濃度 %

圖4 順層鉆孔單孔平均瓦斯抽采濃度曲線

從表2、表3、圖4分析可知，經過為期1個月的瓦斯抽采，采用傳統水泥漿液封孔工藝鉆孔(1#～5#)的單孔平均瓦斯抽采濃度從最初的30.4%逐漸下降至21.4%，均值下降幅度為9%；采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝鉆孔(6#～10#)的單孔平均瓦斯抽采濃度從最初的55.8%逐漸下降至47%，均值下降幅度為8.8%。相比較于前者，其單孔平均瓦斯抽采濃度大幅度上升，瓦斯抽采濃度提高了約25%，且衰減的速率也相對緩慢。通過以上分析可以看出，“兩堵一注”帶壓封孔工藝在順層抽采鉆孔的應用上效果顯著，可以較好地提高封孔質量。

3.2 穿層鉆孔帶壓封孔效果分析

穿層鉆孔帶壓封孔選擇考察地點在+310 m北西翼運輸大巷，該巷道兼作3133機巷掘進條帶預抽煤層瓦斯的底板抽采巷。選定+310 m北西翼運輸大巷59#和60#鉆場中各5個抽采鉆孔進行封孔效果對比分析，59#鉆場抽采鉆孔為傳統水泥漿液封孔工藝封孔，60#鉆場抽采鉆孔選用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進行封孔。

待鉆場內抽采鉆孔均封孔完畢后，接通瓦斯抽采管路，對試驗鉆孔連續考察1個月，收集并統計其試驗鉆孔瓦斯抽采數據。2種封孔工藝下單孔平均瓦斯抽采濃度曲線如圖5所示。

圖5 穿層鉆孔單孔平均瓦斯抽采濃度曲線

由圖5可知，相比于傳統水泥漿液封孔工藝，“兩堵一注”帶壓封孔工藝更為有效，單孔平均瓦斯抽采濃度提高約10%，且抽采瓦斯濃度衰減相對緩慢，高濃度維持的周期較長，抽采效果得到很大程度的提升。

4 結論

(1)結合龍門峽南煤礦實際情況，提出運用“兩堵一注”帶壓封孔新工藝解決礦井K1煤層瓦斯抽采問題，并通過理論分析闡述了適用于該礦井新工藝的應用辦法。

(2)通過現場試驗分析，相比傳統礦井水泥漿液封孔工藝，“兩堵一注”帶壓封孔新工藝可將煤層順層單孔瓦斯抽采濃度提高約25%，穿層瓦斯抽采濃度提高約10%，兩者抽采衰減速率均得到有效控制。

(3)“兩堵一注”帶壓封孔新工藝可以有效地封堵抽采鉆孔中的裂隙，有效提高鉆孔抽采濃度，滿足了龍門峽南煤礦安全生產要求。