瓦斯抽采鉆孔封孔解析

摘 要：本文首先就煤礦瓦斯的危害及瓦斯抽采的必要性予以概述，并對(duì)瓦斯抽采鉆孔的封孔方式展開細(xì)致分析，旨在提高瓦斯抽采效率。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;鉆孔;封孔

1 瓦斯抽采概述

1.1 煤礦瓦斯的危害

在煤礦開采中，瓦斯氣體大量存在，是一種以甲烷氣體為主的氣體混合物，具有很大的危害性。瓦斯事故在煤礦生產(chǎn)中有較多發(fā)生，特別是在高瓦斯煤層開采中，常見的瓦斯事故有：一是瓦斯窒息事故，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高時(shí)，會(huì)使人因缺氧而窒息，常見于瓦斯通風(fēng)不暢、采空區(qū)瓦斯涌出、誤入未經(jīng)通風(fēng)的巷道等情況;二是瓦斯燃燒事故，若礦區(qū)火源管理不嚴(yán)，而且存在瓦斯大量涌出、積聚、通風(fēng)不及時(shí)等問題，容易導(dǎo)致瓦斯燃燒;三是瓦斯爆炸事故，瓦斯遇火反應(yīng)有一定的濃度界限，若瓦斯?jié)舛炔桓哂?%，僅會(huì)燃燒，若濃度處于5%至16%之間時(shí)，可能會(huì)發(fā)生爆炸，也稱之為瓦斯爆炸界限，而且瓦斯爆炸是最為嚴(yán)重的煤礦事故。四是煤與瓦斯突出，當(dāng)煤層應(yīng)力以及瓦斯壓力突破某限值的情況下，使得瓦斯氣體以及碎煤以突發(fā)形式的噴出，會(huì)帶來較大的破壞性。

1.2 瓦斯抽采技術(shù)

該技術(shù)主要通過鉆孔的方式，將煤層瓦斯能夠在抽采設(shè)備作用下，抽放至地表，并將瓦斯進(jìn)行存儲(chǔ)和利用。瓦斯抽采也是瓦斯事故的主要防控措施，能夠有效控制瓦斯?jié)舛龋疫€能夠變廢為寶，提高瓦斯資源的利用效率。瓦斯抽采的作用總結(jié)如下：一是控制瓦斯?jié)舛龋档屯咚褂砍隽浚岣叩V井通風(fēng)效率;二是降低煤層瓦斯壓力，控制瓦斯對(duì)煤體的破壞，避免發(fā)生瓦斯突出問題;三是瓦斯資源的開發(fā)與應(yīng)用;四是控制煤礦生產(chǎn)污染問題。

2 瓦斯抽采鉆孔封孔方式分析

2.1 材料式封孔方式

2.1.1 粘土封孔

粘土封孔是比較原始的封孔方式，隨著封孔技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，該方法在實(shí)際中僅有較少應(yīng)用。工作原理是在管道和鉆孔形成的空間內(nèi)裝入粘土，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行壓實(shí)。將水泥漿注入孔口附近，在封孔前需要保證已經(jīng)固結(jié)完畢，采用這種方法對(duì)材料性能要求低，材料的成本也較低。但其封孔效果受工藝精度限制，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而且受黏土特性影響，封孔長度較小，還會(huì)出現(xiàn)裂縫等問題，影響抽采效果。

2.1.2 水泥砂漿封孔

粘土封孔已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要，人們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，主要是通過在鉆孔的基礎(chǔ)上，將一些實(shí)體物放到抽采管兩端，將其堵住，然后再在里面混入水和水泥，利用注漿泵實(shí)現(xiàn)封孔的目的。采用這種方法所使用的水泥獲取方便，成本較低，有效克服了粘土封孔的弊端。同時(shí)，水泥砂漿封孔也易受材料影響，若砂漿出現(xiàn)脫水收縮現(xiàn)象，可造成裂紋的出現(xiàn)，降低鉆孔的封孔效果，而且連續(xù)注漿操作，對(duì)人力物力的消耗較大。此外，盡管速凝劑、膨脹劑等外加劑的使用，可以改善砂漿密封性能，但會(huì)封孔效果仍然較差。

2.1.3 聚氨酯封孔

這種方法是通過將特定的兩種材料進(jìn)行攪拌混合，然后再將其送入抽采鉆孔，過了一段時(shí)間以后，二者混合形成的聚氨酯就會(huì)膨脹產(chǎn)生徑向壓力（通常不會(huì)超過2兆帕），加快物體進(jìn)入裂隙的速度，就會(huì)形成對(duì)鉆孔的封堵。藥液法（有卷纏和壓注兩種形式）是比較常見的處理方式。采用這種方法大大縮短了工作時(shí)間，穩(wěn)定性強(qiáng)，在一定壓力范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生變形，膨脹效率高。一些研究者還進(jìn)行了其他材料（PD材料等）的搭配，取得了一定的效果，但能否將其大范圍的投入使用還有待商榷。

聚氨酯封孔方式存在問題如下：首先聚氨酯材料具有10至300秒的發(fā)泡時(shí)長，若封孔距離較長時(shí)，需對(duì)發(fā)泡時(shí)間嚴(yán)格控控制，否則易在未達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)即發(fā)泡膨脹，會(huì)影響鉆孔封孔效果;其次由于聚氨酯固結(jié)后，其透氣壓力通常不會(huì)高于2兆帕，在鉆孔內(nèi)部應(yīng)力作用下，可能造成封孔材料損壞，破壞封孔密封性能，降低瓦斯抽采效率;最后其作為高分子聚合物，具有凝結(jié)放熱的特性，同時(shí)聚氨酯材料中還包含一些具有較低燃點(diǎn)的物質(zhì)，存在引起瓦斯燃燒的可能，而且聚氨酯的發(fā)泡效果還易受到濕度及水分的影響，進(jìn)而降低封孔效果。

2.2 “兩堵一注”封孔方式

聚氨酯和囊袋是這種方法所必需的材料，能夠在封孔段形成一個(gè)堵頭，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿，注漿過程中會(huì)用到注漿機(jī)，需要做好設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)工作，提高注漿過程的安全性。在注漿時(shí)產(chǎn)生的注漿壓力，會(huì)加快注漿液的滲透速度，最后將抽采鉆孔密封。這種方法能夠根據(jù)實(shí)際工況來對(duì)封孔參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證孔段和孔壁之間的的連接性和密封性，一定范圍內(nèi)的注漿壓力能夠提高注漿液的滲入率，注漿液過了一段時(shí)間以后就會(huì)凝固，此時(shí)地應(yīng)力會(huì)促進(jìn)應(yīng)力集中區(qū)域的形成，降低了漏氣率，密封性也得到了有效保證。

“兩堵一注”封孔方式也存在不足，當(dāng)堵頭材料選用聚氨酯時(shí)，會(huì)因聚氨酯材料特性，而導(dǎo)致封孔效果不佳的情況。同時(shí)，“兩堵一注”封孔所應(yīng)用的囊袋與聚氨酯堵頭，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為有限，不可采用過高的注漿壓力，使得注漿封堵效果受限。此外，隨著持續(xù)向下開采，地下煤層的應(yīng)力會(huì)顯著增加，當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)力集中或卸壓情況時(shí)，會(huì)對(duì)煤層帶來較大破壞，然而對(duì)于封孔長度的判斷有很大難度，僅依靠經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)有條件，很難保證裂隙帶鉆孔密封效果。

2.3 封孔器封孔方式

膠圈和膠囊是封隔器封孔常見的方式。膠圈封隔器主要是通過固定螺帽，利用外套管的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)膠圈的壓縮，膠圈一旦被壓縮就會(huì)產(chǎn)生徑向位移，當(dāng)位移量達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)對(duì)環(huán)空空間進(jìn)行封堵;膠囊封孔器是通過選擇合適的方向?qū)δz囊施加力，在力的作用下產(chǎn)生膨脹，就會(huì)占據(jù)空間，形成對(duì)環(huán)空空間的封堵。通過這種工作原理，研究人員又采用了注漿式和充氣式的封孔方式，主要是將囊袋與充氣機(jī)等設(shè)備相連，在設(shè)備的作用下囊袋就會(huì)膨脹，占據(jù)空間增大，達(dá)到封孔的目的。這種方法的好處是能夠在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)封孔，并且工作原理簡單，易操作，不容易引發(fā)安全事故。封孔器封孔的問題表現(xiàn)在：適用范圍小，封孔器成本高，封孔深度有限，多作為臨時(shí)性封孔，而且還會(huì)發(fā)生橡膠膠囊老化等問題，影響鉆孔密封效果。

2.4 二次封孔技術(shù)

這種技術(shù)在21世紀(jì)首次被提出，隨后經(jīng)過眾多科研者的努力，不斷進(jìn)行試驗(yàn)改進(jìn)，取得了重大進(jìn)步，能夠有效的對(duì)抽采鉆孔進(jìn)行封孔。封孔過程如下：第一階段，在抽采管上纏繞聚合發(fā)泡材料，然后在此基礎(chǔ)上將抽采管放入松動(dòng)圈外，工作一段時(shí)間后，煤層在地應(yīng)力和回采面的影響下，產(chǎn)生位移變形，會(huì)擴(kuò)大原有煤層的裂隙，使抽采管中的空氣含量增加，降低了抽采濃度。第二階段則是在鉆孔內(nèi)加入微細(xì)膨脹粉料，這種材料的組成十分復(fù)雜，主要由石灰、淀粉和水泥等材料混合而成，通過使用高壓空氣能夠很好的實(shí)現(xiàn)輸送功能，將環(huán)空空間塞滿，接著進(jìn)行封孔工作，為了節(jié)省時(shí)間，施工人員一般是通過速凝水泥來達(dá)到密封效果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是很好的利用了抽采負(fù)壓的原理，能夠有效保證輸送材料后的裂隙滲入程度高，減少了風(fēng)量的損失，將瓦斯抽采濃度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，極大地改進(jìn)了工作效率。

二次封孔技術(shù)存在問題如下：一次封孔后容易出現(xiàn)細(xì)料堵塞的問題，會(huì)降低密封性能;需嚴(yán)格控制粉料配比與粒徑精度，工藝復(fù)雜其操作難度大;微細(xì)膨脹粉料性能對(duì)濕度較為敏感，且井下往往具有較大濕度，若因受潮出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，會(huì)較大程度破壞封孔效果。

3 結(jié)束語

綜上所述，在我國，隨著開采深度的增加，瓦斯問題更加突出，而且瓦斯抽采難度也顯著提高，迫切需要瓦斯抽采技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新。而封孔效果直接關(guān)系瓦斯抽采效率，需要掌握瓦斯抽采封孔方式，更好的保障封孔密封性能。

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作者簡介：

王飛（1981- ），男，河北張家口人，畢業(yè)于山西大同大學(xué)，通風(fēng)與安全工程師。