煤礦瓦斯抽放鉆孔封孔技術研究

徐軍 淮滬煤電有限責任公司 丁集煤礦

一、引言

瓦斯氣體學名為煤層氣，從其名稱中就可看出，該氣體是煤炭資源在成藏過程中逐漸形成并貯留在煤層內的，由于受到煤層和圍巖的壓力而逐漸匯聚。在煤炭開采過程中，由于外力條件發生變化，瓦斯氣體由于外界壓力的減小而從煤層中逸散甚至突出。眾所周知，瓦斯氣體本身是一種易燃易爆的有毒氣體，主要成分為甲烷，同時也包含硫化氫等雜質氣體。瓦斯既可作為一種清潔能源，同時也是煤礦安全生產的重要隱患，因此在井下開采作業過程中，針對瓦斯氣體的科學勘探與合理抽排就成為保障煤礦安全生產的重要舉措，另一方面，隨著煤炭領域內精準開采理念的提出，對瓦斯資源的綜合利用也受到了越來越多的重視，而瓦斯氣體的科學勘探與抽排則是實現這一目標的前提。

目前在煤礦瓦斯抽采環節，使用最普遍的方式為鉆孔抽排模式，通過合適的鉆孔方法，并配以對應的抽排設備，就能夠可靠的將煤層中貯藏的瓦斯氣體采集并輸送至地面工作站，由其負責進行后續的工藝的處理。對于連續進行多個鉆孔的封孔作業，須進行水泥漿的多次攪拌時，將停留于泵體及注漿管內的干稠水泥漿排出，防止在短時間內凝結造成堵塞。具體操作為：向攪拌機內注入清水進行攪拌，將泵體及注漿管內的干稠水泥漿用清水或稀漿置換。隨著近年來煤礦開采自動化程度的提高，各種大型的開采設備不斷投入使用，顯著提高了井下工作面的掘進速度，為了跟上生產需求，確保生產安全，瓦斯抽排工作也面臨著提高精確性和加快工作進度的迫切要求。本文從實踐應用和技術理論兩方面出發，對目標在瓦斯抽采工藝中使用的幾種主流的封孔技術進行類比分析與探討，具有顯著的實踐價值。

二、煤礦封孔技術

（一）聚氨酯封孔技術

國內本煤層鉆孔普遍采用“高分子發泡材料”，其中以聚氨酯材料為主要材料。封孔時將雙組分“高分子發泡材料”混合攪拌后，用棉紗、棉布、毛巾等織物浸澤纏繞在封孔管的某個長度上，然后插入鉆孔10 米左右的深處，“高分子發泡材料”發泡膨脹，將鉆孔封堵（見圖1）。

觀察圖1 可以發現，該方法存在一些固有的缺陷，且均是由高分子發泡材料的具有的高發泡倍數所導致的：

（1）抗壓強度低，發泡材料材質輕且存在大量的氣孔，固化后的支撐力有限，在壓強升高的情況下很容易產生形變，影響封堵效果；

（2）可壓縮量很大。高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井往往采深較大，相應的地應力也較大，加之煤層強度普遍較低，井下煤層鉆孔在地應力作用下將逐漸蠕變，鉆孔在蠕變的過程中，鉆孔周圍的煤體將會產生松動裂隙（漏氣通道）。

（二）機械彈性封孔技術

該技術主要分為螺旋彈性脹圈式封孔器和彈性串球式封孔器，圖2 給出了前者的結構特征。這兩種封孔技術的原理都是在外加力的擠壓作用下，迫使彈性膠桶或者彈性串球膨脹，在鉆孔內壁中貼緊，通過摩擦力來封堵鉆孔；而在不需要封堵時，可去除工作壓力，使得膠桶或串球在自身的彈性力作用下恢復原狀，即可從鉆孔中取出。

機械彈性封孔技術主要應用在臨時封孔需求場合，一般位于鉆孔深度前（5-10米），主要針對抽采工作面前方松動區內的瓦斯，在距離孔口1-2 米封孔。其優點在于操作簡單，材料可重復使用，降低了封堵成本；缺點是密封性能較差，無法實現對鉆孔的百分之百的封堵，存在不同程度的漏氣情況，無法長期使用。

圖1 高分子發泡材料封孔法漏氣通道擴張示意圖

圖2 螺旋式封孔器示意圖

（三）充氣式封孔器

充氣式封孔器主要有兩種，一種是免充氣氣囊式，另一種是充氣氣囊式。前者將氣體封閉在一個橡膠囊里，氣囊中部有一根抽采管，利用氣體的可壓縮性將氣囊塞進鉆孔里實現封孔，主要在孔口1 米范圍內封孔；后者的氣囊里沒有封閉空氣，氣囊中部有一根抽采管，將囊帶塞進鉆孔之后，讓后再向囊帶充氣。兩者的效果幾乎是一樣的，只能做為臨時性封孔。

三、新型加壓注漿封孔法

鉆孔封孔后，必須及時聯管抽放，聯管時以前的鉆孔抽放管必須保留，聯管接頭必須用專用膠水連接。必須確保管路不漏風，保證管路抽放暢通。加壓注漿封孔法主要原理是由于樹脂膨脹量比較大而且材質堅硬，通過樹脂包在鉆孔中兩端膨脹封堵，在中間的空隙中通過單向閥注入水泥。樹脂包的封堵可以承受一定的水泥壓力。這種封孔方法一方面能使鉆孔周圍的裂隙得到充填，消除開孔時形成的裂隙，即消除初期漏氣通道；另一方面能使鉆孔得到可靠的支護，保證鉆孔的穩定，使鉆孔周圍不再產生新的裂隙，即避免后期漏氣通道的產生和發展。

四、結論

本文結合生產實踐和理論基礎，選擇出目前在煤礦井下瓦斯抽排領域內常用的幾種封孔技術，并在此基礎上進行了類比分析，分別探討了這些封孔技術的特性與適用場合，為該環節的施工提供了可靠的技術參考。目前，在瓦斯勘探與抽排領域，最主流的發展方向就是結合工業自動化技術、計算機分析能力和人工智能技術等多個領域內的研究成果，取長補短，有機結合，形成準確性高、響應速度快強、穩定性好的綜合型抽排工藝。相信隨著各個研究領域不斷進步，會涌現出更多的針對瓦斯智能化勘探與抽排的技術和設備，進一步該領域的施工水平，保障煤礦井下安全生產。