王坡礦順層瓦斯抽采鉆孔封孔技術研究與應用

宋 軍

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

對于綜采放頂煤工作面，由于開采強度大、采空區遺煤多，回采過程中大量的瓦斯涌出，極易出現瓦斯超限甚至爆炸等安全事故。王坡煤礦近年來開采深度達到780 m，瓦斯涌出量明顯增加，需對當前的瓦斯抽采方式進行改革創新，形成一種高效的綜放工作面瓦斯治理方式，保證工作面的安全回采。

1 工程概況

1.1 地質概況

山西天地王坡煤業有限公司主采煤層為3號煤，煤層平均厚度5.3 m。根據煤層瓦斯含量及成分測定結果，3號煤的瓦斯含量為13.1 mL/g，瓦斯相對涌出量為19.36 m3/t，屬于高瓦斯礦井。3316工作面位于三采區，傾斜長度180 m，走向長度2060 m，采用綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法處理頂板。工作面回采之前采用順層鉆孔預抽瓦斯。鉆孔與巷道夾角為80°～90°，與水平面的夾角為2°～-3°，鉆孔直徑為115 mm，孔間距為2.5 m，距底板高度為1.5 m。在掘進工作面后方100 m左右施工順層抽采鉆孔，連入瓦斯抽采系統進行抽采，直至工作面回采至鉆孔附近停止抽采。鉆孔布置如圖1。

圖1 鉆孔布置圖

1.2 現有封孔工藝

王坡煤礦目前采用的封孔材料是安爾特，封孔工藝為兩堵一注，即兩端用安爾特高效封孔袋進行密閉，在密閉段中間注入安爾特高效膨脹劑。在現有封孔工藝下，選取20個鉆孔進行瓦斯抽采濃度的測試，其結果如圖2。

圖2 瓦斯濃度隨時間變化曲線

由圖2可以看出，現有的封孔材料和封孔工藝下瓦斯濃度有較大幅度的下降。初期抽采濃度為50%，而110 d后濃度下降至30%，抽采效果并不理想。

分析原因主要有以下幾點：

（1）煤層含水量大

3號煤層含水量相對較大，瓦斯抽采鉆孔內有積水，排水不及時對封孔材料產生影響，長時間浸泡造成密閉效果差。

（2）煤質松軟

3號煤的單軸抗壓強度為7.8 MPa，煤質松軟，成孔后孔壁周邊的裂隙發育，形成漏氣通道，影響瓦斯抽采濃度。

（3）封孔材料不適用

安爾特封孔劑不能完全適應王坡煤礦的地質條件，水灰比及注漿壓力的選擇不合理，造成封孔效果差。

（4）封孔不及時

由于煤質松軟，成孔后極易塌孔，而抽采隊很多班次封孔不及時，造成孔壁失穩，下管時沒有進行擴孔，注漿長度低于設計長度。

2 封孔深度確定

2.1 鉆屑量分析

在3316運輸順槽掘進過程中，設置兩個測站，分別距軌道大巷260 m和330 m，每個測站施工兩個鉆孔，鉆孔深度12 m，進行鉆屑量S測試[1-4]。為保證精確度，要求滯后巷道迎頭的距離不得超過10 m。采用Φ55 mm煤電鉆向回采幫打鉆，角度為向上傾斜5°～6°，對鉆進過程中的每米鉆屑量進行稱重。兩個測點的單位進尺每米鉆屑量變化趨勢基本相同，其中1號測站兩個測孔的測試結果如圖3。

圖3 1號測站測試結果

1號測站測試結果表明，鉆屑量呈現先上升后下降的趨勢。在0～8 m范圍內隨著鉆孔深度的增加，鉆屑量逐漸增大，鉆孔深度為8 m時鉆屑量達到峰值4.34 kg/m，8 m之后鉆屑量逐漸減少。

2.2 解析指標分析

在進行鉆屑收集測試的過程中，從孔深3 m開始，取樣對鉆屑瓦斯解析指標Δh2進行了測定。其中1號和3號測孔的取樣孔深為3 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m，2號和4號測孔的取樣孔深為3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、12 m。測試方法為用Φ2 mm的篩子在鉆孔口接粉，同時啟動秒表計時。當煤粉體積與煤樣瓶容積一致時，迅速裝入瓶中，并擰緊瓶蓋，松開閥門。當達到預定時間時，擰緊閥門并啟動儀器采樣功能對瓦斯解析指標進行測量。2 min的解析指標數據最為穩定。1號測站兩個測孔的測試結果如圖4。

圖4 鉆屑瓦斯解析指標測試結果

由圖4測試結果表明，解析時間2 min時，瓦斯解析指標Δh2和鉆孔深度的關系與鉆屑量和孔深的關系相似。鉆孔深度為9～10 m時Δh2值最大，為3.3 mm水柱。

綜合鉆屑量和鉆屑瓦斯解析指標的測試結果，取較大值為最終結果。由此確定3316運輸順槽巷道松動圈范圍在0～10 m。瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應大于松動圈的距離，由于礦井采用抽采管的長度為4 m，為此確定封孔深度為12 m，每孔采用3根封孔管。

3 封孔材料及工藝研究

3.1 封孔材料研究

傳統的密封材料主要有高分子發泡材料和化學類封孔材料。無機發泡材料成本較高，發熱量大，且強度低，有一定的應用局限性。化學類封孔材料在凝固后有一定的收縮，密閉效果差[5-6]。結合兩種材料的優缺點，專門針對封堵瓦斯抽采鉆孔研發出一種新型的無機復合材料。該材料綜合了兩種材料的優點，具有一定的膨脹性，但強度高，且無固縮現象，密閉性好，受水和溫度影響小。其基本參數見表1。

表1 新型無機封孔材料參數

3.2 現場應用

3.2.1 封孔設備

為實現主動承壓式封孔，需要采用專門的注漿泵，為此選用重慶煤科院研發的FZB-1型礦用氣動封孔注漿泵。該注漿泵額定工作壓力為2.5 MPa，額定流量為22 L/min，氣源壓力為0.5 MPa，耗氣量不大于0.4 m3/min。

配套的封孔器為FKJW通用型礦用封孔器，封孔器的組成如圖5。單囊袋長度為810 mm，寬115 mm，最大承壓不小于3 MPa，工作壓力1.5～2 MPa，膨脹段外徑不小于130 mm，可適用于50～130mm鉆孔的封孔。

圖5 FKJW通用型礦用封孔器

3.2.2 封孔工藝

新型封孔材料采用徑向膨脹主動承壓式封孔工藝，具體實施步驟為：

（1）管路連接

將抽采管、注漿管和返漿管等連接到封孔器的固定位置上，如圖6。

1.注漿管；2.抱箍；3.封孔囊袋；4.單向閥；5.爆破閥；6.堵頭

（2）插管

將連接好后的管路插入到鉆孔的預定位置。

（3）封孔

首先調節風壓，利用空氣調節閥將井下壓風調至注漿泵所需的壓力，同時攪拌制作水泥漿液，水灰比為1.2:2。制漿完成后，打開注漿泵，并連接注漿管，開始注漿。當返漿管中有漿液流出時，停止注漿。注漿完成后，對注漿泵及攪拌桶進行清理，并作下一次的注漿準備。

3.3 應用效果

采用WGC-II型瓦斯抽采管道氣體參數測定儀對采用不同封孔工藝下的瓦斯濃度進行檢測，為期120 d時間內的日平均瓦斯抽采濃度檢測結果如圖7。

圖7 日平均瓦斯抽采濃度變化

由圖可以看出，新型封孔材料的瓦斯濃度明顯高于原工藝。最高瓦斯濃度為90%，最終穩定在70%左右，120 d的觀測期內有90 d的日平均濃度大于50%，占比75%。而原安爾特封孔初始濃度為80%，但隨著時間的延長，瓦斯濃度明顯下降，觀測末期的濃度僅為10%，并且僅有14 d瓦斯濃度高于50%，時間較短，抽采效果不理想。

4 結論

（1）由于煤層含水量大并且較為松軟，采用安爾特封孔材料長時間抽采下瓦斯濃度下降幅度大。

（2）鉆屑量和鉆屑瓦斯解析指標測試結果表明，3號煤巷道的松動圈深度為0～10 m，確定封孔深度為12 m。

（3）采用新型封孔技術最高瓦斯抽采濃度達90%，長時間抽采濃度穩定在70%，取得了理想的抽采效果。