瓦斯抽采鉆孔新型注漿封孔方法研究

陳 杰

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

煤峪口礦井下主采煤層為山西組二煤層，煤層的平均厚度為9.6 m，煤層的平均傾斜角為3.6°。該區域煤層破碎度較高，而且煤層、頂板、底板均為軟弱巖層的“三軟”不穩定性煤層，煤層所處位置的地質條件穩定性差且瓦斯集中。在開采過程中瓦斯的絕對涌出量達到了10.66 m3/min，瓦斯的相對涌出量也達到了2.77 m3/t，在開采過程中發生過一次煤與瓦斯突出現象，因此屬于典型的瓦斯突出型礦井。隨著綜采作業的不斷進行，綜采深度不斷加大，在綜采過程中的瓦斯突出已經成為影響井下綜采作業效率和安全性提升的關鍵因素。

煤峪口礦現有的“兩堵一注”井下瓦斯抽采封孔技術效率低、封孔可靠性差，造成瓦斯抽采體積分數較小，無法滿足井下瓦斯抽采效率和安全性的需求。針對井下的實際情況，煤峪口礦提出了高保壓二次注漿封孔技術，利用高膨脹性注漿料和二次注漿料對瓦斯抽采孔進行雙重堵漏。根據實際應用表明，新的注漿技術，能夠將封孔效率提升7.6%，將抽采體積分數提高6.66%，瓦斯抽采效果得到了顯著的提升。

1 注漿工藝技術

對原瓦斯抽采鉆孔封孔注漿工藝技術進行分析，針對存在的問題，進行針對性優化。

1.1 原封孔技術分析

煤礦井下現有的瓦斯孔封孔工藝主要是“兩堵一注”帶壓封孔[1]，封孔時所采用的封孔料是普通的發泡水泥。當瓦斯孔鉆進完成后，在鉆孔中插入多個瓦斯抽采管，首先將注漿料攪拌均勻并稀釋后，將注漿泵和注漿管連接，然后開始注漿，漿液隨著注漿管進入到兩端的囊袋內。待注漿壓力達到1.2 MPa 后中間位置的爆破閥開啟，注漿液從兩側進入到囊袋中間的位置，完成注漿[2]。當注漿完成后注漿泵需要持續開啟2 h 以上，保證注漿液能夠在壓力的作用下滲入到鉆孔四周的裂隙內，提高封孔的可靠性。

該注漿方式雖然整體相對簡單，但在松軟和不穩定地質條件下對注漿時候的壓力控制和注漿流速控制要求較高，整個注漿周期達到了6 h 以上，因此注漿效率較低。而且由于采用單一注漿液，導致對不同區域的封孔效果難以達到最佳，因此封孔的一致性和合格率較低[3]。井下主要巖層的參數如表1 所示。

表1 井下煤巖物理參數匯總表

1.2 新型高保壓二次注漿封孔

結合煤峪口礦井下地質條件松軟的情況，項目組提出了高壓二次注漿封孔的工藝。該工藝采用了穿套式的三囊袋封孔裝置[4]，根據封孔位置的不同選用了高膨脹性一次注漿料和聚氨酯基有機二次注漿材料。在鉆孔淺部圍巖處采用高膨脹性一次注漿料密封，能夠利用其膨脹力大的特點進行支護并壓實鉆孔，在抽采后期則利用聚氨酯基有機二次注漿料對鉆孔縫隙進行滲透密封加固[5]。高保壓二次注漿結構如圖1 所示，圖中A-1 和A-2 表示一次注漿封孔段，C 表示二次注漿封孔段。

圖1 高保壓二次注漿結構示意圖

由圖1 可知，下側的管路P 為一次注漿管，該注漿管連通A-1、A-2 兩個注漿空間；上側的管路P為二次注漿管，該注漿管連通注漿空間C。注漿封孔工藝流程可表示：

1）一次注漿封孔。在注漿孔完成后，把抽采管從封孔器的3 個注漿空間內穿過，然后圍著抽采管把注漿囊袋纏繞并用細扎絲把囊袋兩端扎緊在抽采管上[6]。在對囊袋進行固定時，二次注漿管的端部也需要用扎絲固定，從而形成一個密封的二次注漿空間，最后再把封孔器插入到孔內，進行高膨脹性一次注漿料的注漿和封堵。二次注漿空間結構如圖2 所示[7]。

圖2 二次注漿空間結構示意圖

2）二次注漿封孔。在對井下瓦斯抽采一段時間后，再根據監測情況對瓦斯體積分數衰減較快的鉆孔進行二次注漿，減少在抽采過程中的漏氣。注漿時注漿壓力為2 MPa，注漿位置在圖2 所示兩個囊袋中間的小凹槽內，持續向里注入聚氨酯基有機二次注漿料[8]。注漿料在注漿壓力的作用下逐步滲入到鉆孔周圍的裂隙內，從而實現對注漿孔嚴密封堵的目的。

2 鉆孔密封料的選擇

2.1 密封材料選擇

注漿料直接決定了對注漿孔封堵的可靠性，高膨脹性一次注漿料的主要作用是對鉆孔進行首次密封，達到保護鉆孔并把鉆孔裂隙壓實的目的[5]。在對多種密封料性能進行對比后選擇了萊蕪高膨脹灌漿料廠家的灌漿料[9]。其在30 h 后的膨脹力達到了0.05 MPa，在100 h 后的膨脹力達到了0.68 MPa，能夠高效、可靠地將鉆孔周圍的縫隙壓實，降低鉆孔周圍的孔隙度，為二次注漿封孔提供高可靠性的保壓條件。其膨脹力隨時間的變化曲線如圖3（a）所示。

圖3 注漿料性能示意圖

二次注漿料主要作用是對注漿孔周圍裂隙進行封堵，因此對其流動性和凝結后的強度要求較高，但流動性好的話一般會導致凝結速度降低[10]，不利于提高封孔效率和可靠性。在對多種材料進行分析后，選擇了改性樹脂注漿料，配合各類苯酚聚合物、發泡劑、交聯劑等[11]。其中苯酚聚合物的質量分數設置為7.5%，交聯劑的質量分數為2.7%，增韌劑的質量分數為3.4%，發泡劑的質量分數為0.9%。該材料具有黏度低、可注性高等特點。其黏度為74.5 MPa·s，固化后的結構強度達到了13.2%，凝固時間為29 min，膨脹率約為27.7%，能夠在保證流動性的情況下提高固化速度和固化強度。凝結后的結構如圖3（b）所示。

2.2 注漿料注漿封孔模擬

采用高膨脹灌漿料進行封孔，在封孔以后經過灌漿料的支護-壓密[12]，鉆孔四周的圍巖變化情況如圖4 所示。

圖4 初次注漿后鉆孔四周圍巖變化情況

通過分析可知，在封孔后封孔段四周的巖壁發生了顯著的壓縮變形，該位置的裂隙顯著降低，有效地提升了封孔段四周圍巖的密實性，同時為囊袋2 注漿空間的注漿提供了保壓基礎。

對井下鉆孔進行二次注漿能夠進一步對鉆孔周圍的巖石裂隙進行密封，從而實現提升瓦斯抽采體積分數的目的。但在二次注漿時由于注漿壓力很大，因此傳統的注漿料極易發生漿液擠出[13]的問題，影響二次注漿效果。假設注漿的壓力為1 MPa，此時鉆孔四周圍巖中注漿料的壓力分布如圖5 所示。

圖5 不同注漿料情況下的擴散情況

當采用傳統的注漿料時，漿液會沿著鉆孔段進行軸向流動，進而都流入到鉆孔中，這樣不僅會導致注漿料的嚴重浪費，而且注漿室也無法保壓[14]，降低了注漿密封的效果。當采用新的高膨脹灌漿料以后，注漿后能夠迅速對鉆孔四周的圍巖進行膨脹加壓，使注漿料沿著徑向運動的區域迅速增加，減少了注漿料的擠出，不僅減少了注漿料使用，而且提升了注漿密封效果。

3 工程應用分析

目前該新型注漿封孔技術已經在煤峪口礦井下進行應用，在相同地質條件下利用新型注漿封孔技術打了30 個注漿孔，利用傳統的“兩堵一注”技術同樣打了30 個注漿孔并進行封堵，而且兩種注漿工藝采用了交叉分布的結構，確保對比的可靠性。

3.1 井下鉆場布置

井下煤層選擇了2204 綜采面，其煤層平均厚度為9.6 m，煤層的平均傾斜角為3.6°，該區域煤層破碎度較高，井下的平均瓦斯含量達到了8.43 m3/t，井下平均瓦斯壓力為0.3 MPa。根據井下實際情況共需要布置60 個注漿孔，但在實際作業過程中有8個孔不滿足打孔要求，因此又補打了8 個孔，共設置68 個。每個注漿孔的直徑為95 mm，注漿孔的深度為60.4 m，注漿孔的平均傾斜角為34.1°。井下注漿孔實際布置情況如圖6 所示。

圖6 井下鉆孔布置結構示意圖

3.2 對比效果分析

對抽采過程中的情況進行全面監測，將從2021年10 月17 日—2022 年1 月5 日內所獲取的數據繪制成體積分數對比曲線，如圖7 所示。

圖7 不同注漿封孔工藝對比圖

由實際對比結果可知，采用新型封孔方案后在各個階段的瓦斯抽采體積分數均要大于傳統的“兩堵一注”封孔技術。當一次注漿封孔后一段時間各個瓦斯抽采孔的體積分數均開始下降。在2021 年10 月31 日開始進行二次封孔，瓦斯抽采的平均體積分數由17.9%提升到了25.7%，表明新的封堵方案能夠實現快速阻斷瓦斯泄漏的通道，提高瓦斯抽采效率和穩定性。

自2021 年11 月1 日后，采用新的瓦斯孔封孔技術下，瓦斯抽采的平均體積分數達到了15.77%，而同等條件下原封孔技術瓦斯抽采的平均體積分數僅9.11%，瓦斯抽采的平均體積分數具有顯著的提升。該技術的應用，證明了高保壓二次注漿封孔技術的可靠性。而且由于采用了凝固速度更快的注漿料，其整體封孔效率比優化前提升了7.6%。

4 結論

對煤峪口礦井下瓦斯抽采鉆孔原封孔工藝存在缺陷進行了分析，提出了一種新的高保壓二次注漿封孔技術，實際應用表明：

1）高壓二次注漿封孔采用了穿套式的三囊袋封孔裝置，在鉆孔淺部圍巖處采用高膨脹性一次注漿料密封，在抽采后期利用聚氨酯基有機二次注漿料對鉆孔縫隙進行滲透密封加固。

2）高膨脹性一次注漿料的主要作用是對鉆孔進行首次密封，能夠高效、可靠地將鉆孔周圍的縫隙壓實，降低鉆孔周圍的孔隙度，為二次注漿封孔提供高可靠性的保壓條件。

3）二次注漿料主要作用是對注漿孔周圍裂隙進行封堵，因此對其流動性和凝結后的強度要求較高。

4）通過數值模擬結果可知，采用二次注漿封孔工藝+高膨脹灌漿料能夠提高漿液在鉆孔四周裂隙內的流動性，減少漿液擠出，可靠性高。

5）新的注漿封孔工藝能夠將封孔效率提升7.6%，將抽采體積分數提高6.66%，顯著提升煤峪口礦井下瓦斯抽采鉆孔注漿封孔效率和瓦斯抽采可靠性。