沙曲一礦新型瓦斯抽采鉆孔密封技術應用

中圖分類號：TD712.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0162-05

Abstract：Inorder toimprovethesealingqualityofundergroundgasdrainage boreholesin ShaquNo.1Coal Mine，based onthetestbasis，thesealingqualityofcurrentgasdrainageboreholeswasobjectivelyanalyzedthroughboreholesealingquality evaluationandboreholeleakagedetectionmethods.Anew\"hard-soft-hard”sandwichboreholesealing technologysuitableforthe specialdrllingconstructiontechnologyof\"sealingtheholefirst，thencompletingthehole\"inShaquNo.1CoalMinewas proposed，andthesealingefectwascarredoutinthebeltlaneofthe42workingface.ComparativetestResearchhasshown thatduetotheinfluenceofdrilingconstructiontechnology，itisdifcultforexpandedcementtoadapttothecontinuous disturbanceofthedrillpipeandthedynamicdeformationoftheborehole，resultinginseriousairleakageintheboreholesealing section，the deviation of the borehole gas drainage concentration reaches 69.2% ，and the borehole sealing quality is poor. The newprocessutilizesthehighadhesion，highpermeabilty，andadaptivedeformationcharacteriticsofflexiblegelsalingmaterials toachievea1.8-foldincreaseintheaveragegasdrainageconcentrationinasinglehole，andthegasdrainageffectis significantly improved.

Keywords：gasdrainage;boreholesealingtechnology;boreholesealingqualityevaluation；drllingleakagedetection;phase change gel; self-adaptive sealing

沙曲一號煤礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層條件復雜，是我國典型的近距離煤與瓦斯突出煤層群賦存條件，瓦斯問題嚴重制約著礦井的安全高效生產I。為防范治理瓦斯事故、合理高效利用瓦斯資源，沙曲礦施工了大量的瓦斯抽采鉆孔，基本形成了以本煤層及鄰近層鉆孔瓦斯抽采為主的礦井瓦斯協調治理模式和“以抽促采、以采促抽，以抽促用、以用促采”的瓦斯資源化循環發展模式。

鉆孔密封質量是影響鉆孔瓦斯高質量抽采的主要控制因素，決定著鉆孔瓦斯抽采效率、抽采成本[2-3]。沙曲一號煤礦隨著煤層開采深度的增加，地應力逐漸增大，部分軟弱煤層鉆孔變形失穩現象日趨凸顯；同時，煤層透氣性逐漸減小，加之受地面井瓦斯抽采的影響，使得井下煤層由飽和高壓煤層變為不飽和欠壓煤層，從而導致抽采鉆孔瓦斯涌出量逐漸減小，增加了對鉆孔密封質量的要求。然而，沙曲一號煤礦廣泛使用的水泥基密封材料受材料自身反應過程、固結特性及施工工藝的影響，無法適應鉆孔圍巖的動態變形，不能對鉆孔圍巖漏氣裂隙進行有效充填密封，導致煤層鉆孔圍巖漏氣嚴重，鉆孔瓦斯抽采濃度快速衰減。當前的膨脹水泥“兩堵一注\"鉆孔密封工藝已經愈發難以滿足瓦斯高質量抽采要求。因此，為改善沙曲一號煤礦瓦斯抽采鉆孔密封質量，提高瓦斯抽采效果，在分析膨脹水泥密封鉆孔密封質量的基礎上，基于柔性凝膠密封材料自適應鉆孔變形的特點，提出了一種適用于沙曲一號煤礦“先封孔，后完孔\"施工工藝的新型瓦斯抽采鉆孔密封技術，并在4402工作面進行了現場試驗。

1鉆孔密封概況

1.1試驗地點概況

試驗地點選擇沙曲一號煤礦4402工作面膠帶巷。4402工作面埋深 500～595m ，開采 3+4^# 煤層，平均厚度 4.2m ，煤層最大瓦斯壓力為 1.48MPa ，最大原始瓦斯含量為 14.50m³/t ，煤的堅固性系數平均值 f 為0.64，透氣性系數平均值為 3.65m²/MPa²?d ，屬可抽采煤層。設計采用本煤層瓦斯抽采鉆孔治理煤層瓦斯，鉆孔布置如圖1所示。

1.2鉆孔施工及密封工藝

長期以來，沙曲一號煤礦針對煤層高瓦斯壓力、高瓦斯含量、鉆孔變形嚴重易噴孔等問題，采用了“先封孔，后完孔\"的施工工藝，即先小直徑鉆頭開孔 12m ，接著大直徑鉆頭擴孔 12m 形成封孔段，封孔后再更換小直徑鉆頭從抽采管內部完成鉆孔成孔，最后接入巷道抽采系統進行抽采，鉆孔施工工藝如圖2所示。封孔均采用膨脹水泥“兩堵一注”囊袋式帶壓注漿封孔工藝，將膨脹水泥注漿材料按水灰比0.9～0.75：1配置漿液，注漿壓力控制在 1.2Mpa 以上，封孔長度 12m 。

此工藝目的在于封孔后，封孔裝置與鉆孔密封結合，鉆孔防噴裝置可以與封孔結構通過法蘭盤固定連接，增加了鉆孔防噴裝置的穩定性，顯著降低了長距離煤層鉆孔施工過程中的噴孔風險。

2 鉆孔密封質量分析

2.1鉆孔密封質量評價

2.1.1 鉆孔密封質量評價模型

廣義的瓦斯是一種多組分混合氣體，不同煤層賦存條件下，瓦斯各組分在數量上有很大差異。目前煤礦企業對瓦斯抽采鉆孔封孔質量的評價標準主要為單孔孔口抽采氣體中甲烷的體積分數大小。鉆孔孔口抽采氣體中甲烷的體積分數一方面與鉆孔瓦斯涌出量有關，另一方面受到鉆孔漏風量的控制5。理論情況下，密封嚴密的鉆孔瓦斯抽采濃度應為原始煤層瓦斯濃度，當鉆孔密封質量較差時，鉆孔密封段或孔口等存在漏氣通道，導致空氣由負壓吸入瓦斯抽采管路，造成瓦斯抽采濃度降低。

因此，通過分析抽采負壓條件下鉆孔抽采瓦斯中甲烷體積分數與煤層原始瓦斯中甲烷體積分數的偏離情況，可以對鉆孔密封質量進行合理評價。根據上述分析，建立鉆孔密封質量評價模型如下

式中： ψ 為鉆孔瓦斯抽采濃度的偏差度， %;φ 為鉆孔瓦斯抽采濃度， %;φ₀ 為原始煤層瓦斯濃度， % 。

2.1.2 煤層瓦斯組分測試

在4402工作面膠帶巷通過“正壓取氣”的方法采集了工作面原始煤層瓦斯，并在實驗室利用氣相色譜儀對氣樣進行了組分分析?！罢龎喝狻狈椒ㄊ峭ㄟ^關閉鉆孔抽采負壓以提高鉆孔內瓦斯壓力，利用正壓瓦斯驅替鉆孔圍巖漏氣，因此，采取正壓條件下的鉆孔氣樣基本可以代表煤層原始瓦斯氣體。煤層瓦斯組分測試結果見表1。

表1煤層瓦斯組分測試 %

根據氣體組分測試結果，沙曲一號煤礦4402工作面 3+4^# 煤層原始瓦斯濃度為 86.25%～94.32% ，平均原始瓦斯濃度為 89.43% 。

2.1.3鉆孔抽采瓦斯濃度考察及密封質量評價

對沙曲一號煤礦4402工作面膠帶巷的順層瓦斯抽采鉆孔進行了瓦斯抽采濃度考察?？疾煦@孔抽采濃度信息見表2。

計算可知，考察鉆孔平均瓦斯抽采濃度為27.52% 。理想情況下，密封嚴密的瓦斯抽采鉆孔濃度應為原始瓦斯抽采濃度 89.43% 。

根據式（1）—式（2）計算可知考察鉆孔瓦斯抽采濃 度的偏差度為 69.2% ，鉆孔密封質量差，鉆孔漏氣嚴重。

2.2鉆孔漏氣位置檢測及漏氣原因分析

2.2.1 鉆孔漏氣位置檢測原理

鉆孔“絕對\"密封時，即鉆孔圍巖裂隙被嚴密充填，不存在漏氣通道的情況下，在鉆孔延伸方向上，隨著鉆孔深度增加，孔內瓦斯濃度基本保持不變，孔內抽采負壓逐漸衰減甚至演變為孔內正壓。當鉆孔內某一點位與巷道空氣連接形成漏氣通道時，該點位的瓦斯濃度會顯著降低。對比鉆孔不同深度點位瓦斯濃度的相對大小，結合鉆孔密封深度，即可判斷鉆孔漏氣點位。

2.2.2 鉆孔漏氣位置檢測裝置及判別方法

鉆孔漏氣位置檢測裝置由瓦斯濃度檢測儀、氣體采集泵、束管、配套直角彎頭等組成，如圖3所示。

本裝置可在正常負壓抽采條件下，利用束管、氣體采集泵采取鉆孔不同深度位置處的瓦斯氣樣，并利用瓦斯濃度檢測儀測定得出不同點位的甲烷濃度，進而判定抽采鉆孔的漏氣位置。具體的判定方法見表3。

注： φ_i 為 i 點位的甲烷濃度， I₀：φ₀ 為煤層原始瓦斯濃度， % 。

2.2.3 鉆孔漏氣位置檢測及結果分析

對上述沙曲一號煤礦4402工作面膠帶巷的密封質量考察鉆孔開展了漏氣位置檢測，鉆孔不同深度點位的甲烷濃度數據如圖4所示。

根據鉆孔漏氣位置檢測裝置測試結果可知，考察的5個鉆孔均存在不同程度的鉆孔漏氣，但漏氣形式存在差異。 1^# 鉆孔在孔深為 14～22m 內的甲烷濃度變化幅度較小，在孔深為 12～14m 內出現甲烷濃度的大幅衰減，說明鉆孔密封段內存在漏氣通道；同時，在孔深為 0～2m 內甲烷濃度明顯降低，說明鉆孔連抽管路密封不嚴密，導致孔口漏氣。 2^# 鉆孔在孔深為 18～22m 內的甲烷濃度變化幅度較小，孔深為 12～18m 內甲烷濃度逐漸降低，說明鉆孔密封深度不足，鉆孔密封段以里的煤壁仍存在漏氣通道。 3^#～4^# 鉆孔內不同點位處的甲烷濃度變化規律較為一致，在孔深 14～22m 內甲烷濃度緩慢降低，在孔深為 12～14m 處出現甲烷濃度的急劇衰減，說明鉆孔漏氣位置主要為鉆孔密封段。 5^# 鉆孔在孔深為 14～22m 內的甲烷濃度波動較小，在孔深為 12～14m 內出現甲烷濃度的大幅衰減，說明鉆孔密封段內存在漏氣通道；同時，在孔深為 2～12m 內甲烷濃度明顯降低，說明鉆孔抽采管及密封段漏氣，分析是抽采管插接處斷開導致的。

綜上所述，除了 2^# 鉆孔是由于鉆孔密封深度不足導致煤壁漏氣以外，其余4個鉆孔均在鉆孔密封段產生漏氣。表明在沙曲一號煤礦當前鉆孔施工及密封工藝條件下，鉆孔密封段漏氣是導致鉆孔瓦斯抽采濃度降低的主要原因。

2.2.4 鉆孔漏氣原因分析

鉆孔密封段漏氣主要有以下4種形式。

第一種，抽采管與鉆孔密封材料交界面處漏氣。漏氣原因是密封材料與抽采管的黏結性較差，在密封材料膨脹或者收縮過程中與抽采管產生相對位移形成裂隙。另外，由于密封材料與抽采管力學性質不同，在應力擾動作用下導致密封材料與抽采管之間產生貫通裂隙。

第二種，鉆孔密封材料內部漏氣4。漏氣原因是密封材料受到鉆孔圍巖變形的擠壓應力超過密封材料強度導致密封材料內部產生裂隙。

第三種，鉆孔密封材料與煤巖體組合結構漏氣。漏氣原因是密封材料與煤巖體力學性質不同導致在應力作用下密封結構-煤巖體組合結構不協調變形導致在密封材料與煤巖體交界面處產生裂隙[3]

第四種，鉆孔密封段圍巖裂隙漏氣。漏氣原因是密封材料滲透性差，導致密封材料不能有效充填鉆孔圍巖裂隙，導致鉆孔密封段圍巖裂隙存在漏氣通道。

沙曲一號煤礦采用“先封孔，后完孔\"的鉆孔施工工藝和膨脹水泥\"兩堵一注\"鉆孔密封工藝，雖然在一定程度上保證了鉆孔施工過程中的安全，但同時也對鉆孔密封質量提出了更高的要求。根據現場施工經驗，工人完成開孔及封孔工作后，繼續按設計要求施工鉆孔，預留給膨脹水泥密封材料反應凝結的時間較短。在小直徑鉆孔完孔過程中，孔口及鉆孔中間密封段未反應完全的膨脹水泥漿液將承受長時間的應力擾動。應力擾動作用一方面會導致膨脹水泥不能充分充填鉆孔環空及圍巖裂隙形成上述第一種、第四種類型的漏氣；另一方面在完孔過程中也會在膨脹水泥內部以及膨脹水泥與煤體交界面處產生新的裂隙，形成上述第二種、第三種類漏氣，進一步造成鉆孔密封質量降低。

總而言之，受固結類鉆孔密封材料特性控制，膨脹水泥材料由于其反應時間長、黏結性低、鉆孔自適應性差、滲透性差，導致鉆孔密封段的密封質量低，鉆孔瓦斯抽采濃度衰減較快。當前的鉆孔密封工藝已經不能滿足沙曲一號煤礦的鉆孔安全、快速施工及瓦斯高質量抽采要求，亟須開發一種能夠適應鉆孔圍巖動態變形的新型密封工藝。

3新型瓦斯抽采鉆孔密封技術

3.1 技術提出

針對上述沙曲一號煤礦鉆孔密封段漏氣的問題，提出了一種以固結類材料為堵頭，以柔性凝膠類材料為鉆孔密封段充填介質的“硬-軟-硬\"夾心狀鉆孔密封技術。該技術在不改變沙曲一號煤礦當前鉆孔施工工藝的條件下，利用固結類材料的高強度特性實現孔口防噴與密封結構的緊固結合，保證鉆孔快速施工過程中的安全；利用柔性凝膠類材料的高黏結、高滲透、自適應變形的特性實現鉆孔在應力擾動作用下的動態密封。新型瓦斯抽采鉆孔密封技術原理示意如圖5所示。

鉆孔擴孔完成后，先通過一次注漿管將固結類材料注入封孔器堵頭，保證“兩堵\"結構充分形成，之后通過二次注漿管將柔性凝膠類注入鉆孔中間密封段的鉆孔環空和圍巖裂隙，保證中間段“夾心\"凝膠材料的鉆孔自適應性。最后，通過法蘭盤連接孔口防噴裝置，并完成鉆孔成孔。

3.2 技術實施

選擇沙曲一號煤礦4402工作面膠帶巷開展不同鉆孔密封工藝的對比試驗。共完成試驗鉆孔20個，其中膨脹水泥“兩堵一注\"（以下簡稱“原工藝”）密封鉆孔10個，“硬-軟-硬”夾心狀“兩堵兩注\"（以下簡稱“新工藝”）密封鉆孔10個。膨脹水泥采用沙曲一號煤礦當前使用的膨脹率為 10% 的鉆孔密封材料。柔性凝膠材料采用的環保型相變凝膠鉆孔密封材料。該凝膠材料具有低阻注漿、低黏滲透、高黏膠結、動態密封的性能特點，在漿液反應完全后能夠一直保持非牛頓流體的凝膠狀態，可以及時充填鉆孔密封段受應力擾動產生的新裂隙，實現鉆孔自適應密封。

3.3 效果分析

原工藝和新工藝密封鉆孔的平均單孔瓦斯抽采濃度隨抽采時間的變化如圖6所示。由圖可知，新工藝的單日平均單孔瓦斯抽采濃度普遍大于原工藝，并且在50天抽采期內，原工藝的平均單孔瓦斯抽采濃度僅為 27.6% ，新工藝的平均單孔瓦斯抽采濃度為50.9% ，提升了1.8倍，說明新工藝鉆孔密封效果良好，能夠適應當前沙曲一號煤礦特殊的鉆孔施工工藝，可以顯著提高鉆孔瓦斯抽采效果。

4結論

1）對沙曲一號煤礦4402工作面膠帶巷順層瓦斯抽采鉆孔開展了密封質量評價，結果顯示，鉆孔瓦斯抽采濃度的偏差度為 69.2% ，鉆孔密封質量差，鉆孔漏氣嚴重。

2）鉆孔漏氣位置檢測結果表明，鉆孔密封段漏氣是導致沙曲一號煤礦鉆孔瓦斯抽采濃度降低的主要原因。當前采用的膨脹水泥“兩堵一注\"鉆孔密封技術不能適應“先封孔，后完孔\"的鉆孔施工工藝，小直徑鉆孔完孔過程中，鉆孔密封段受到鉆桿持續性擾動作用及鉆孔動態變形的影響，膨脹水泥與抽采管之間、膨脹水泥內部、膨脹水泥與鉆孔圍巖之間形成漏氣通道，造成鉆孔密封質量降低。

3）針對沙曲一號煤礦當前的鉆孔施工方式，以柔性凝膠密封材料的高黏結、高滲透、自適應變形的特性為基礎，提出了“硬-軟-硬\"夾心狀新型鉆孔密封工藝，并開展了現場試驗。試驗結果表明，與原工藝相比，新工藝單孔平均瓦斯抽采濃度提升了1.8倍，瓦斯抽采效果顯著提高。

參考文獻：

[1]劉艷紅.沙曲一礦覆巖裂隙演化規律及定向鉆孔瓦斯抽采技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2021.

[2]郝晉偉，齊慶新，舒龍勇，等.煤巖塑性軟化及擴容特性對鉆孔密封性的影響[J].煤炭學報，2019，44（5）：1536-1543.

[3]楊偉東．順層瓦斯抽采鉆孔密封段異質結構損傷機制研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2020.

[4]郝晉偉.瓦斯抽采鉆孔密封性控制理論與技術研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2019.

[5]周俊.端氏煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔質量檢驗方法應用研究[J]礦業安全與環保，2018，45（4）：66-69.

[6]郝晉偉，舒龍勇，凡永鵬，等.瓦斯抽采鉆孔密封質量評價方法及參數測試裝置：CN119102596A[P].2024-12-10.

[7]李泉新，程卓爾，方俊，等.定向長鉆孔瓦斯抽采負壓變化規律及監測控制技術研究進展[J]煤田地質與勘探，2024，52（11）：171-182.

[8]郝晉偉，張浪，霍中剛，等.一種束管式定點檢測瓦斯抽采鉆孔漏氣位置的裝置及方法：CN201810920571.5[P].2018-12-07.

[9]HAO JW，DI P J，ZHAO C，et al.Environmental-Friendly，Long-Lastingly Moist Phase Change Gel withTunable Cross-Linking Time for Effective Borehole Sealing[J].Langmuir，2024，40（32）：16804-16812.