白龙山煤矿两堵一注带压封技术应用研究.docx
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白龙山煤矿两堵一注带压封技术应用研究
“两堵一注”带压封孔技术在白龙山煤矿的应用研究
我国大部分煤与瓦斯突出矿井采用钻孔预抽煤层瓦斯的区域综合防突措施，但是目前我国瓦斯抽采钻孔的预抽瓦斯体积分数低，瓦斯抽采钻孔封孔效果不佳，抽采浓度低，抽采瓦斯量小，导致大多矿井瓦斯抽采量不达标。
煤层瓦斯抽采效果的影响因素包括煤层原始瓦斯含量、原始瓦斯压力、地质构造、煤层透气性系数、衰减系数、煤的坚固性系数等煤层赋存特性，及抽采钻孔施工参数、封孔工艺等施工参数。
煤层瓦斯抽采过程包括钻孔设计、施工、封孔以及合茬连抽等多道工序，其中抽采钻孔封孔质量的好坏直接影响到煤层瓦斯抽采效果，通过改进钻孔封孔技术，选用合理的封孔工艺和封孔材料，可以提高钻孔封孔质量，从而提高煤层瓦斯抽采效果。
目前国内外用于抽采钻孔封孔的技术主要有机械注水泥砂浆封孔、发泡聚合材料封孔、封孔器封孔等。
但是这些封孔技术受到了钻孔方式、封孔成本和封孔效果等因素的影响，均不能很好的满足白龙山煤矿一井现场的要求。
针对白龙山煤矿一井特有的地质构造、煤层瓦斯赋存、煤层结构和构造特点，为了提高封孔质量，改善封孔效果，在对现有的高分子发泡材料和水泥砂浆封孔技术进行总结分析的基础上，提出了新型的“两堵一注”带压封孔技术，并在云南白龙山煤矿一井进行了现场试验。
1“两堵一注”带压封孔原理
“两堵一注”带压封孔工艺的原理是：
在钻孔孔口一定距离的抽采管（实管）两端布置囊袋A和囊袋B，通过注浆管向两个囊袋注入速凝膨胀封孔注浆液，使囊袋膨胀后在封孔段两端对孔壁形成压力，当注浆压力达到一定值后，使得中央爆破阀开启，注浆液开始填充两个囊袋中间封孔段空间，当排气管返回注浆液时说明钻孔封孔段已充满，关闭排气管后继续向封孔段注浆加压，最后达到带压封孔要求，“两堵一注”带压封孔原理如图1所示。
带压封孔使用的速凝膨胀封孔注浆液封孔材料具有凝固膨胀后不析水、微膨胀的特点，因此在钻孔封孔段充满注浆液后，在注浆液的凝固过程中，封孔材料将不会收缩并继续膨胀，充填封孔段周围已有的裂隙，提高封孔质量，从而达到密封钻孔的目的。
1—囊袋A；2—囊袋B；3—单向逆止阀；
4—注浆管；5—中央爆破阀；6—塑料堵头；
7—抽采管（筛孔管）；8—速凝膨胀封孔材料；
9—排气管；10—抽采管（实管）
图1“两堵一注”带压封孔原理示意图
2“两堵一注”带压封孔过程
“两堵一注”带压封孔技术封孔过程如图
2所示，具体封孔步骤如下：
①送入抽采管及封孔装置
首先将抽采管（实管）和抽采管（筛孔管）送入钻孔孔底，在钻孔孔口一定距离的抽采管（实管）两端布置囊袋A和囊袋B。
②注浆囊袋膨胀
将速凝膨胀封孔材料与水按1：
1比例混合均匀后，启动风动注浆泵通过注浆管向两端囊袋A和B注入速凝膨胀封孔材料浆液，使囊袋膨胀后在封孔段两端对孔壁形成压力，达到密封钻孔封孔段两端的作用。
③封孔段注浆
当注浆压力达到0.6～0.8MPa后，注浆管的中央爆破阀门自动开启，速凝膨胀封孔注浆液开始填充囊袋A和囊袋B中间的封孔段空间，当排气管返回注浆液时说明钻孔封孔段已充满。
④注浆液填充钻孔孔壁裂隙
关闭排气管路后继续向封孔段注浆，注浆液在注浆泵压力作用下不断填充钻孔孔壁周围裂隙，对已有的裂隙进行封堵。
⑤封孔完成
当注浆压力达到1.5MPa，表明钻孔孔壁周围裂隙已得到充分填充，达到密封钻孔的要求，此时停止注浆，封孔完成。
（a）送入抽采管及封孔装置
（b）注浆囊袋膨胀
（c）封孔段注浆
（d）注浆液填充钻孔孔壁裂隙
图2“两堵一注”带压封孔封孔过程示意图
3地面试验及结果分析
在进行煤矿井下封孔对比试验前，在地面进行了带压封孔模拟试验：
用直径100mm的铁管模拟井下抽采钻孔，按照“两堵一注”带压封孔过程进行注浆封孔12h后，将铁管沿截面切开，可以得到模拟钻孔的剖面，如图3所示。
图3“两堵一注”带压封孔模拟钻孔剖面
从图3中可以看出，模拟钻孔内有瓦斯抽采管、注浆管以及封孔段凝固的封孔材料，其中经过12h后封孔材料已完全凝固，没有出现收缩现象，同时瓦斯抽采管无受压变形现象，说明该封孔材料能够有效的密封钻孔。
4井下试验及应用效果分析
4.1煤层赋存条件及钻孔布置
白龙山煤矿一井C2煤层首采工作面煤巷掘进期间，沿C8+1煤层布置底板瓦斯抽采巷（C8+1煤层上距C7+8煤层6～10m，下距C9煤层6～12m），施工穿层钻孔对C2煤层煤巷掘进运输顺槽和回风顺槽及两帮15m范围内提前进行卸压瓦斯条带预抽。
底板穿层钻孔抽采半径设计为2.5m，钻孔沿煤层走向每间隔5m设计施工一排，沿煤层倾向成扇形布置，每排设计7个钻孔。
由于C8+1煤层底抽巷距离C2煤层距离较长，平均50～70m，中间依次穿过C7+8、C4、C3三层松软突出煤层，且煤层顶底板地质构造复杂，断层较多、裂隙较为发育，对抽采钻孔的封孔质量要求较高。
本次井下封孔试验地点选择在岩层赋存条件稳定、无构造影响的一采区C7+8煤层底板岩石回风大巷，沿煤层走向每间隔5m设计施工7排抽采钻孔，钻孔排号为166~172排，每排设计7个钻孔。
抽采钻孔直径为108mm，钻孔长度设计平均为50～70m，抽采管直径为50mm。
由于C8+1煤层上距C7+8煤层6～10m，且C7+8煤层厚度达3.1m，煤质松软、破碎且煤层瓦斯含量大，为消除C7+8煤层对C2煤层抽采的影响，设计钻孔封孔段需将C7+8煤层段全部封实，因此设计抽采管总长度22m，其中实管16m，筛孔管6m，封孔段长度达到15m。
“两堵一注”带压封孔钻孔布置如图4所示。
抽采钻孔采用“两堵一注”进行带压封孔注浆3h后，将抽采管连接矿井抽采系统进行瓦斯抽采，并连续观测抽采钻孔的抽采参数。
图4“两堵一注”带压封孔钻孔布置示意图
4.2封孔效果分析
通过对采用“两堵一注”带压封孔工艺进行封孔的C7+8煤层底板岩石回风大巷166~172排共7排抽采钻孔进行连续观测，从中选取第166排和169排抽采钻孔具体进行研究，第166排抽采钻孔单孔瓦斯抽采浓度见表1，第169排抽采钻孔单孔瓦斯抽采浓度见表2。
表1166排钻孔单孔瓦斯抽采浓度统计表
单位：
（%）
抽采
时间（d）
钻孔编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
0
72.4
81.0
84.5
55.0
76.8
38.0
72.0
30
67.2
89.0
62.4
36.0
79.3
41.0
64.0
40
71.4
80.0
50.2
53.0
72.8
40.0
73.0
50
50.4
50.6
67.4
37.8
71.0
47.0
66.0
60
65.3
63.4
58.8
62.4
-
41.0
74.0
70
49.8
50.0
67.4
79.6
-
60.8
54.3
80
47.4
36.8
42.4
35.6
-
51.2
46.8
120
81.0
46.8
55.4
55.2
-
72.4
85.6
140
52.0
60.8
56.2
72.0
-
56.4
56.2
190
70.0
78.0
70.0
67.5
-
72.8
70.4
表2169排钻孔单孔瓦斯抽采浓度统计表
单位：
（%）
抽采
时间（d）
钻孔编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
0
45.0
60.0
52.0
57.0
60.0
62.0
60.0
30
46.2
70.0
38.4
62.0
62.0
59.0
75.0
40
78.0
82.0
76.0
75.0
76.0
58.0
70.0
50
78.4
74.6
42.0
73.6
62.4
58.0
66.2
60
33.4
65.0
70.4
61.6
63.8
58.4
63.0
70
41.3
37.0
49.0
52.4
68.0
43.6
67.3
80
63.4
49.6
63.0
48.5
54.0
51.0
72.5
120
86.0
85.0
83.0
81.0
83.0
86.0
84.0
140
78.0
76.2
70.0
65.8
60.0
63.0
45.0
190
89.0
81.6
72.2
72.6
83.0
75.0
76.4
从表1和表2可以看出，采用“两堵一注”带压封孔的第166排和第169排抽采钻孔与原有采用玛丽散封孔的对比钻孔相比较，抽采钻孔的单孔瓦斯抽采浓度提高30%。
在抽采负压达32kPa的条件下，经过190d的连续抽采，第166排和第169排抽采钻孔的单孔瓦斯抽采浓度仍然维持在30%以上。
通过对采用“两堵一注”带压封孔工艺进行封孔的C7+8煤层底板岩石回风大巷166~172排共7排抽采钻孔进行连续观测，在抽采负压达20kPa的条件下，每排钻孔的平均抽采浓度变化规律如图5所示。
从图5可以看出，采用原有封孔工艺进行封孔的钻孔平均抽采浓度维持在20%~30%，而采用“两堵一注”带压封孔工艺进行封孔的166-172排钻孔的平均抽采浓度均维持在50%~80%，提高了2~3倍。
同时166-172排钻孔在190d的连续抽采下，抽采浓度未见明显衰减，表明采用了“两堵一注”带压封孔工艺后，钻孔封孔效果得到明显提高，使得瓦斯抽采的持续时间得到大大增加。
（a）166~167排钻孔
（b）168~169排钻孔
（c）170~172排钻孔
图5166~172排钻孔平均抽采浓度变化规律
C7+8煤层底板岩石回风大巷抽采钻孔的瓦斯抽采浓度在连续抽采后下降相对较为缓慢，没有随着抽采时间的延长而逐渐降低，这与抽采钻孔的封孔质量得到大大提高有关。
原有采用的聚氨酯封孔材料与钻孔孔壁壁面之间不能很好结合，使得封孔后钻孔围岩存在缝隙，同时普通水泥浆在凝固后会干裂、产生收缩变形而形成裂隙。
而“两堵一注”带压封孔工艺可以使囊袋对钻孔孔壁产生压力，同时新型封孔材料速凝膨胀封孔材料具有微膨胀性，其凝固后的收缩特征表现不明显，不易随着抽采时间的增长而形成再生裂隙，从而提高钻孔的封孔质量，进而大大增加抽采钻孔的瓦斯抽采浓度。
4.3封孔技术推广应用
通过井下C7+8煤层底板岩石回风大巷进行“两堵一注”带压封孔试验获得很好的抽采效果后，继续在C7+8煤层底板岩石回风大巷、C7+8煤层底板胶运大巷及辅运大巷等地点进行大面积推广使用。
矿井目前采用“两堵一注”带压封孔工艺进行抽采钻孔封孔的数量已经达到960个，在抽采负压达20kPa的条件下，进行90d的连续抽采，钻孔的平均抽采浓度均达到50%以上。
由于白龙山煤矿一井C2煤层为3号无烟煤，煤质松软、破碎，煤层透气性低且吸附性极强，抽采钻孔的单孔流量相对较低（1～1.3L/min），钻孔瓦斯衰减不明显，有利于煤层瓦斯的长时间连续抽采，矿井将进一步研究先进的松软低透气性煤层瓦斯抽采增透措施，在此基础上进一步提高白龙山煤矿一井的瓦斯抽采效果。
5结论
（1）“两堵一注”带压封孔工艺是通过在抽采管两端布置囊袋并注入速凝膨胀封孔材料，使囊袋膨胀后在封孔段两端对孔壁形成压力，当注浆压力达到一定值后开始填充两个囊袋中间封孔段空间，并在钻孔封孔段充满后继续向封孔段注浆加压，使得钻孔孔壁周围裂隙能够得到有效封堵，进而达到带压封孔要求，有效提高钻孔封孔质量。
（2）地面及井下试验结果表明：
与原有封孔工艺相比，采用“两堵一注”带压封孔的每排抽采钻孔平均抽采浓度为50%~80%，提高了2~3倍，在190d的连续抽采下，抽采浓度未见明显衰减；抽采钻孔的单孔瓦斯抽采浓度提高了30%，经过190d的连续抽采单孔瓦斯抽采浓度仍然维持在30%以上。
（3）通过采用“两堵一注”带压封孔技术，有效解决了白龙山煤矿一井松软低透煤层瓦斯抽采浓度低、抽采效果差的问题，为矿井瓦斯治理及安全生产提供了可靠保障。
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