囊袋式注漿封孔法在本煤層瓦斯抽采中的應用

孫振敏

(大同煤炭職業技術學院)

瓦斯災害是煤礦開采“五大災害”之一，采掘過程可引發瓦斯窒息、瓦斯爆炸、瓦斯燃燒、煤與瓦斯突出等事故。由于我國煤層透氣性差、煤層地質條件多變，封孔效果達不到預期要求;鉆孔漏氣，瓦斯抽采濃度偏低，達不到可以利用濃度，不得不將低濃度瓦斯排放到大氣之中，不僅造成瓦斯資源的巨大浪費，而且造成大氣污染。

瓦斯抽采是煤礦瓦斯治理的主要途徑，其關鍵在于抽采鉆孔的封孔效果。我國大多數礦井的瓦斯鉆孔使用聚氨酯封孔技術，該方法操作簡單，但在煤層鉆孔中漏氣嚴重，瓦斯抽采濃度低，由于沒有更好的解決辦法，所以國內煤礦仍然普遍采用。為此，平煤十二礦引入了囊袋式注漿封孔法進行瓦斯封孔，以提高抽采瓦斯鉆孔的封孔效果。

1 平煤十二礦抽采鉆孔封孔存在的問題

平頂山煤業集團十二礦抽采鉆孔的封孔存在兩個問題:①井下煤層透氣性較差，瓦斯抽采濃度僅7%左右，與燃料級瓦斯濃度相差很大;②在本煤層瓦斯抽采中，抽采濃度衰減較快，3個月后的抽采濃度為10%左右，個別鉆孔僅有5%左右。因此，迫切需要提高瓦斯抽采濃度，給煤礦安全生產和瓦斯利用創造條件。

2 囊袋式注漿封孔法

2.1 囊袋式注漿封孔法特點

①能夠主動支護瓦斯鉆孔，不出現塌孔，能有效阻止后期裂隙的產生和發展;②可以充填有瓦斯鉆孔開孔時形成的裂隙(漏氣通道)，消除初期裂隙(漏氣通道)，如圖1所示。

2.2 封孔原理

圖1 封孔器材

通過注漿給鉆孔壁加固，消除初期裂隙(漏氣通道)。將封孔器材插入合理的封孔深度，通過注漿使器材兩端的囊袋打開堵住鉆孔，漿體通過囊袋再向鉆孔壁注漿，通過單向閥向鉆孔的封孔段注漿，全方位注漿封孔。注漿加固了鉆孔壁，減小了漏氣圈截面，煤體透氣性降低。鉆孔周圍的裂隙受到注漿壓力的作用被充填，同時封堵初期裂隙，見圖2［1］。

圖2 主動支護式封孔機理示意

囊帶式注漿封孔法使用膨脹材料進行注漿，膨脹材料凝固產生膨脹力，構成了封孔的主動支護力。采用膨脹材料有兩個優點:①未曾充填的裂隙在膨脹力作用下壓密;②煤體透氣性差說明煤體應力高，膨脹力能夠有效的減小煤體的透氣性(封孔階段)。采用膨脹材料注漿，注漿材料初凝后發生體積膨脹，膨脹力可接近地應力，使封孔段鉆孔周圍形成高應力區［2］。

通過高壓注漿能夠有效消除鉆孔裂隙，封孔階段的煤體強度得到加強。

2.3 封孔步驟

①先向封孔器材兩端的囊袋注漿，囊袋鼓起后封孔器材中的單向閥打開，再向鉆孔進行二次注漿;②將注漿頭先插入封孔管中，然后再將封孔器材插入鉆孔，這樣可以防止注漿頭插入過淺或過深，并能有效的使漿液注入囊袋;③開瓦斯鉆孔時，鉆孔周圍產生了很多細小裂隙，通過囊袋鼓起后的支撐力和注漿壓力能夠有效消除裂隙;④拔出注漿管，并清洗注漿裝置(攪拌桶、注漿泵及注漿管)。注漿過程見圖3。

2.4 囊袋式注漿封孔法的主要特點

囊袋式注漿封孔法能給封孔段鉆孔提供支護力，限制鉆孔變形，減輕地應力對鉆孔的破壞;提高封孔段鉆孔的煤體強度，充填細小裂隙;鉆孔形成高應力區是由于材料膨脹性和封孔器材的支護力，以有效提高封孔質量。

圖3 囊袋式注漿封孔法封孔步驟

3 封孔工業試驗

3.1 封孔試驗地點

截止2006年末，十二礦井田剩余工業儲量6651.3萬 t，可采儲量 3123.1 萬 t。該礦共劃分為3個水平，其中3水平(－600 m)工業儲量3023.9萬t、可采儲量1756萬t。2006年，該礦井鑒定為瓦斯突出礦井，相對瓦斯涌出量18.27 m3/t，絕對瓦斯涌出量54.24 m3/min。由于瓦斯涌出量大，局部區域有可能發生突出，需預先消突。經實地考察，選定己15-17200的風巷為囊袋式注漿封孔法的試驗地點，每個區域封孔情況見表1。

表1 各封孔區域封孔情況

3.2 封孔效果對比

為確定試驗的合理性，選取相近時期、相鄰鉆孔做對比。

3.2.1 濃度對比曲線

依照封孔時間(5月10日—5月11日)、抽采觀測時間以及井下測量的瓦斯濃度，繪制Excel曲線，對比聚氨酯封孔和囊袋式注漿封孔后鉆孔的瓦斯抽采平均濃度，如圖4所示。

3.2.2 己15-17200風巷濃度分析

從該地段聚氨酯封孔法和囊袋注漿封孔法在90 d的抽采比對:前者平均濃度在7%左右，后者平均濃度在29%左右;180 d比對:前者平均濃度在5.8%左右，后者平均濃度在23.5%左右。由此可見，囊袋注漿封孔法的封孔效果遠好于聚氨酯封孔法。

圖4 己15-17200風巷抽采6個月瓦斯平均濃度對比曲線

4 結論

一直以來，鉆孔漏氣都是井下瓦斯抽采研究的熱點，通過對平煤十二礦抽采鉆孔的封孔分析，發現該礦所采用的聚氨酯封孔法抽采效果較差，無法達到預期效果。通過現場工業試驗，發現囊帶式注漿封孔法抽采效果比較理想。根據6個月的觀察，囊帶式注漿封孔瓦斯抽采濃度為25%，而聚氨酯封孔僅為6%。采用囊帶式注漿封孔法不僅能保障煤礦安全生產，同時也對瓦斯的后期利用提供了條件。

［1］ 王啟金，李紅行，劉志鴻，等.囊袋式注漿封孔技術在鄭州礦區“三軟”煤層的應用［J］.中州煤炭，2009(7):16-18.

［2］ 張設計.邊掘邊抽煤巷瓦斯抽放孔封孔方法簡介［J］.山西煤炭技術，1998(2):31-32.