李兴凯　黄励新

摘要：为了改善瓦斯抽放钻孔的封孔效果，解决瓦斯抽放的现实难题，为矿区瓦斯综合利用打下坚实技术基础。根据平煤股份十矿煤层瓦斯抽采现状出发，提出了一体化袋式联动封孔技术，实现封堵钻孔周围煤岩松动裂隙的目的，达到理想封孔效果，提高煤层钻孔瓦斯抽采浓度。

关键词：封孔；一体化袋式联动；松软煤层；提高抽采率

一、封孔技术研究现状

在抽采技术、抽采设备、封孔技术和封孔材料方面，前人已经进行过深入而卓有成效的研究，但是在瓦斯抽放方面还存在一些不足：（1）当前情况下，矿井瓦斯抽采浓度低，抽放浓度不稳定，抽采总量少，瓦斯抽采率不高；（2）目前对抽放钻孔周围瓦斯浓度变化的原因的研究还比较少。对于煤层较软，瓦斯压力大，地压大的区域，瓦斯抽采面临以下问题：（1）难以施工长钻孔，对施工技术和钻孔操作要求越来越高，由于煤层较软，钻杆进入软煤带或者地质构造带，很容易埋钻杆；（2）由于地压大，煤层较软，封孔难度大，封孔之后，很快就会煤层发生变形，封孔段周围产生裂隙，抽采浓度下降很快；（3）封孔材料煤壁结合的难以程度和凝固时间对封孔效果很大，对于特定地区，需要特定的封孔材料和封孔工艺。现煤矿常用的封孔方法主要有：聚氨酯封孔法、水泥砂浆带压封孔法封孔器封孔法等。但使用效果均不理想。

二、一体化袋式联动封孔装置

（一）封孔装置构成及原理

1.基本思想

从减轻工人劳动强度和节省劳动时间两个方面重点考虑。基于此，新型一体化袋式联动封孔装置侧重于进行操作简单、能实现快速封孔方面进行研发，同时考虑到钻孔密封效果，和密封稳定性，研发时主要考虑：

①单孔封孔操作时间要确保在1.5个小时内完成。

②控制钻孔封孔段封孔装置轴向移动，以便实现封孔段稳定高压，确保封孔材料进入煤（岩）体裂隙，封堵气体流动通道。

③封孔长度和封孔深度能够根据井下环境相应调整，提高封孔装置的普适性。

④封孔操作步骤要简单易操作。

2.装置结构构成

按照以上要求，提出了“一体化袋式联动”封孔方法。在抽采管路的合适的位置预先捆绑两段双层囊袋，前囊袋为设计封孔的最深处位置，后段囊袋可放在孔口，也可根据设计的封孔长度要求，放置在距离孔口一定深度位置。利用一根注浆管在抽采管外串联前后囊袋和封孔段，其中注浆管与前后囊袋之间通过单向阀控制浆液流动方向，注浆管与钻孔封孔段之间采用爆破阀进行连接。整个封孔装置由两个囊袋堵头、两个单向阀一个爆破阀以及一根注浆管组成。

3.联动封孔原理

一体化囊袋联动封孔装置的封孔，是利用装置中唯一一根注浆管，实现整个钻孔的封孔，其封孔过程如图2-2所示，联动封孔主要体现在一根注浆管依次向囊袋和封孔段钻孔注浆，其注浆的先后动作顺序通过单向阀和爆破阀实现。当囊袋中封孔浆液达到一定压力后，在钻孔的设计封孔段两端形成高压堵头，在两段囊袋之间形成浆液封孔段，此时，囊袋中浆液压力达到爆破阀设计压力，爆破阀打开，浆液注入设计封孔段封堵钻孔。受单向阀的控制，囊袋堵头中的浆液不会出现反流，从而能够保证囊袋堵头一直处于高压膨胀状态，保持有效封堵。当浆液充满钻孔封孔段时，继续注浆，浆液进入钻孔周围煤（岩）体裂隙，封堵气体流动通道，从而实现高效封孔。封孔期间注浆泵压力随注浆过程的变化为压力关系如图2-4所示。

（二）封孔装置主要部件

封孔装置主要部件包括爆破阀、单向阀和囊袋。

1.爆破阀

整个封孔装置的最关键部位是爆破阀，爆破阀主要起着控制囊袋充填压力的作用。爆破阀开启压力过高，导致囊袋充填压力过大，甚至出现囊袋爆破的现象；爆破阀开启压力过低，会导致胶囊未能完全膨胀在钻孔中形成有效封堵，从而出现封孔段浆液从囊袋与钻孔壁面泄漏的现象，导致封孔失败。

可见，爆破阀的开启压力是与囊袋的有效封堵形成压力以及囊袋的极限压力密切联系的。本装置经地面多次试验，最终确定0.5～0.6MPa作为爆破阀开启压力较为适中。

2.单向阀

单向阀是装置中仅次于爆破阀的第二关键部件，单向阀逆流闭锁的有效性对封孔装置的成功与否起着决定性作用。单向阀是实现并保持囊袋压力的唯一保证，一旦单向阀逆流闭锁失效，在浆液充填封孔段时，囊袋浆液会出现回流，导致囊袋膨胀不够，会在囊袋与钻孔壁面之间形成渗流裂隙，导致封孔段浆液泄漏，封孔失败。

3.囊袋

囊袋膨胀充填封堵钻孔是注浆的第一步。为了保证注浆有一定的压力，从而使得浆液能够渗入钻孔周围煤（岩）体裂隙，囊袋必须在膨胀的基础上，能夠承载一定压力。另外，囊袋的膨胀性也不能过大，避免因过多膨胀囊袋壁面变薄，在外界刺碰下破裂，导致封孔失败。

（三）一体化胶袋联动封孔工艺

为了减轻井下工作量，一体化囊袋联动封孔装置的组装工作在地面进行（由生产厂家完成）。使用单位向囊袋生产单位提供封孔所需设计参数（如钻孔孔径、钻孔中抽采套管管径、封孔深度、封孔段长度），厂家按使用单位提供的参数进行组装。为了便于携带，封孔装置可以拆分成多段（每段<2m），各段注浆管和抽采管之间采用连接管或快速接头连接。拆分后的囊袋段。

由于试验地点煤层较软，易破碎，下瓦斯抽采套管时，使用胶囊与钻孔壁面的摩擦导致孔壁煤屑脱落，堵塞钻孔，瓦斯抽采套管难以下到设计位置。为此，将其由硬质胶囊改为较为柔软的胶袋。封孔装置实物如图2-1、2-2所示。

2.封孔工艺

①扫孔：钻孔成孔后，退出钻杆，采用压风清扫钻孔，排除钻孔中残余煤（岩）细屑。

②下抽采套管及封孔装置：先按设计长度要求，向钻孔中下抽采花管；在设计封孔段下2m的抽采套管后，下捆绑了一体化封孔装置的抽采管，封孔装置边连接边下管，直至整个封孔装置按设计要求全部进入钻孔。endprint

③注浆：预先混合满足一定要求的浆液，将注浆泵的吸浆口放入浆液池，出浆口连接封孔装置的注浆管快速接头，启动注浆泵，开始注浆。注浆过程中要关注注浆泵的压力变化情况，以此判断注浆进程，尤其是了解注浆泵压力有没有表现保压状况，这是爆破阀开启的标志。当注浆泵压力经历了水平段在次出现升高后，持续注浆5min左右，即可停止注浆。

④抽采：钻孔注浆24h后，可以对钻孔进行瓦斯抽采。

（四）配套注浆泵

封孔装置注浆时不能过快，否则易引气装置中爆破阀的非正常爆破。因此，注浆中需对注浆泵的能力及注浆速度有一定的要求，为了配合封孔装置，研制了配套注浆泵，该泵以压风为动力。由于井下用风地点风压较小，一般仅0.3～0.4MPa，这一压力满足不了注浆要求，经试验，顺层孔注浆压力在1.2～2MPa时，顺层孔注浆效果最好。为了实现注浆压力达到一定值后，保持恒压，还对注浆泵进行了改造。当注浆压力超过一定值时，自动卸压、调节，实现了恒压注浆。

三、现场应用试验

（一）试验地点概况

平煤股份十矿戊8-9-20230工作面是戊组二水平东翼第六区段，工作面标高-545m～-585m，对应位置地表标高+320m～+400m。工作面所采煤层是戊8-9煤层，煤层构造比较简单，戊8煤层厚度0.8～1.0m，其下与戊9煤之间有一层厚度1.0～2.4m夹矸，戊9煤层厚1.2～1.5m之间，平均1.3m左右，煤层倾角8°左右，钻孔顺煤层布置，孔距2.5～3m，孔径94mm，煤层类型为IV类，煤层原始瓦斯含量13m3/t，压力2MPa。

（二）封孔装置应用试验

1.封孔方案

为了验证新材料及新型封孔装置的封孔效果，在戊8-9-20230机巷顺层钻孔开展试验，采用相同的封孔参数（封孔深度和封孔长度）的情况下，采用3种封孔方法：聚氨酯封孔口+新材料封孔、聚氨酯封孔口+普通水泥封孔和新材料+封孔装置封孔。各封孔方法在实施中要求相互交叉，如图3-1所示。

（1）封孔参数

考虑巷道破碎圈的存在，顺层钻孔封孔时不采用全程封孔的方法。采用孔口外7m～15m这8m范围为封孔段。

（2）封孔结构

由于顺层钻孔倾角小，为了确保有效封孔长度满足要求，采用两堵一注的方法进行（传统聚氨酯封孔除外），其封孔结构如图3-2所示。

（3）封孔工艺

①聚氨酯封孔口+新材料封孔

A.钻孔成孔后，退出钻杆，采用压风清扫钻孔；

B.向钻孔内下一根相应直径（或其他参数）要求的瓦斯抽采管，一根18m长注浆管和一根长度达到封孔长度要求的返浆管（ ，俗称4分管）；

B.距在花管以下1m位置处的实管上缠绕棉纱和聚氨酯（黑白药），搅拌均匀，形成孔内深部封堵段；

D.在距孔口外15m处位置缠绕棉纱和聚氨酯（黑白药），搅拌均匀，形成钻孔外部封堵段；

E.待聚氨酯凝固后，开始进行注速凝膨胀封孔剂浆液或水泥浆液，直至返浆管返浆。返浆后，封堵返浆管，继续注浆2分钟，形成带压封孔。

F.停泵，24h后，连接抽采管路进行抽采。

②新材料+封孔装置封孔

A.钻孔成孔后，退出钻杆，采用压风清扫钻孔；

B.向钻孔内下满足封孔要求的封孔装置；

C.连接注浆泵，进行注浆；

D.停泵，封堵注浆管，24h后，连接抽采管路进行抽采。

（4）注意事项

①套管下到位后，未进行钻孔里口段和外口段封孔前，需固定套管位置，防止串位。

②操作人员严禁正对孔口进行封孔，防止喷孔及套管下窜伤人。

③注浆前必须检查管路连接是否牢固，接头必须使用正规“U”卡子固定，防止脱落伤人。

③注浆前必须检查安全阀和压力表是否完好，使用清水检查管路是否畅通。

⑤注浆时，密切关注注浆泵压力，一旦发现压力急剧上升，立即停泵，防止出现过压爆泵或爆管。

（5）数据观测

抽采钻孔封孔24h后，即可与抽采支管凝固一体，进行瓦斯抽采。抽采前，试验各钻孔需分别安装孔板流量计，并预留取样和取样测压小孔。各孔要求每天单独统计流量、孔口负压和瓦斯浓度等信息。

（二）封孔实施过程

现场封孔施工均在戊8-9-20230机巷进行。袋式联动封孔过程可分为三步，如图3-3所示：（1）浆液进入囊袋，囊袋膨胀，形成堵头；（2）注漿达到一定压力，爆破阀爆破，封堵封孔段；（3）随注浆压力继续增大，浆液进入钻孔周边裂隙，注浆泵停止工作，完成注浆。

（三）封孔效果分析

钻孔封孔效果主要体现在封孔后的瓦斯抽采效果，但是实际施工中的人力、物力等投入也是衡量钻孔封孔的一个重要方面，综合看，评价钻孔封孔可以从如下三个方面进行评价：封孔材料用量、封孔工时和瓦斯抽采效果。

1.封孔材料消耗对比

十矿顺层钻孔传统采用单一聚氨酯封孔，部分钻孔采用聚氨酯+普通水泥浆进行封孔。由于采用聚氨酯封孔时，里端聚氨酯封堵段距离孔口15m，外段聚氨酯距离孔口仅0.5m左右，扣除聚氨酯封孔段所占长度，普通水泥浆实际封孔长度为12.1m。采用改进型联动封孔装置封孔时，实际封孔长度较为稳定，消耗新材料浆液的长度为8m，因此进行对比分析时，将普通水泥浆消耗量等效成封孔8m长度消耗量进行比较，顺层钻孔封孔材料消耗对比如表3-4所示。

从表看出，两种封孔材料成本大致相当，但是联动装置封孔所需材料质量约是采用聚氨酯封孔消耗材料量的1/3，这极大地方便了井下工人材料运输，降低了工人的劳动强度。

2.封孔时间确定endprint

受井下運输条件的限制，封孔时实际应考虑封孔材料的运输时间和封孔过程消耗时间。

聚氨酯+水泥浆封孔，单孔消耗材料质量约80kg。尽管质量较大，仍可实现单孔材料3名工人单趟运输；联动封孔装置单孔消耗材料质量约28kg，整个封孔操作过程，包括封孔材料的运输，2名工人即可完成，因此，运输工时消耗方面，联动封孔装置优于聚氨酯+水泥浆封孔。

封孔操作中，用改进型一体化联动封孔装置封堵一个钻孔的平均时间约需25min，工人操作熟练后，实际封孔时间可降至20min；而正常情况下，聚氨酯封孔所需时间约1h。因此，新型封孔装置能有效提高封孔效率。总体讲，用封孔装置封孔效率要优于聚氨酯封孔。

3.瓦斯抽采效果

⑴钻孔封孔后，随着抽采时间的延长，瓦斯浓度逐渐下降。

⑵从抽采浓度看，无论采用何种封孔方式，初期瓦斯浓度均不高。由于钻孔封孔注浆凝固时采用硬性PVC管之间直接连接，存在漏气，导致抽采浓度一直不高。

⑶从不同封孔方式的抽采浓度看，顺层钻孔水泥浆封孔60m的瓦斯抽采浓度最高，封孔装置+新材料封孔效果次之，聚氨酯+水泥浆封孔和聚氨酯封孔效果最差。

⑷聚氨酯+水泥浆封孔和聚氨酯封孔后，随着抽采时间的延长，瓦斯浓度快速下降；而封孔装置+新材料封孔时，瓦斯浓度下降相对较为缓慢，个别钻孔的瓦斯浓度甚至没有随着抽采时间的延长而降低，这与封孔材料的特性有关。聚氨酯与钻孔壁面之间不能很好结合，存在缝隙；而水泥后期干裂、收缩变形，会形成裂隙；新型材料具有微膨胀性，其收缩特征表现不明显，不易因抽采时间过长而形成再生裂隙。

四、结论

戊8-9—20230机巷设计了480个钻孔，风巷484个钻孔、切眼108个钻孔，共设计1072个钻孔。采用新技术后，共试验了4个月，单孔抽采浓度提高2倍，瓦斯抽采量比以前增加了10万m3。现在封孔工艺比用聚氨酯封孔单孔节省材料费40元，能创造直接经济效益64.8万元，通过对比分析，结果表明：

⑴两种封孔方式，在密封相同封孔参数的钻孔中，采用聚氨酯封孔消耗材料量较大，是袋式一体联动装置封孔所需材料质量的近3倍，采用联动封孔装置时，材料用量少，便于工人运输，有利于减轻工人劳动强度，易受工人欢迎。

⑵新型封孔装置+材料价格高于聚氨酯+水泥浆，但单孔封孔成本要低于聚氨酯封孔成本。

⑶封孔装置封孔操作简单，易于掌握，所需人员仅3名，一个班组密封一个钻孔平均耗时25min，是传统封孔时间的1/3，封孔装置能够实现快速封孔，利于封孔操作的标准化和规范化，从而便于推广

⑷封孔装置钻孔密封性好，抽采的瓦斯浓度高，能有效提高钻孔的抽采率。瓦斯抽采量增加，利用率增高。

参考文献：

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2012.

[2] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及技术利用手册[M].北京：煤炭工业出版社，2005.endprint