申潞杰

（山西兰花科技创业有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平，048400）

0 引言

我国矿井的瓦斯抽采率较低，无法有效改善高瓦斯矿井安全生产现状，也大大限制了矿井生产能力[1]。目前，高瓦斯矿井抽采率低主要原因时抽采孔的封孔质量差。当前井下封孔技术主要有机械注水泥砂浆封孔、封孔器封孔、聚氨酯树脂封孔等手段。但这些封孔手段漏气严重，忽略了钻孔四周煤体裂隙的影响，导致封孔质量差，瓦斯抽采浓度降低[2,3]。本文以3211综放面为研究对象，根据二次封孔技术的原理，研究改进型二次封孔技术，应用到顺层钻孔的封孔工作中，并对改进型二次封孔技术现场工艺进行优化设计，研究结果可为条件类似的矿井提供技术指导。

1 矿井概况

伯方煤矿3211工作面位于井田西北部，北部为断层带，南与3209工作面相邻，东侧与二盘区回风大巷相接。3211工作面推进长度设计2673m，可采长度2525m，采长180m，埋深224～344m，采用一次采全高综放开采工艺。3211工作面主采煤层3#煤层，煤层厚度 4.64～5.77m，平均 5.46m；含 1～3 层夹矸，夹矸总厚 0.1～0.4m；煤层倾角 2～7°；平均 5°；煤层硬度f=1～2，层理、节理为中等发育；煤层透气性系数为0.84m2/MPa2d，属于低透性煤层。工作面瓦斯压力为0.88MPa，煤层瓦斯含量为4.22m3/t。

2 矿井原封孔技术与瓦斯抽采效果

2.1 原封孔技术方案

井下瓦斯抽采管外径50mm，长度20m，钻孔的直径为89mm，原采用聚氨酯封孔袋方式进行封孔。首先用封孔袋在抽采管前段2m处进行密封，每2个封孔袋为1组，固定在抽采管上，共7组，各组间隔300～500mm，待封孔材料充分混合后，送入钻孔，如图1所示。图中L1（约为1.0m）为抽采管花管段，在抽采管前段四周打上花眼，可以在送管和抽采的过程中防止煤屑堵塞抽采管，保证抽采效果；L2（约为0.5m）为缓冲段，防止聚氨酯封孔袋膨胀堵塞花管；L3（约为8.0m）为封孔段；矿井原封孔工艺对L4段未采取任何封堵措施，只在孔口处用棉布堵住，其中L3+L4=15.0m。

图1 矿井原封孔工艺示意

2.2 原方案下瓦斯抽采效果观测

本次观测选取3211综放面回风平巷600m处矿方采用原封孔工艺密封的10个钻孔，均在成孔当天进行钻孔密封抽采工作，主要观测钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采混合流量和瓦斯抽采纯流量观测结果，如图2所示。

图2 原方案下瓦斯抽采观测效果

由图2可知，在原封孔方案下钻孔最高瓦斯抽采浓度为45～85%，最低瓦斯抽采浓度为1%～10%；瓦斯的抽采混合流量最高为11～28L/min，最低为6～9L/min。分析以上数据可得到矿方原封孔工艺密封的钻孔存在以下问题：

1）钻孔初始抽采浓度普遍不高，封孔质量差；

2）抽采瓦斯浓度低，高浓度状态的抽采时间短，一般在23天左右时，因瓦斯抽采浓度低于观测设置水平而停止进行观测。

3）瓦斯抽采浓度的衰减速度比较快。封孔当日，瓦斯抽采浓度较高，随后，瓦斯抽采浓度下降迅速，一般在9天后低于初始状态的20%。

4）瓦斯抽采浓度差异较大。瓦斯抽采浓度变化无规律，存在较大异常，差异大，严重影响了抽采系统的安全性。

3 顺层钻孔改进型二次封孔技术试验

3.1 改进型二次封孔技术工艺

改进型二次封孔技术是基于煤层钻孔裂隙发育研究和二次封孔技术原理进行改进封孔的，该技术既可以保证封孔初期瓦斯抽采效果达到一个很高的水平，还可有效的对钻孔周边裂隙进行封堵，延长钻孔抽采周期，提高钻孔抽采效果。具体工艺如下所述：

1）确定封孔深度。基于巷道松动圈理论，封孔深度大于巷道松动圈半径，但小于应力集中峰值点的距离。本文通过测定钻屑量变化规律确定出巷道松动圈大小，和应力峰值点的位置，由此确定封孔深度[4，5]。

2）确定封孔材料以及用量。目前聚氨酯类发泡材料凭借着发泡倍数高、固化速度快、工艺简单等优点得到了广泛的应用[6]。改进型二次封孔技术在一次封孔阶段采用中国矿业大学与天津大学合作研制的赛瑞聚氨酯封孔材料，其与钻孔壁的粘结性、致密性及其强度等均效果较好，可以通过改变材料配比调节发泡时间适用于不同长度的钻孔密封。

3）确保钻孔初次密封质量。改进型二次封孔技术中，保证钻孔初次密封的质量是改进型二次封孔技术的关键之一。在钻孔初次密封阶段我们通常采用棉布卷料的方法进行封孔，通常封孔长度根据现场工作经验略小于封孔深度的一半，但具体长度还要根据钻孔的实际情况确定。

4）实施粉料输送阶段。钻孔初次密封阶段完成后，向钻孔内送入长度1.5～2.0m的粉料输送管，粉料输送管末端露出钻孔0.5m方便连接粉料输送设备，孔口用棉布蘸聚氨酯发泡材料堵住，封堵长度为0.3～0.5m。调节主风路风压至0.15MPa，向钻孔内输送粉料。通过粉料机上的压力表示数或高压胶管内的粉料运动状态判断粉料输送情况，然后将粉料输送管用黄泥或者棉布封死，即完成改进型二次封孔技术的全部操作。

3.2 试验地点与方法

本次实验采用对比试验的方法，即对比改进型二次封孔技术与矿方原封孔技术瓦斯抽采效果。试验地点同样选择在3211综放面回风平巷紧挨矿方原封孔工艺密封的钻孔，预计施工20个试验钻孔，采用改进型二次封孔技术进行钻孔密封，观测记录钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采混合流量和瓦斯抽采纯流量。当连续2次以上瓦斯抽采浓度均小于16%时，停止观测。

3.3 试验设计方案

在施工设计方面，改进型二次封孔技术参照矿方原封孔工艺进行，钻孔前段的密封长度保持与矿方原封孔工艺保持一致，但是在工艺上采用棉布卷料的方法，棉布长度为6m，膨胀后封孔段长度可达8m，钻孔密闭腔室内预留1.5m长的粉料输送管，孔口用棉布卷裹混合聚氨酯进行密封。

输送粉料颗粒阶段，用井下压风管路连接粉料机进行动力输送，将粉料通过风力输送到钻孔密闭腔室内。

3211工作面回风平巷平均钻屑量随巷道煤体深度的变化关系如图3所示。

图3 平均钻屑量与煤体深度之间的变化关系

由图3可以确定，巷道松动圈半径约为12m，应力集中峰值点为17m，因此封孔深度应在12～17m之间。考虑到回风平巷两帮施工大量穿层钻孔，周边煤体严重受到施工穿层钻孔所产生的破坏，因此在二次封孔技术实施的过程中，封孔深度应大于穿层钻孔的长度，取16m为试验钻孔的最佳封孔长度。

3.4 优化设计试验结果

自钻孔封孔接抽后开始试验钻孔的瓦斯抽采效果观测，主要观测钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采混合流量和瓦斯抽采纯流量观测结果，如图4所示。

图4 改进方案下瓦斯抽采观测效果

由图4可知，在改进封孔方案下钻孔最高瓦斯抽采浓度为95%～98%，最低瓦斯抽采浓度为11%～15%；瓦斯的抽采混合流量最高为10～26L/min，最低为 5～8L/min。

图5为封孔技术方案改进前后所封钻孔瓦斯抽采效果对比图，图中显示，改进后的方案比原方案在平均单孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量和平均有效抽采时间方面分别提高了10.3%，1.3L/min和22.2d，改进型二次封孔技术大大提高了瓦斯抽采效率，延长高浓度瓦斯抽采周期。

图5 方案改进前后对比

4 结 论

1）实测伯方煤矿3211综放面原封孔工艺抽采效果并进行分析。伯方煤矿煤层裂隙中等发育，原封孔工艺时效果较差，主要表现为瓦斯抽采浓度低、衰减快、差异大，抽采时间短。

2）在3211综放面进行改进型二次封孔技术对比试验，确定封孔技术工艺参数为：封孔深度16m，一次封孔长度8m，粉料腔室长度7m。

3）改进型二次封孔技术所封钻孔在平均单孔瓦斯抽采浓度、抽采纯流量和有效抽采时间方面分别提高了10.3%，1.3L/min和22.2d，具有良好的封孔效果。