高瓦斯矿井存在的封孔技术

1、瓦斯抽采钻孔新型封孔材料及封孔工艺 “两堵一注带压注浆”封孔方案一、研究背景及意义高瓦斯煤层的开采往往伴随着大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯灾害已成为制约高效集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素。因此，如何有效地解决高瓦斯煤层开采过程中的瓦斯突出和大量瓦斯涌出问题，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。解决高瓦斯低透气性突出煤层开采过程中的瓦斯问题的主要措施是瓦斯抽采。通过瓦斯抽采，不仅可以有效地减少煤层开采过程中的瓦斯涌出，确保煤矿生产的安全性；同时，抽采出来的高浓度瓦斯又可加以利用，实现煤与瓦斯的共采。由于井下钻孔周围的煤岩体强度较低(

2、尤其在松软的岩层和煤层中)，钻孔周围往往存在微裂隙，这种情况增加了密封的难度。理论上来说，如果钻孔不漏气，瓦斯抽采浓度应当为100%。据调查，我国约有65%的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%，充分反映了抽采钻孔封孔质量差的现状。目前所采用的瓦斯抽采钻孔密封材料及工艺多种多样，没有统一的技术要求和标准，封孔材料经历了水泥砂浆-高分子聚氨酯类材料-注浆式封孔的发展过程，普遍存在瓦斯抽采浓度低，钻孔密封性差；而要解决上述问题，各大院校及企业开展钻孔密封技术、密封材料及配套装备的研究工作进行了多年，现就封孔材料及技术发展的历程及现状进行介绍。二、国内外矿井封孔技术现状目前国内普遍采用的封孔技术主要有机

3、械式封孔、聚氨酯类有机材料封孔、水泥类无机材料封孔等。1.机械式封孔我国煤矿现有的机械式封孔方法主要分为封孔器封孔和胶囊封孔两类。目前现场采用的钻孔封孔器大多是利用封孔器与钻孔壁的摩擦或粘结锚固来达到封孔的目的，且都是在孔口段进行封孔，主要有摩擦式和膨胀式两种。图1显示为推胀式封孔器使用前和使用中状态。使用机械式封孔器封孔时，封孔较严实，抽完瓦斯后还可接上水管实施煤体浅孔注水，实现一孔两用，封孔器用完后还可以回收继续使用。缺点是较笨重，操作不方便，若用于煤层开口的钻孔时，由于煤孔形状难以保持规则的圆形及孔壁破碎而封孔效果往往不好，封孔质量不易保证。 图1瓦斯抽采用推胀式封孔器(2)胶囊封孔技术

4、的示意图如图2所示，其利用特殊橡胶的膨胀与恢复功能，通过管路及阀门控制，实现对钻孔密封。该装置采用多级橡胶密封，大大提高了钻孔密封的可靠度，对于煤层的瓦斯压力准确测定，瓦斯抽采率提高等工作具有较好的效果，同时可回收多次使用。该种封孔方法结构简单，操作方便，具有膨胀性大、密封性好等特点；该装置不需要注浆泵等动力源，只需一个小型打气筒，杜绝了电气安全事故；装置无有毒物质，杜绝了工人职业健康危害问题。但是装置使用起来劳动强度大，成本较为昂贵，并且对裂隙发育扩展的封堵几乎无用。1、双体封孔胶囊；2、抽采管；3、真空压力表；4、球阀；5、充气压力表； 6、仪表架； 7、充气软管； 8、打气筒图2 胶囊封

5、孔2.聚氨酯类有机材料封孔聚氨酯封孔是近年来最流行的一种封孔工艺技术，据调查，山西省一半以上都采用这种封孔方式，其主要原理是利用聚氨酯高发泡率填充钻孔来完成封孔。聚氨酯封孔工艺大致可分为人工封孔和机械喷注两种。(1)聚氨酯的人工封孔工艺最初由俞启香教授在矿井瓦斯防治一书中做了详尽描述，即卷缠药液法，如图3所示，主要包含聚氨酯双组份混合，涂布卷缠和插入钻孔三个步骤。 1、双组份混合 2、涂布卷缠 3、插入钻孔图3、卷缠药液法封孔操作程序但是该方法整个操作过程较麻烦，工人接触聚氨酯药液机会较多，易将药液溅到皮肤上，目前煤矿流行的的聚氨酯手工封孔方式是用封孔袋直接绑在瓦斯抽采管上，双手合攥把封孔袋从

6、中缝压开混合，用力上下揉搓使两袋物料充分混合，把抽采管送到孔中，聚氨酯在封孔袋中膨胀，直到把袋子撑破，完成对钻孔封堵。中国矿业大学和徐州博安科技发展有限责任公司共同开发的PB型号封孔袋，产品膨胀后生成树脂泡沫，能渗入煤（岩）壁缝隙，充分封堵钻孔裂隙，并且树脂泡沫体强度高韧性强，能够长时间内保持良好的密实性，保证封孔效果。其外观及使用后情况如图4所示。 图4 PB型号封孔袋人工封孔简单易行、操作方便，但在具体操作过程中管路需要及时送入孔内，避免聚氨酯未到位置就发生膨胀凝固，所以要求工作人员技术过硬，操作精度高。(2)聚氨酯机械喷注式封孔工艺主要利用聚氨酯双组分注浆技术，两组分单独按固定配比进料、

7、输出和混合，通过注浆管直接把聚氨酯注入钻孔内，现场注浆量实现可控，节约用料。图5是聚氨酯注浆泵工艺简图，在气源箱（空气压缩机等）提供的动力下，聚氨酯A、B两种料经由压力表、单向阀，进入静态混合器充分混合，最后注入钻孔内，在阻液堵头的阻挡作用下，聚氨酯膨胀封孔完毕。这种注浆泵以压缩空气为动力源，活塞带活塞式注浆泵，可以自动实现不同体积比进料、混料和输出，输出压力最高可达1823MPa。可以实现自动封孔技术，配套施工配件有封孔器、混合器、注浆杆等。施工操作简便易行，12人操作即可。虽然机械喷注工艺具备操作简便，质量稳定等优点，但准备工作量大、设备费用昂贵、聚氨酯消耗量大、成本较高。1-气源箱；2-

8、A、B料入料口；3-压力表；4-单向阀；5-静态混合器；6-抽放管；7-阻液堵头；8-钻孔图5 新型封孔泵通用的工艺简图聚氨酯类有机发泡材料具有发泡倍数高、质量轻、封孔迅速快等优点，在本煤层浅孔抽采钻孔的封孔中应用较为广泛。但是由于聚氨酯为粘性液体，渗透能力较弱，对钻孔周围岩体裂隙的封堵作用比较有限，直接影响了封孔质量；此外，该类材料存在遇水膨胀倍率过大，长时间放置收缩、与钻孔离壁等问题。但是聚氨酯封孔袋由于操作方便，现在被广泛用作堵头，选用其他注浆材料作为封孔主体，即目前比较流行的“两堵一注”式封孔方法。图6 “两堵一注”式封孔方法3.水泥类无机材料封孔水泥砂浆封孔技术方便、简单、成本低，对

9、钻孔周围煤岩体的裂隙有一定的封堵作用，但水泥砂浆容易沉淀，固化后有开裂、收缩等现象。水泥无机类封孔材料原材料广、价格低廉但是封孔深度有限、封孔相对复杂，并且普通水泥颗粒粒径大，在煤岩体裂隙中的渗透性较差。近年来，特种膨胀水泥作为封孔材料被引入煤矿，虽然膨胀水泥克服了普通水泥浆液凝结速度慢、收缩性强，难以渗入微裂隙中的缺点，使钻孔的封孔效果大大提高，加快了施工进度，但是膨胀水泥仍存在膨胀倍率不高，自身强度低，现场使用极易堵塞注浆泵，效果不太稳定等缺点。4.注管封孔法近年来，欧美国家展开了“注管封孔法”技术研究，显著提高了封孔成功率及瓦斯抽采效率，其封孔方法步骤如下： （1）在煤壁上首先钻出一个深

10、度10米15米的钻孔，钻孔直径大于正常钻进时的钻孔；（2）将金属管插入钻孔，金属管的内孔直径不小于正常钻进时钻头的直径；（3）采用专用的注浆装置将金属管锚注入钻孔内，使金属管外壁与钻孔壁之间充满浆液；（4）钻头通过金属管内孔，开始正常钻进；（5）在金属管内部进行封孔。 这种钻孔封孔方法十分可靠，但是代价太高（澳大利亚要求金属管必须是铜管）、投资大、操作工艺复杂。另外，为了采煤的需要必须在采煤之前将注管回收，对配套的装备和井下空间环境有特殊的要求。这种封孔方法在澳大利亚、日本、美国等国广泛采用，但是国外的封孔方法并不能够适应我国国内的实际情况，我们需要根据不同煤矿的井下实际条件，借鉴国外的经验，

11、研制开发适合不同矿区的封孔技术与装备材料。三 、研究预期目标及考察指标通过现场深入调研矿井现存所有不同角度、煤岩体属性、布孔方式钻孔封孔工艺和材料，分析各种封孔工艺及材料优缺点。从理论方面深入研究钻孔密封技术，开发具有良好密封性能的抽采钻孔密封材料及工艺技术，研制相应配套一体化设备，选择郑煤集团下辖矿井进行现场效果考察。理论分析结合现场实际条件，形成适合西山煤电公司的瓦斯抽采钻孔密封材料、密封工艺及一体化成套设备，提高瓦斯抽采效果。主要的技术指标：（1）瓦斯抽采浓度提高10-15%；（2）单孔封孔成本价格比聚氨脂封孔降低10-20%。（3）钻孔封孔成功率提高10-15%；通过研究瓦斯抽采钻孔封

12、孔工艺、密封材料及一体化装备，为提高瓦斯抽采钻孔密封材料的密封性能，降低材料使用价格，提供简单易操作的配套密封装备与工艺技术，有效地防治瓦斯突出问题，提高瓦斯抽采浓度及效果。图1 抽放孔封孔工艺示意图瓦斯抽放用注浆封孔器主要用于瓦斯抽放封孔，利用高压浆液使封孔器两端弹性橡胶囊体膨胀压力上升，然后中间橡胶爆破体，然后对封孔段进行浆液注浆，从而实现封孔段封孔，本封孔器采用先两端封堵，然后再对中间注浆封孔，解决现有封孔段距离不固定、抽放管堵塞等难题，实现对封孔段的精确封孔，对于角度比较大的抽放孔能精确固定封孔长度。本封孔器采用水泥浆液注浆封孔，降低了成本、减少环境污染，操作简单，降低工作劳动强度、提

13、高工作效率。抽放瓦斯用注浆式封孔器（囊袋式封孔器）一、概述 抽放瓦斯用注浆式封孔器应用于抽放瓦斯封孔，利用注浆泵压力使封孔器的两头橡胶膨胀体膨胀、中间由液浆封闭实现多层封孔，操作简单，使用方便。具有操作简单、使用方便、降低工人劳动强度、提高工作效率等优点。本产品执行标准为：MT/T 1110-2011Q/YJKY 02-2012。二、型号的组成及代表意义 FK S W - / 单向阀最小爆破压力 封孔器外径 用途：抽放瓦斯W 原理：液压式 封孔器代号 FKSW-86/0.5表示外径86mm，单向阀的最小爆破压力0.5MPa的抽放瓦斯用注浆封孔器。三、结构特征与工作原理该封孔器主要注浆管、瓦斯抽放管、单向阀、爆破阀、橡胶膨胀体、堵头等构成。封孔器的注浆管与注浆泵连通，液浆进入橡胶膨胀体。因单向阀的作用液浆通过橡胶膨胀体1及爆破阀进入橡胶膨胀体2，第二根膨胀体迅速膨胀，将膨胀体的外径紧固在煤层孔壁上，利用橡胶材料的较大的摩擦系数所产生的摩擦阻力，把里边的孔封闭；接着液浆封闭橡胶膨胀体1，把相对外面的孔封闭；当压力大于0.5MPa时，爆破阀爆破，液浆将两个膨胀体中间的部分充满，进而实现多层密封，通过瓦斯抽放管连接瓦斯抽放管路抽放 四