煤层瓦斯抽采封孔技术现状分析

陈学习，刘志强，庹雪娜

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，河北 三河 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，北京东燕郊 101601)

煤层瓦斯抽采封孔技术现状分析

陈学习1，2，刘志强2，庹雪娜2

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，河北 三河 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，北京东燕郊 101601)

介绍了煤层瓦斯抽采技术现状，将目前瓦斯抽采封孔技术分为非带压封孔、“两堵一注”带压封孔和二次封孔3大类，讨论了各类封孔工艺的优缺点和适用条件。分析结果表明：没有一种封孔技术能够适用所有煤层瓦斯抽采条件，应结合不同的煤层瓦斯抽采需求，研发操作简单高效、装置成本低廉、密封效果可靠的技术与装置，以提高煤层瓦斯的抽采浓度与效率。

瓦斯抽采；非带压封孔；“两堵一注”带压封孔；二次封孔；技术现状

0 引言

随着开采深度的增加，煤层瓦斯压力和瓦斯含量逐渐增大，地质构造条件也越来越复杂恶化，使得瓦斯灾害日趋严重。此外，煤矿瓦斯直接排放到大气中，可引起温室效应，其作用效果是二氧化碳的25倍[1]。除上述危害方面外，瓦斯也是一种清洁能源。如果能够对矿井瓦斯进行有效抽采利用，不仅可以有效地防治瓦斯灾害，也将会极大地缓解我国能源紧缺的局势。目前我国煤层瓦斯面临的主要问题是抽采浓度低、浓度值衰减过快，其原因除大部分被抽采煤层透气性差、裂隙不发育外，最重要的是封孔不严，封孔质量不理想。国内外学者对煤层瓦斯抽采封孔技术进行了大量研究，按封孔方式大致分为三类：非带压封孔、“两堵一注”带压封孔和二次封孔。非带压封孔包括机械式封孔器封孔、水泥浆封孔和高分子发泡材料封孔等；“两堵一注”带压封孔包括有机—无机材料组合封孔、赛瑞压注式封孔、囊袋式封孔、“强弱强”封孔和气囊延时膨胀带压注浆封孔等；二次封孔可分为聚氨酯二次封孔和囊袋式二次封孔。

1 非带压封孔技术现状

1.1 机械式封孔

机械式封孔一般使用可以重复利用的封孔器密封煤层瓦斯抽采钻孔，主要有机械弹性膨胀体封孔器、水力膨胀式封孔器、充气式封孔器。水力膨胀式封孔器和充气式封孔器在使用过程中需要另外专门敷设一条水管或气管，使得工作量加大，并且会使装置重量增大，操作不便。因此目前使用比较普遍的是机械弹性膨胀体封孔器，利用留在钻孔外面的机械机构使得内外管相对运动，挤压封孔器前端的橡胶可膨胀圈，使之在径向方向膨胀进而将钻孔严密封堵[2]。这种封孔方法适用于岩柱比较完整致密的地质条件，优点是封孔工艺操作过程简单，封孔器可以重复多次使用，能够应用在短时间内的快速封孔。机械弹性膨胀体封孔器在平顶山矿区四矿等地进行瓦斯抽放效果测验，对较浅钻孔封孔质量良好，能有效降低工作面回风流瓦斯浓度，实现高效高产，取得良好的经济效益。缺点是该封孔技术不适用于松软破碎煤岩钻孔和深度较大钻孔，封孔距离短，封孔质量差，利用单纯的封孔器不能有效地封堵煤岩裂隙，瓦斯抽采效率低下，不能保证长效的封孔效果，适用于采掘工作面临时瓦斯抽采封孔。

1.2 水泥浆封孔

水泥浆封孔一般用于钻孔长度较长、倾角较大的情况，对近水平、缓倾斜煤层钻孔，水泥浆靠自然下沉凝固，容易形成月牙形的孔隙，不能完全侵入煤岩裂隙，造成封孔不严实[3-4]。为避免水泥浆凝固后收缩，常在水泥中添加膨胀剂制成膨胀不收缩水泥封孔材料，这种材料初凝后发生体积膨胀一方面能使钻孔周围的裂隙得到充填，封堵开孔时形成的孔裂隙漏气通道；另一方面能够对钻孔封孔段形成支撑作用，保证钻孔稳定，钻孔周围不会在后期产生新的漏气通道，避免后期钻孔漏气。王庄煤矿8101工作面分别使用水泥浆与化学材料封孔，结果表明膨胀不收缩水泥强度、气密性明显优于化学材料，比化学材料具有更好的封孔效果，但是由于其封孔质量总体较差，目前已被逐步淘汰。

1.3 高分子发泡材料封孔工艺

高分子发泡材料封孔使用A，B双组份高分子有机材料，在封孔时通过A，B两种组分材料混合发生化学反应膨胀而填充抽采钻孔裂隙。高分子发泡材料固化后具有可塑性，受到微小压力时不易变形，与煤岩体牢固粘结，操作过程简单，封孔时间快，早强性好；但这种材料难以抵抗煤层在地应力采掘活动干扰下产生的蠕变，其抗压能力有限，不能对钻孔周围形成有效的支护作用[5]。高分子发泡材料封孔工艺主要有压注法和卷缠法两种，前一种方法由于操作过程繁琐、封孔设备难以清洗而没有普遍使用；后一种方法一般将双组分混合好后均匀倒撒在大的麻布或者棉纱上，一边倒一边裹缠在抽采管上，并且迅速送入钻孔内即完成封孔工作。与压注法相比，卷缠法具有操作简单、封孔速度快的优点。高分子发泡材料在鹤壁八矿进行了实际使用，与原有工艺对比，瓦斯抽放浓度平均提高4倍，瓦斯流量提高2.5～4倍，最高达到近8倍，极大地提高了工作面瓦斯抽采率。但封孔准备时间较长，操作过程中A、B组分浪费严重，并且封孔成功率低。此外，此工艺是敞开式操作，容易出现封孔材料未进入钻孔便流出钻孔的现象，操作过程中人员可能接触到料液危及人身健康。为此，相关人员研发高分子有机材料子母袋，既能保证封孔质量、节约封孔材料，又能防止料液损害人体健康；但是子母袋存在钻孔较浅或塌孔时，封孔材料快速膨胀而造成封孔失败的问题。高分子发泡材料在前几年较广泛使用，由于近年来对封孔质量要求更高，高分子发泡材料封孔技术已逐步被“两堵一注”封孔技术、二次封孔技术取代。

2 “两堵一注”带压封孔技术现状

2.1 有机—无机材料组合封孔

有机—无机材料组合封孔如图1所示，它是对单一使用有机或无机材料封孔工艺的改进创新。有机材料是通过A，B双组份按一定比例混合反应发泡膨胀封堵钻孔裂隙，固化速度快且封孔工艺简单[6]，但有机材料发泡后内部产生孔隙较大的蜂窝多孔状结构，形成相互导通的腔体阵列，有机材料与钻孔壁的结合面不稳定，会在材料与孔壁之间形成漏气通道[7]。利用无机材料比如水泥浆封孔时，由于材料分子较小，与煤层有很好的亲和力，比较容易进入并充填孔壁裂隙且改变煤层结构，能够提高煤体的抗压强度，对煤体产生加固作用。淮南谢一矿分别使用有机材料、无机材料和有机—无机材料组合封孔，结果表明：有机—无机材料组合封孔比单独使用有机材料或无机材料时的封孔效果好，瓦斯抽采浓度达85%，实现瓦斯气体高浓度抽采。但是在使用过程中，水泥浆凝固后会与煤壁之间形成一层黏结层，且黏结层与钻孔壁会产生裂隙，两者容易分离，使得结合面渗透性变差。因此通过有机材料与无机材料组合，能够克服各自单独使用时的缺点，既能充填原有裂隙又能防止产生新的漏气通道，从而有效提高瓦斯抽采浓度与效率。

图1 有机—无机材料组合封孔工艺[8]

2.2 赛瑞封孔剂带压封孔

赛瑞封孔剂属于聚氨酯类高分子聚合材料，是在聚氨酯材料中加入微膨胀颗粒，从而增加其膨胀性与渗透性，比聚氨酯材料具有更强的可塑性与抗压强度，能够与钻孔壁紧密粘结[9]，形成良好的致密效果，能够有效封堵钻孔微裂隙。赛瑞封孔剂通过黑白双料以一定的比例混合反应膨胀来封堵钻孔裂隙，现场使用时可以通过调整混合比例控制发泡时间与发泡倍数[10]。赛瑞封孔剂带压封孔时将赛瑞封孔剂涂抹在棉纱上使其在钻孔两端形成封堵段，然后利用用手动注浆泵将赛瑞封孔剂压入密闭空间。该封孔工艺的优点是通过带压注浆使浆液更好的渗入钻孔周围裂隙。冀中能源张矿集团宣东二号煤矿原先使用封孔器或水泥浆封孔，瓦斯抽采浓度在23%以下，当使用赛瑞封孔剂封孔时，瓦斯抽采浓度达到45%～80%，赛瑞封孔剂带压封孔技术比原封孔技术瓦斯抽采浓度平均提高40%左右，取得良好的经济效益与社会效益。但是赛瑞封孔剂固化后不能保持柔性状态，难以抵抗采动影响产生的钻孔变形，后期容易产生漏气通道。此外，赛瑞封孔剂封孔时操作过程复杂，而且压注赛瑞封孔材料的设备难以清洗干净，收尾工作繁琐、工作量大，敞开式操作容易危害操作人员身体健康。

2.3 囊袋式封孔技术

囊袋式封孔工艺如图3所示，封孔时使用一个预先制好的成品囊袋，囊袋中有注浆阀，中间有爆破阀，利用高压泵向囊袋注入水泥浆封堵围岩漏气通道并且能减缓钻孔变形速度，减小封孔段岩体的透气性。囊袋式封孔比聚氨酯具有更强的支护作用，能够实现任意角度的注浆且封堵效果良好[11]；现场操作简单封孔方便，操作过程节省时间，瓦斯抽采浓度高。囊袋式注浆封孔工艺在平煤集团十矿、山西潞安集团煤矿等实际使用，无论顺层钻孔还是穿层钻孔瓦斯抽采浓度都在60%以上，而且后期衰减速度慢，明显改善利用原有工艺时钻孔漏气问题。但是，使用囊袋封孔时存在操作不可靠性的问题，注浆阀或爆破阀容易失灵造成封孔失败，爆破阀的爆破压力与囊袋的膨胀程度难以准确计算，在现场操作中容易出现误差使囊袋不能根据地质条件完全膨胀紧密封堵钻孔周围裂隙，而且囊袋封孔完毕后难以再次回收利用，造成材料浪费。此外，这种工艺不适用于具有较丰富的裂隙和缝隙的煤层卸压带。

图2 囊袋式注浆封孔工艺示意图[12]

2.4 “强弱强”封孔技术

“强弱强”封孔工艺如图3所示，它是对单一注浆封孔技术的改进和完善，该工艺选用高强度的PD浆液、弱强度的果冻状胶体，以及高强度的吸水高分子材料对钻孔进行三层封堵，浆液在煤体孔隙裂隙中形成的致密固化体能增加煤体强度从而减小煤体渗透性。“强弱强”封孔工艺在常村矿进行了实际应用，采用“强弱强”带压封孔技术密封钻孔的抽采体积分数为61%～64%，而采用传统的聚氨酯封孔技术钻孔瓦斯抽采体积分数为26%～30%，“强弱强”带压封孔技术有效的提高了瓦斯抽采浓度，提升了矿井瓦斯抽采率。

但是“强弱强”带压封孔分为静态封孔阶段和动态封孔阶段两个过程，静态阶段又分为两次注浆[13]使得其封孔过程比较繁琐，封孔装置连接复杂，操作过程时间长，在提高瓦斯抽采封孔效率方面处于劣势。此外，注浆材料成本较高，制备繁琐，市场购买不方便，在现场操作过程中三种注浆材料容易混淆。“强弱强”封孔技术由于其封孔材料的优越性能够适用于各种地质条件的煤层瓦斯抽采钻孔封孔。

图3 “强弱强”封孔示意图[13]

2.5 气囊延时膨胀带压注浆封孔技术

气囊延时膨胀带压注浆封孔时利用两端气密性良好的气囊封堵钻孔两端形成密闭空间，气囊由内外两层组成，内层由气密性良好的优质橡胶制成，外层为具有一定延展性的螺纹布套，且气囊侧边装有单向针阀。气囊中提前加入药剂送入钻孔后药剂与水反应膨胀封堵钻孔周围裂隙，药剂由发气成分和延时成分组成，能够根据现场需求调整药剂的反应时间，保证了操作的可靠性，而且封孔药剂成本低廉、无毒且不会污染环境；气囊延时膨胀带压注浆封孔时向密闭空间注入SNZQ-P型无机封孔材料，该材料能够高水灰比的情况下快速凝固，且固化后致密性良好，形成高强度致密体。此外材料具有良好的流动性和渗透性，可以使材料克服钻孔裂隙内的阻力快速填充裂隙，充分覆盖钻孔周围的松动圈。无机材料凝固后强度可以为钻孔提供有效支撑应力，避免钻孔围岩因应力扰动而产生裂隙。因此，注浆材料的优越性能有效提高钻孔封堵效率。气囊延时膨胀带压封孔技术在神华宁煤集团汝箕沟煤矿、国投河南新能开发有限公司王行庄煤矿等推广使用，瓦斯抽采浓度比原有工艺提高近50～60%，且瓦斯抽采浓度衰减速度明显降低，瓦斯抽采周期明显延长。但是气囊延时对地质条件适应性差，操作过程瓦斯抽采钻孔需要提前准确计算合适的封孔深度、封孔长度、封孔半径和注浆压力等相关参数，否则就会影响瓦斯抽采浓度。

3 二次封孔现状分析

3.1 聚氨酯—粉料二次封孔工艺

聚氨酯—粉料二次封孔工艺如图4所示，它是对聚氨酯一次封孔的改进，分为两个阶段进行，第一阶段利用聚氨酯封堵钻孔中部，钻孔口利用速凝水泥封堵，第二阶段是在抽采一段时间后瓦斯抽采浓度下降利用风压将微细粉料吹入钻孔。第一阶段使用的速凝水泥能迅速封堵孔口并且对钻孔孔口形成一定力的支撑，防止塌孔现象发生。第二阶段使用的微细粉料能够在抽采负压作用下高效的渗入钻孔裂隙中，增加裂隙内气体的流动阻力，封堵外部空气进入钻孔的通道。因此，聚氨酯—粉料二次封孔技术具有良好的封孔效果，能够有效减小后期瓦斯浓度衰减速度，有效延长瓦斯抽采时间；适用于各类变质程度的煤层钻孔，有较强的实用性与适应性，聚氨酯—粉料二次封孔工艺在山西晋城煤业集团公司寺河矿实际使用，实施了第一次封孔后试验钻孔瓦斯浓度在随后的20天内逐渐下降，实施二次封孔后瓦斯抽采浓度明显回升，第二次封孔比第一次封孔瓦斯浓度提高约25%～50%，能够持续40～50天，封孔质量明显提高。但是封孔过程繁琐复杂，人工影响因素多，操作时间较长且封孔成本高。

图4 聚氨酯—粉料二次封孔示意图[14]

3.2 囊袋二次封孔工艺

囊袋式二次封孔使用三个囊袋进行钻孔封堵，囊袋内部设置有单向逆止阀，如图5所示，第二三囊袋之间设置有爆破阀，第一二囊袋之间设置有二次注浆管。这种封孔方法适应性比较强，能够适应松软煤层中的顺层钻孔、穿层钻孔等各种瓦斯抽采钻孔。此外，囊袋二次封孔方法能够实现定点定长度封孔[15]，无论是初次封孔还是二次封孔，均可以利用注浆泵来方便实现，初次封孔使用膨胀水泥来使囊袋膨胀。与单一囊袋一次封孔相比，本装置实现了一次封孔和二次封孔的一体化操作，优化了封孔工艺和处置后期漏气有效封堵钻孔裂隙，很大程度的提高了瓦斯抽采浓度。义安矿利用囊袋式二次封孔技术进行现场使用，结果表明：囊袋式二次封孔法钻孔瓦斯平均浓度明显高于聚氨酯封孔法钻孔瓦斯平均浓度，抽采近三个月，聚氨酯封孔法钻孔平均浓度仅在一个月抽采时间内就降低到了25%以下，且随着时间的变化，平均浓度持续下降，而囊袋式二次封孔法钻孔瓦斯平均浓度基本都在25%以上。但是本工艺的缺点在于不好掌握囊袋的膨胀程度，没有返浆提示，只能在操作过程中凭经验把握，造成囊袋膨胀程度的不确定性，而且操作过程比较繁琐，封孔持续时间较长，成本比一般工艺高很多，不适用于矿区普遍使用。

图5 囊袋式二次封孔示意图[15]

4 结论

(1) 煤层瓦斯抽采效果不理想的主要原因之一是封孔质量不好，瓦斯抽采封孔技术主要分为非带压封孔，“两堵一注”带压封孔和二次封孔。

(2) 非带压封孔操作过程简单，封孔速率高，能在较短时间内快速完成封孔工作，但是封孔距离较短，封孔质量差，瓦斯抽采浓度较低，且后期瓦斯浓度衰减速度较大。

(3) “两堵一注”带压封孔封孔工艺复杂，对操作人员技术要求高，对现场钻孔地质条件适应性强，封孔效果好，有效改善瓦斯抽放钻孔漏气问题，提高瓦斯抽采浓度。

(4) 二次封孔操作过程繁琐，封孔所需时间较长，封孔成本高，封孔质量较高，能有效解决后期瓦斯浓度衰减问题，适用于封堵各类地质条件瓦斯抽采钻孔。

(5) 由于煤层钻孔封孔条件的复杂性和多样性，没有哪一种封孔技术既能在高效率低成本条件下保证封孔质量，又能适用于所有类型的瓦斯抽采钻孔，研制适用于不同钻孔条件的系列化封孔装置是目前封孔技术创新的发展趋势。

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Analysis of the present situation of hole sealing technology for coal seam gas drainage

CHEN Xue-xi1，2，LIU Zhi-qiang2，TUO Xue-na2

(1.KeyLaboratoryofCoalMineDisasterPreventionandControlinHebei，Sanhe，065201，China;2.SafetyEngineeringCollege，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

The paper introduces the present situation of coal seam gas extraction technology，the current gas extraction hole sealing technology is divided into three categories as non-pressure hole sealing、“two stuck one note” with pressure hole sealing and twice hole sealing，discussing the advantages and disadvantages of all kinds of hole sealing process and suitable conditions. The results show that there isn’t a hole sealing technique that can apply to all gas extraction condition.It should be combined with different extraction demand to research the technology and equipment with simple and efficient operation，low installation cost and reliable sealing effect，in order to improve the extraction concentration and efficienly of the coal seam gas.

gas extraction; non-pressure hole sealing; “Two stuck a note” with pressure hole sealing; twice hole sealing;the present situation of hole sealing technology

2016-03-03

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015020，3142015135，3142014110)

陈学习(1972-)，男，江苏徐州人，博士，教授，华北科技学院安全工程学院副院长，主要从事煤矿瓦斯、粉尘防治方面的研究工作。E-mail：1797810466@qq.com

TD712

A

1672-7169(2016)03-0001-06