煤层瓦斯抽采钻孔失效分析及封孔技术优化研究

李 攀

(潞安化工集团漳村煤矿，山西 长治 046032)

引 言

瓦斯的开采工作是通过在借助已经安装在煤层中的抽气管道来进行的，这样在开采过程中就能避免人员身处井下的开采空间，从而能大大减少瓦斯开采事故的发生次数。瓦斯作为一种绿色能源可以用于发电、取暖、供热和燃烧等，所以瓦斯开采显得尤为重要[1]。瓦斯抽采有很多种方式来进行钻孔布置，而在这些方式中顺层钻孔预抽方式是治理煤层瓦斯开采的重要手段。但这一手段也存在弊端，因对钻孔的封孔取位不当、封孔的长度较短、封孔质量较低等因素，导致约只有不到五分之一的以顺层钻孔方式开采的瓦斯浓度会在开采了一段时间后依然能保持初期浓度的80%以上，这一现象只能保障很低的煤层瓦斯预抽率。所以要保障瓦斯的抽采质量需要从封孔质量的提高入手，其带来的好处主要有三方面:其他前提条件不变的情况下，能增加瓦斯的开采量，从而降低在煤层开采瓦斯时泄漏的瓦斯量，以此确保瓦斯开采的安全性高效性；可以将负压抽取瓦斯的方式转为由流动动能抽取瓦斯，进而高效开采瓦斯；而且通过提高封孔的质量，可进一步保障所抽取的瓦斯浓度，开阔了瓦斯运用途径，同时减少了瓦斯开采危险发生的概率，减少了瓦斯开采前的准备时长[2-4]。要从导致煤层瓦斯钻孔失误的原因方面入手对钻孔封堵严密是开采瓦斯的重要一环，也是提高瓦斯开采效果的重要因素。

1 瓦斯开采漏气原理

1.1 巷道松动圈漏气的原理

根据距离巷道由近及远壁面围岩可以依次分为松动圈、塑性q区、弹性区和原岩应力区。钻孔的孔口在巷道围岩的各个区域里都分布着封孔口，这一现象会极大地影响封闭钻孔的质量。渗透性是其他岩层渗透区的1倍～3倍的完全渗流区也称松动圈，其裂痕呈现出网状结构，在这个区域内巷道里的空气是呈自由流动的状态的。这一现象具有普遍性。

1.2 漏气原因之封孔材料的质量

黏土、水泥基、高水这三类材料是我国在瓦斯开采中经常使用的封孔材料。但是水泥基材料有两个缺点，分别是硬化收缩和凝固所需时间久。在现实运用中，通常会和一些添加剂混合使用从而来改良水泥砂浆的弊端，增强封堵后的成效，而且配合加压可能会得到更好的应用效果[5-6]。

2 封孔效果的测试方法

按设定要求，在某个回风顺槽19～28联巷之间按原有因素可正常开采瓦斯的情况下，更改封孔材料、封孔段长度和封孔堵头等进行多种方式的组合排列进行测验。封孔方式选择:为筛选出最佳封孔方式，先设想了18种不同的组合封孔方式，其中每种方式需要打5个孔，18种则共计90个，两孔之间距离相距2.5 m，单组钻孔之间隔20 m。测试每组的抽采负压、抽采浓度以及抽采量。测试的顺层钻孔的不同封孔方式如第146页图1所示。

只有第1种和第17种方式采用矿上的水泥进行封孔，从孔口向孔内往下8 m为封孔深度，对于封孔管则不加以更换仍使用原有的，在两堵一注压力显示正常后开始封孔。

图1 顺层钻孔不同封孔方式布置图

其他几种方式都采用以A、B料封孔水泥在孔口向下8 m进行封孔的方式，封孔管的类型与上面一样，在测试完两堵一注后压力仍正常后开始封孔。这18种封孔方式中任何一组的钻孔钻好后就开始测验，每组的封孔方式都依照计划进行。每组封孔结束后就开始连管，与系统开始开采。

3 对测试所得数据进行分析

3.1 对比分析封孔段长度差异对效果的影响

抽采浓度不变对两者进行对比分析。采用矿上材料来封孔的第一组、第四组、第十二组及第十四组，但是其封孔距离不同分别是0 m～8 m、0 m～12 m、8 m～16 m、0～16 m，现实运作测出的封孔数据结果由图2展示。

图2 不同封孔工艺抽采瓦斯浓度对比图

而同是采用新材料加囊袋进行封孔的第三组、第七组、第十一组及第十六组分别采用的封孔距离是0 m～8 m、0 m～12 m、8 m～16 m、0～16 m，4组的瓦斯开采浓度绘制成图后进行对比，其结果如图3所示。

图2、图3可得出的结论是，8 m～16 m的距离进行封孔最佳，0 m～8 m则比0 m～12m封孔效果更好，这些数据表明存在着最佳的封孔距离。

图3 不同封孔工艺抽采瓦斯浓度对比图

3.2 影响瓦斯开采原因之钻孔变形

除了由于挖掘巷道时上下板压迫煤层导致煤层侧漏气以及在打孔时钻孔附近出现裂缝，而导致漏风这两种漏风原因，导致钻孔瓦斯无效开采外，钻孔的失稳变形也会导致钻孔瓦斯开采的失效。关于矿井瓦斯的开采过程方面的问题有两个，分别是动力和阻力，为开采瓦斯提供动力的是瓦斯抽采泵，阻力指的的在开采中不透气的煤岩体和瓦斯对煤体强力吸附等。由于开采中存在阻力，这使有限的动力只对一定范围内的瓦斯有作用，这一范围被称为抽采半径。在负责抽采的管道口附近，或其他抽取手段抽取，先抽出的都是游离状态的瓦斯，抽采半径内的瓦斯最先被抽出，较远地方的瓦斯在补给过程中受煤体介质的阻力影响会延缓运送实效，因此会造成单位时间内瓦斯含量降低，局部抽采负压升高。造成这一影响扩大的原因还有钻孔缩颈、变形、孔壁坍塌等，这就加大了密封钻孔的困难程度，极不利于提高抽采效率。由此要紧抓钻孔的稳定性。

4 结论

经过以上实验结果来看，封孔长度并不是长就一定好，封孔长度有其定义的最佳数值，在进行封孔长度一定的情况下采用不同的封孔材料的试验时，新材料的应用具有更好的效果。