煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式研究

1 煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式

1.1 水泥砂浆封孔

最初，中国瓦斯抽采钻孔封孔方式比较单一，采用人工手工调试黄泥封孔，这种方式有很大的局限性，对人力成本和时间成本都是一种巨大的消耗，且封孔效果不理想，因此逐渐被淘汰。而水泥砂浆封孔就是在黄泥封孔的基础上演变而来的，该方式需要用到硅酸盐水泥和细砂，将这两种物质按照一定的比例配制。配制好的成品要进行封孔，封孔方式有两种，分别是人工封孔和机械封孔，这两种方式都可以有效提高瓦斯抽采钻孔的封孔效果。因为人工封孔耗费的时间比较长，所以不常用。随着时间的推移，人工水泥砂浆封孔逐渐被压气砂浆封孔方式取代，压气封孔长度一般大于5 m，因为封孔长度具有不确定性，所以压气封孔方式更多时候应用于临时的瓦斯抽采钻孔封孔中。

1.2 聚氨酯封孔

聚氨酯技术早在 19 世纪就已经被研发出来了，中国对聚氨酯技术的研发起步较晚，所以相关技术性操作还不够成熟，经过多次试验，聚氨酯已经逐渐被应用于瓦斯抽采钻孔封孔中，并取得了一定的应用效果。聚氨酯封孔的原理是：将指定的材料按照一定比例调制，主要针对于多元醇聚醚和多异氰酸酯，并将这两类调制好的试剂再注入到抽采钻孔中。随着时间的推移，试剂会在钻孔内发生化学反应，使聚氨酯快速膨胀，膨胀力增大了钻孔的径向作用力，这种作用力会反向推动聚氨酯渗入裂隙，起到封堵钻孔的效果[1]。聚氨酯封孔涉及的环节比较多，需要处理好细节上的问题，黑料和白料需要人工均匀混合，混合好之后涂抹在瓦斯抽采管上的棉质材料上，通过输送装置将材料运到钻孔中;一段时间之后，聚氨酯会自行在钻孔中发生一系列的变化，即发泡、膨胀、凝固等，最终实现对钻孔的封堵。聚氨酯封孔具有一定的应用优势，操作难度不大且发泡率较高，可承受一定的外界压力。

1.3 “两堵一注”带压封孔

“两堵一注”带压封孔的原理比较复杂，需要用到聚氨酯，要封堵封孔的两端，因为聚氨酯会发生一定的化学反应，所以等聚氨酯凝结之后，就要通过注浆管注浆，主要是针对聚氨酯封堵的两端，注浆管会产生一定的作用力，这种作用力会推动注浆液渗透于钻孔裂隙中，从而达到抽采钻孔封孔的效果。“两堵一注”带压注浆封孔是由囊袋式注浆封孔演变而来的，囊袋式注浆封孔需要用到的设备比较多，囊袋的作是封堵钻孔，囊袋与囊袋之间留有一定的空间。囊袋的封孔原理是通过注浆管的作用力，使囊袋膨胀到一定程度，当膨胀度达到最大值时，就会与钻孔壁之间无缝衔接;要注意对注浆压力进行调控，当压力值满足注浆嘴开启压力时，就可以通过囊袋向空隙处注浆，浆液会通过流动填补煤体裂隙，达到抽采钻孔封孔的目的。“两堵一注”带压封孔方式相较于聚氨酯封孔方式更加全面，它实现了支护型钻孔，从某种程度上来说，注浆的压力越大，浆液产生的作用力就越大，材料膨胀后越贴合钻孔壁，最大程度上保障了钻孔的密闭性[2-3]。

1.4 二次封孔

二次封孔，顾名思义，一共分为了两个阶段，两个封孔阶段的操作步骤是不一样的：a) 在第 1 次封孔阶段，要做的就是降低瓦斯抽采浓度，在巷道破碎带的外围，需要将配制好的溶液倒入管道中，通过化反应使材料膨胀。在此期间，可以掺入速凝水泥，主要作用是封堵孔口。要想降低瓦斯抽采浓度，需要先做好前期准备工作。上述提到，化学反应会使材料膨胀，这种膨胀力会使得煤层产生裂痕，外界的空气就会渗透进来，通过循环作用降低瓦斯抽采浓度。b) 当瓦斯抽采浓度降低后，进入第 2 次封孔阶段。在这一阶段，要准备好膨胀剂，膨胀剂是由灰粉、黄泥、石膏粉等按照一定比例调制的，将这些膨胀剂倒入钻孔内，通过负压作用力渗透漏到气管道中，然后产生膨胀封堵钻孔裂隙。孔口一般用速凝水泥封堵。二次封孔涉及到膨胀剂的使用，需要注意膨胀剂的配制比例。膨胀剂对煤层有很好的封闭效果，并且可以延长瓦斯抽采期。图 2 为第 1 次和第 2 次封孔阶段示意图。2 改善瓦斯抽采钻孔封孔效果的措施

2.1 加强对瓦斯抽采钻孔周边裂隙发育特征的研究

瓦斯抽采的推进会对煤层造成一定的影响，巷道四周的岩层因为相对作用力的存在发生形变、裂变等，然后逐渐形成裂隙。煤层的地应力分布极不均衡，因此地应力之间的相互作用会使得岩层裂隙相互连接，而新的连接节点处会形成卸压带。基于此，相关工作人员应该进行有针对性的研究，比如研究钻孔周边裂隙发育特征，通过数据可视化建立模型对裂隙发育特性进行详细的研究，从而制订科学的解决方案，有效

提高瓦斯抽采效率。

2.2 加强对封孔各项参数的优化

封孔环节涉及到的内容比较多，其中比较重要的是封堵材料的质量管控和相关指标的落实。为此，可以采取有针对性的措施进行优化改进。不同的环节涉及的问题不同，“两堵一注”带压封孔方式的问题主要是封堵材料的性能不稳定，要对封堵材料的各项参数进行全面的优化，可以从抗压强度、发泡气密度、抗剪强度入手，测试各项参数的准确性，并对数据进行对比分析，根据分析结果从膨胀材料中选择最优的封堵材料。因为封堵长度也会在不同程度上影响封堵效果，所以很有必要对封堵长度进行试验，以此确定最合适的封堵长度。对于钻孔注浆压力的优化，要考虑的因素比较多，需要根据瓦斯抽采钻孔周边裂隙实际情况而定，必要时，可以运用模型分析法判定不同注浆压力下钻孔的封堵变化情况，现场操作人员可根据封孔数据进行可视化分析，以此确定注浆压力的优化范围，进一步提高钻孔封孔效率。

3 结语

对煤矿瓦斯抽采钻孔几种主要的封孔方式进行了详细的说明，这几种方式的封孔效果都比较理想，具有一定的应用性。当然，要想在原有基础上提高封孔效果，进一步优化完善封孔方式，需要掌握钻孔周边裂隙的发育特征，根据数据分析结果选择合适的封孔长度，严格控制注浆压力，最大程度保障封孔质量。