本煤层瓦斯抽采钻孔封孔分析

一、前言
现阶段鉴于本煤层瓦斯抽采效果不甚理想，一般将本煤层瓦斯抽采作为穿层瓦斯抽采的补充措施。因此，本煤层瓦斯抽采封孔工艺研究相对于穿层瓦斯抽采封孔工艺起步较晚，针对性研究更少。根据矿井煤炭开采经验，一般于开采前先实施穿层钻孔进行瓦斯抽采，然后再辅以工作面煤壁近距离瓦斯排放钻孔。只有那些进行先期穿层钻孔瓦斯抽采措施没有达到抽采要求的煤层，或没有穿层瓦斯抽采施工条件的工作面，才会采用本煤层瓦斯抽采钻孔。然而，以往大多时候本煤层瓦斯抽采钻孔施工后仅仅充当了排放瓦斯钻孔的作用。
分析发现，目前使用的本煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺并不具有针对性、专门性，大多是直接借鉴自穿层瓦斯抽采钻孔封孔方法。但由于本煤层抽放钻孔施工环境与穿层抽采钻孔环境之间存在较大差异，因而将专适于穿层钻孔抽采瓦斯钻孔封孔工艺直接应用于本煤层瓦斯抽采钻孔封孔施工中，其结果可想而知。
二、各种封孔工艺的分析
封孔工艺方法应满足封孔后钻孔密封性好、操作简单和材料经济、来源广等要求。根据经验，将目前国内外本煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺技术依据封孔原理分为：机械式、手动式、机械手动结合式[1]。
（一）机械式封孔工艺技术
1.橡胶圈封孔器
橡胶圈封孔器[1]主要应用于穿层抽采钻孔的密封，具有封孔时间短，操作简单、可直接并网抽采等优点。其基本原理是：利用直径稍大于钻孔孔径的橡胶圈封孔，依靠钻孔壁的压紧磨擦力使橡胶圈变形并紧贴孔壁来密闭钻孔瓦斯抽采空间，隔绝其与外界沟通通道。经验表明，在钻孔围岩完整性较好、致密不破碎的条件下，封孔器密封性能良好，也可重复使用3～5次。但若为提高瓦斯抽放效果，拟加长封孔深度，在其结构和封孔操作上都存在较多问题，如延长连杆后，在深部钻孔孔径收缩造成的较大摩擦阻力作用下，连杆较易折断，且随着摩擦阻力增大，工人操作所需的体力增加，因此尚需研究改进。其次，在围岩破碎地带或煤层中使用该封孔器封孔，常因裂隙发育而难以封堵密实，瓦斯泄漏通道依然存在，因此，很难达到密封要求。再者，该封孔器上橡胶圈可变形程度较低，因此该封孔器只能专孔专用，普适性较差。

1——瓦斯入口 2——前后端固定硬橡胶 3——中间软橡胶 4——瓦斯抽采控制阀
图2-1 橡胶圈封孔器
2.螺旋杆可变胶圈封孔器
螺旋杆可变胶圈封孔器[1]应用范围要比橡胶圈封孔器广泛灵活，具有操作简单、灵活，普适性较强，可封多种孔径抽采钻孔及可直接并网抽采等诸多优点，如图2-2所示。其基本原理是：利用螺旋钻杆加压，使得胶圈受压产生较大变形，通过自身膨胀压力紧贴孔壁，密闭瓦斯抽采深部钻孔空间，隔绝其与外界沟通通道。经验表明，在钻孔围岩完整性较好、致密不破碎的条件下，封孔器密封性能良好，也可多次重复使用。
橡胶圈封孔器存在的问题在该封孔方式中依然存在，即在岩石致密无破碎、裂隙发育的条件下，封孔器密封性能良好，可重复使用，操作简单可靠。但若为提高瓦斯抽放效果，拟加长封孔深度，在其结构和封孔操作上都存在与橡胶圈封孔器同样的问题，不易延长封孔长度，尚需研究改进。尤其在本煤层瓦斯抽采钻孔封孔使用，很难达到严密封孔要求。

1——前端固定挡板 2——可变橡胶圈 3——后端移动挡板
4——后端螺旋紧固装置 5——固定把手 6——瓦斯抽采控制阀
图2-2 螺旋杆可变胶圈封孔器
（二）手动式封孔工艺技术
1.黄泥或水泥团封孔
黄泥或水泥团封孔[2]，具有封孔时间短，操作简单、封孔费用低等优点，封孔示意图如图2-3所示。其基本原理是利用潮湿黄泥或水泥团的可塑性，粘结性及硬化过程的均一性，完成封孔抽采操作，并在捣实过程中黄泥或水泥团变形挤压钻孔壁，封堵钻孔瓦斯抽采空间。进行封孔操作时黄泥或水泥团材料必须软硬适当，太软时容易粘在孔壁上，材料送不到位，形成空腔与裂隙使测压失败；过硬时会出现裂缝也会漏气。
该工艺优点是材料便宜，成本低。该法简便易行，如果认真细致操作，可以测得较高瓦斯压力。这种方法适宜封各种倾角的孔。主要缺点是封孔长度较短，手工操作，可延长封孔长度余地较小，由于不同操作人员的技术水平和人工堵添长度所限，封孔质量很难保证；黄泥遇水易变软，且短时间内不能硬化固结，水泥团凝固容易产生收缩裂纹，影响封孔质量，封孔操作复杂费力。

1——瓦斯入口 2——木挡板 3——黄泥或水泥团
4——瓦斯抽采阀 5——瓦斯抽采管 6——瓦斯抽采气室
图2-3 黄泥或水泥团封孔示意图
2.聚氨酯封孔
聚氨酯有不同的使用形式，最主要的是泡沫、弹性体和涂料。按一定配比组合的聚氨酯泡沫具有不收缩、膨胀性大、粘接力强且能够与多种界面牢固结合、密封性好、不延燃等特点。聚氨酯材料由黑料和白料组成。黑料是由多元醇聚醚、发泡剂、泡沫稳定剂、催化剂和阻燃剂组成；白料为多异氰酸酯[3]。
聚氨酯封孔具有以下优点：配比可以延长发泡时间，发泡倍数较高；克服黄泥、水泥团、水泥砂浆等在岩石微裂隙封孔不严等缺点，它能部分扩散渗透到钻孔周围的网状裂隙，大大提高封孔质量。

聚氨酯泡沫具有可塑性，受压变形而不破碎，它不受地点和条件限制，各种方式的瓦斯抽放钻孔封孔均可适用等优点[4]。但该封孔方式存在着发泡时间短，可操作时间少；封孔时发泡聚氨酯容易流失粘附到非封孔段孔壁，造成聚氨酯浪费；封孔操作要求技术熟练、封孔准确；且该封孔工艺存在成本高、投入大等缺点，不易推广应用。

1——瓦斯入口 2——破布或毛巾 3——聚氨酯
4——瓦斯抽采阀 5——瓦斯抽采管 6——瓦斯抽采气室
图2-4 聚氨酯封孔示意图
（三）机械手动结合式封孔工艺技术
1.黄泥-水泥砂浆混合封孔
黄泥（或破布）水泥砂浆混合封孔工艺[1]，封孔示意如图2-5所示。采用水泥砂浆封孔，不仅封孔材料便宜、来源广，而且注浆对钻孔周围岩体内的裂隙也有一定的封堵作用。
该封孔工艺广泛应用于穿层钻孔封孔及本煤层瓦斯抽采钻孔的密封操作，具有材料来源广而又方便操作的特点。但是，黄泥遇到水泥砂浆会变软；短时间内不能硬化固结；凝结后水泥砂浆凝固体容易产生收缩裂纹，严重影响封孔质量；且该封孔工艺需要等黄泥凝固后才能进行注浆作业，延长了封孔操作时间；封孔操作复杂费力。其次，封孔工艺方法只适用于大倾角瓦斯抽采钻孔，对水平钻孔基本无效。经验证明该工艺应用于上向瓦斯抽采钻孔封孔效果甚佳，下向瓦斯抽采钻孔封孔效果较难把握，主要室由于封孔段前端注浆堵头密封效果难以把握，稍不谨慎，水泥浆就会顺钻孔流入瓦斯抽采钻孔内部致使封孔失效。
该封孔工艺本身存在着一无法避免的不足：水泥砂浆仅靠自然下沉凝固，水泥砂浆不能完全侵入微小裂隙，仅适用于围岩较稳定，无含水层等孔壁条件，对于围岩裂隙发育钻孔或本煤层瓦斯抽采钻孔则效果不理想。再者，利用黄泥手动构筑钻孔封孔段前端堵头，可想而知，封孔段长度延伸具有一定的限制性，因而仅适于封钻孔围岩稳定、封孔段长度较小钻孔。

1——瓦斯入口 2——黄泥或破布 3——水泥浆
4——瓦斯抽采阀 5——注浆管开关 6——瓦斯抽采气室
图2-5 黄泥-水泥浆封孔示意图
2.木塞-水泥砂浆封孔
木塞水泥砂浆封孔[1]，该封孔工艺改进自源于黄泥-水泥砂浆封孔工艺，封孔原理同黄泥-水泥砂浆封孔工艺，不同点在于该工艺在水泥砂浆中加入膨胀水泥、早强剂以提高封孔质量。
该工艺广泛应用于穿岩层瓦斯抽采钻孔的密封，具有材料来源广而又便宜的特点。但是，利用木塞作为水泥砂浆挡板不容易注满封孔空间，致使封孔空间内存在空气通道，严重影响封孔质量，且该工艺封孔也是操作复杂、费力。而且黄泥-水泥砂浆具有的缺点该工艺同样具有。

1——瓦斯入口 2——前后端木塞 3——水泥浆
4——瓦斯抽采阀 5——注浆管开关 6——瓦斯抽采气室
图2-6 木塞-水泥浆封孔示意图
三、现阶段封孔工艺存在的问题分析
从以上现阶段各本煤层瓦斯抽采封孔工艺方法分析可知，在现场应用中由于受到地质条件与施工工艺的限制，这些瓦斯抽采钻孔封孔工艺在现场应用中均存在一定的缺陷，且瓦斯抽采效果也常常不及预期。分析可知，造成现阶段本煤层瓦斯抽采效果不理想的因素有很多，抽采钻孔封孔长度短是显而易见。不论手动式还是机械式抑或机械手动结合式，各工艺均存在封孔长度延伸受限的弊端，这是由现阶段本煤层封孔工艺自身的可操作性所决定的。
根据采矿学理论可知，采煤工作面划分巷道掘成后，巷帮煤壁内各种应力形成集中应力峰，并随着时间的延续由巷道煤壁浅部向深部煤体平移。应力峰的移动会改变煤体应力平衡状态，致使煤体因承受过多的压力而破碎失稳，产生集中应力扰动裂纹，这些扰动裂纹一直延续到深部煤体应力平衡区域，进而在巷帮附近一定范围煤体内形成巷道卸压松动裂隙；其次，煤体内吸附瓦斯解析，瓦斯压应力会对煤体内细微裂纹起到二次劈裂作用，催生瓦斯劈裂裂隙；再者，煤体解析瓦斯，释放弹性潜能，产生收缩裂纹。虽然这些裂隙很小，但是范围较大、影响较广，当封孔深度较浅时，很难跨越这些细微松动裂隙，彻底密封抽采钻孔。
根据现场实践经验，衡量一种封孔工艺方法优劣好坏的标准，主要判定依据是运用该封孔工艺后瓦斯抽采钻孔施工工程质量能否达到预期要求。而检验钻孔封孔施工工程质量的最直接方式就是封孔质量检验，如采用承压水孔口岩壁检漏法，压风检压法等；间接检验法一般是利用瓦斯抽采各参数指标，这些技术指标主要包含瓦斯抽采浓度、抽采周期、抽采负压及煤层瓦斯抽采量等技术参数。很显然，无论采用何种检验方式，本章所述现阶段本煤层瓦斯抽采钻孔封孔各工艺都不能算是理想的本煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺。
任何事物都具有时效性，封孔工艺也不例外。目前所普遍采用的本煤层瓦斯抽采封孔工艺，准确的说应该属于穿岩层瓦斯抽采封孔技术，但这对以往粗放式瓦斯抽采（即瓦斯抽放）来说已经足够了。可是，现在随着经济的飞速发展，社会面临能源紧缺危机，必须争取利用一切可利用资源，而与煤层伴生的煤层气资源便首当其冲。然而，随着矿井的开采，煤层赋存越来越深，各种灾害日益凸显，其中以防突工作最为严峻，抽采煤层瓦斯实为当务之急。因此，对煤层瓦斯治理必须走科学规范化之路。而要科学规范煤层瓦斯抽采，必须对现阶段所利用本煤层瓦斯抽采封孔工艺进行彻底改革。

四、结论
⑴现阶段本煤层瓦斯抽采的各种封孔工艺进行了说明对比，能够为以后的各种条件下运用各种工艺进行了说明指导。
⑵通过对各种工艺中存在问题的分析，为以后找到更好的工艺奠定了基础。
国家重点基础研究发展计划项目2006CB202204-3
[参考文献]
[1]朱诗山.煤矿瓦斯抽放技术[J].煤炭技术2009， 6(28):102-103.
[2]邢伟,孟凡新,夏永中.黄泥注浆防治采空区自然发火实践[J]. 中州煤炭,2010,3：73-74.
[3]李晓泉.淮南煤矿新区采空区瓦斯抽放方法分析[D].南宁：广西大学硕士论文,2007.
[4]陶云奇.中岭煤矿采煤工作面瓦斯抽放技术研究[D].贵阳：贵州大学硕士论文,2006：62.
（作者单位：中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 江苏徐州）