瓦斯抽采中新型封孔材料及工藝的應(yīng)用研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

瓦斯抽采中新型封孔材料及工藝的應(yīng)用研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：近年來，我國對(duì)瓦斯的需求不斷增加，瓦斯抽采工藝也越來越受到重視。本文針對(duì)目前瓦斯抽采鉆孔封孔材料封孔質(zhì)量差、抽采濃度低、材料強(qiáng)度低、固結(jié)時(shí)間長等缺點(diǎn)，以硫鋁酸鹽水泥熟料、石灰和石膏為主料，并輔以改性材料，研發(fā)了一種新型無機(jī)雙液瓦斯抽采鉆孔封孔材料。該材料固化速度快、強(qiáng)度高、滲透性強(qiáng)，具有微膨脹性能，能夠有效將孔內(nèi)封實(shí)，消除孔內(nèi)漏氣通道。該新型材料在抽采鉆孔封孔領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：封孔材料;抗壓強(qiáng)度;膨脹性;漏氣通道;抽采濃度

引言

我國部分地區(qū)的煤礦由于礦井煤層賦存條件差、噸煤成本高、經(jīng)濟(jì)效益差，長期以來一直采用傳統(tǒng)水泥砂漿的封孔方式，沒有引進(jìn)和采用新材料、新工藝封孔，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯災(zāi)害越來越重，加之部分礦井煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的封孔方式已不能滿足礦井瓦斯治理的需要。新型礦用封孔材料PD采用了微膠囊化技術(shù)，能在2～4h內(nèi)保持一定的流動(dòng)性，使得材料在體積緩慢膨脹的同時(shí)，漿體強(qiáng)度逐漸增加直至凝固，且在膨脹過程中能向鉆孔周邊裂隙逐漸滲透封堵，再輔以膨博封孔劑，其鉆孔密封效果比傳統(tǒng)方式要好。

1主要密封方法及特點(diǎn)

目前，采用的鉆孔封孔材料及工藝有：黏土/水泥砂漿封孔、封孔器封孔、水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔、馬麗散封孔等。采用以上封孔材料及封孔工藝均存在一定程度的局限性，主要存在封孔長度短、封孔質(zhì)量不易保證、抽采負(fù)壓不大、抽采濃度低、封孔工藝不易操作、封孔成本高、實(shí)用范圍小等缺點(diǎn)。

2原封孔方法存在的問題

煤礦瓦斯治理過程中，抽采鉆孔使用聚氨酯封孔較為常見，封孔一般包括三個(gè)工序：坐底、孔口封堵及注漿。坐底工序相對(duì)復(fù)雜，主要方法有倒聚氨酯法、吹聚氨酯法及抽拉式坐底法。傳統(tǒng)的坐底方法存在問題如下：（1）倒聚氨酯法。存在聚氨酯膨脹時(shí)間無法控制，經(jīng)常出現(xiàn)聚氨酯已膨脹而抽采管未下到預(yù)定位置現(xiàn)象;（2）吹聚氨酯法。若孔內(nèi)有水，聚氨酯遇水膨脹率低或不膨脹;（3）抽拉式坐底法。聚氨酯在孔底黑白藥混合不充分，膨脹率低，效果較差。由于工序相同，又存在共同的不足：（1）三個(gè)工序分開進(jìn)行，程序較復(fù)雜;（2）聚氨酯坐底成功與否，效果如何，無法知曉，經(jīng)常出現(xiàn)坐底不實(shí)而造成整個(gè)鉆孔被堵實(shí)現(xiàn)象;（3）聚氨酯坐底需要根據(jù)孔壁巖性情況確定聚氨酯用量，往往很難掌握;（4）聚氨酯膨脹時(shí)發(fā)出大量的熱量，可能造成煤炭自燃或封孔套管變形。因此，根據(jù)現(xiàn)場需要研發(fā)了一款新型的囊袋帶壓注漿式封孔器，可以解決上述存在的問題。

3新型封孔材料配比及性質(zhì)

3.1材料簡介

新型封孔材料基系主要由封孔主料和輔助添加劑構(gòu)成，其中封孔主料主要由A料，硫鋁酸鹽水泥熟料、B料，石膏和石灰組成，輔助添加劑主要由早強(qiáng)劑、減水劑、速凝劑、發(fā)泡劑等組成，其用量雖少，但在新型封孔材料基系中起優(yōu)化、改進(jìn)、激發(fā)性能的重要作用。新型封孔材料水和組合物的重量比為（1.0～1.5）∶1.0，組合物由A、B2種組分按質(zhì)量比1∶1的比例組合而成。該材料具備固化速度快、早期強(qiáng)度增長快、凝固時(shí)間可調(diào)、封孔致密性好、滲透性強(qiáng)、不收縮、膨脹性能好、結(jié)實(shí)率高、密封性能強(qiáng)等特性。

3.2封孔原理

囊袋帶壓注漿式封孔器封孔原理為：先下入兩個(gè)囊袋到指定位置，通過連接在囊袋上的注漿管注漿，將囊袋腔體內(nèi)注滿水泥，注漿壓力達(dá)到爆破閥爆破壓力后爆破閥爆破，水泥進(jìn)入兩個(gè)囊袋間環(huán)狀間隙，繼續(xù)注漿注滿環(huán)狀間隙達(dá)到封孔目的。注漿水泥的初凝時(shí)間為10～12min，爆破閥爆破壓力為1.5～2.0MPa。

3.3“兩堵一注”封孔裝置密封機(jī)理

該封孔裝置的工作流程為：①啟動(dòng)注漿泵;②注漿管漿液壓力達(dá)到單向閥開啟壓力;③前后堵頭打開，填充堵頭;④堵頭漿液注滿后，注漿管壓力升高;⑤漿液壓力達(dá)到爆破閥開啟壓力，爆破閥門開啟;⑥漿液注入鉆孔內(nèi);⑦漿液滲透進(jìn)入鉆孔周圍煤體裂隙;⑧封孔結(jié)束。待堵頭中密封漿液到達(dá)設(shè)定壓力時(shí)，在預(yù)定的鉆孔封孔位置兩頭產(chǎn)生耐高壓的堵頭，在2個(gè)堵頭中間產(chǎn)生封孔注漿空間，在堵頭中所注液體壓力到了爆破閥預(yù)定壓力時(shí)，爆破閥就會(huì)開啟，漿液就能順利到達(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行封孔。由于單向閥的存在，封孔裝置及堵頭中的液體不會(huì)發(fā)生反向流動(dòng)，從而使堵頭壓力始終保持一種膨脹狀態(tài)與孔壁產(chǎn)生較大的摩擦力，有效進(jìn)行封堵。密封漿體占滿整個(gè)封孔段后，如果持續(xù)注漿，漿體就會(huì)受壓力作用滲透到孔壁周圍裂隙中，對(duì)裂隙中氣體的流動(dòng)途徑進(jìn)行封堵。

4鉆孔密封材料選擇原則

鉆孔的密封直接影響著瓦斯抽采效果的好壞，因此，在實(shí)際操作過程中，封孔工藝應(yīng)滿足密封性好、操作方便、速度快、材料省等要求。依據(jù)對(duì)鉆孔微裂隙進(jìn)行密封的要求，結(jié)合水泥和聚合物的優(yōu)點(diǎn)選擇抽采鉆孔密封材料要遵循以下原則：密封材料整體致密，耐老化性、抗干裂性強(qiáng);密封材料要具有一定的膨脹性，用于密封鉆孔周邊的微裂隙，且其膨脹性主要用于封堵微裂隙;針對(duì)不同用途的鉆孔（如正壓和負(fù)壓），均能有合適的密封材料;密封材料以水泥為主，應(yīng)用聚合物對(duì)水泥進(jìn)行改性;密封材料在井下使用方便，操作配比技術(shù)難度低，使操作人員容易掌握;密封材料的各原料均為日?；げ牧希瑏碓磸V泛;用于改性的聚合物必須接觸無毒或低毒;成本易控制。

5鉆孔密封工藝

①清孔。鉆孔施工完成后，鉆桿退出鉆孔，再用風(fēng)動(dòng)鉆孔清理鉆孔內(nèi)殘余煤渣。②煤渣清理干凈后，插入瓦斯抽采管和堵頭等裝置。按照鉆孔密封設(shè)計(jì)方案往鉆孔內(nèi)放抽采管，當(dāng)長2.3m的抽采管放置完成后，再放置安裝有“兩堵一注”封孔設(shè)備的瓦斯抽采管，鉆孔密封設(shè)備安裝的同時(shí)，將抽采管和封孔裝置往鉆孔里送（兩堵頭之間的距離是12m，外堵頭距離孔口5m）。整個(gè)封孔裝置全部進(jìn)入鉆孔。③注漿。待全部封孔設(shè)備都進(jìn)入預(yù)定位置后，將準(zhǔn)備好的滿足注漿性能的漿體通過注漿泵進(jìn)行注漿。注漿時(shí)必須注意注漿設(shè)備的壓力變化，據(jù)此對(duì)注漿情況及進(jìn)程進(jìn)行分析判斷。應(yīng)特別關(guān)注注漿設(shè)備壓力持續(xù)不發(fā)生變化的時(shí)間，這時(shí)爆破閥即將開啟。在注漿設(shè)備壓力經(jīng)過一段時(shí)間不發(fā)生變化而又再次地發(fā)生壓力增長后，還需要再不停地注漿7min左右才可結(jié)束注漿，這時(shí)保證孔內(nèi)有足夠的壓力和漿體。④瓦斯抽采。在封孔工作結(jié)束24h后，漿液已完全凝固，這時(shí)即可將抽采管連接進(jìn)入抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采。

結(jié)語

綜上所述，采用新型封孔工藝封孔，提高了采掘工作面的瓦斯預(yù)抽率，減少了煤體向采掘空間的瓦斯涌出量，同時(shí)