论文部分内容阅读
[摘 要]回顾了当前煤矿抽放瓦斯所遇到的技术难题，针对封孔方法提出了较为成熟的改良工艺，指出了未来封孔的发展方向。
[关键词]煤矿 抽放瓦斯 封孔方法
中图分类号：TD712.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0270-02
概述
目前我国的高瓦斯矿井都采用预抽煤层瓦斯来防止煤与瓦斯突出事故，在部分地区抽放瓦斯经处理后可供发电、民用。要保证理想的抽放效果，必须对抽放钻孔的封孔质量有足够的重视。
1.问题的提出
我国现在开采的煤炭资源赋存条件是含瓦斯煤层多，瓦斯储量大。瓦斯治理是安全工作的重点。目前，我国煤矿总体瓦斯抽放效果不佳，具体表现为瓦斯抽放率低，主要的一个原因是封孔质量较差。
在本专题中针对封孔方法进行探讨。
2.传统封孔工艺介绍及优缺点分析
传统的封孔工艺大致可分为两种：对岩石致密、服务期不长的钻孔可用机械式封孔器（施工方便，封孔器可重复使用）；对于煤岩强度不高、封孔深度较深的钻孔宜用充填材料封孔。
2.1 机械式封孔器封孔
机械式封孔器型式较多，但基本结构相似。使用时将封孔器送入钻孔内、旋转手柄带动螺母在螺杆上滑行，压缩胶圈使之产生径向膨胀将钻孔封闭。它使用于穿层钻孔岩石段封孔，若用于煤层开口的钻孔时，由于煤孔形状难以保持规则的圆形及孔壁破碎而封孔效果往往不好。
2.2 充填材料封孔
充填材料封孔用于钻孔形状规则或不规则的岩孔和煤孔中。
充填材料有粘土、膨胀水泥、胶圈、聚氨酯等。封孔时先插入抽放管。然后用充填材料填满抽放管和钻孔之间的环形空间。具体介绍如下：
2.2.1 粘土封孔
首先在距离测压煤层一定距离的岩巷打钻孔，钻孔穿入煤层，孔径一般不小于 50mm；然后清除孔内钻屑，放入测压管，然后进行封孔。
封孔操作时粘土条要软硬适当，其尺寸应稍小于孔径，每隔一段距离打入一段木楔，一般不大于 0.4m，以提高紧密程度。孔口用水泥填堵 0.2～0.5m，以紧固强化孔口。
2.2.2 膨胀水泥封孔
为了克服粘土封孔固体对封孔工艺要求较高的缺点，可以采用将水泥砂浆用压力压入钻孔的封孔工艺。封孔时，除了测压管之外， 还要在孔内置入一根注浆管和一根回浆检查管。先把测压管送入孔内，再送入几条粘土至挡板处轻轻捣实，把测压导管固定住。然后送入注浆管与回浆检查管并在孔口用粘土与木楔固牢。膨胀水泥的配比是：76%硅酸盐水泥，12%矾土水泥，12%石膏粉。
2.2.3 聚氨酯封孔
聚氨酯是一种高分子合成树脂，种类较多。封孔所用的聚氨酯具有密封性好、硬化快、质量轻、膨胀性强的发泡型聚氨酯。它是由甲、乙两组药液混合而成。甲组液占总重的37.52%（其中III型阻火聚醚占13.71%，乙二胺聚醚3.05%，水1.22%，发泡灵0.91%，麻油6.1%，三乙醇胺0.34%，三氯乙基磷酸酯12.19%），乙组液（多亚甲基多苯基异氰酸酯）占总重的62.48%。
该技术是基于“固体封液体， 液体封气体”的封孔原理。首先按上述比例将甲、乙药液倒入容器内混合搅拌1min，当药液由原来的黄色变为乳白色时，将混合液倒在一块麻布上抹平并缠在抽放管上送入钻孔（见图1），经5 min后开始发泡膨胀，逐渐硬化成聚氨酯泡沫塑料，它在自由空间内约膨胀20倍，在钻孔内可借此膨胀性能把钻孔封好。
2.2.4 优缺点分析
1） 粘土封孔的优点是此种方法简单易行，对封孔材料的要求也不高， 封孔成本较低。但这种方法的明显缺点在于其封孔长度受限制，如孔深较长， 粘土太软会导致刚度不够，无法送至指定长度；粘土太硬会导致封孔不密实，影响测压效果。对粘土制作的技术要求高， 粘土要适应孔的形状， 且软硬适中。
2） 膨胀水泥封孔的优点就在于可以封较长孔深的孔，其封孔材料在封孔时为液态，凝固后变为固态，有效的解决了粘土封孔遇到的难题；且对人员技术要求会有所降低。由于实际施工中有时在孔深较长的情况下挡盘难以随测压管顺利下到位置，可以采用回浆管与测压管错出一定距离（1.5m- 2m） 每隔一段用铁丝固定两管同时下管的办法。且在成孔状态不太理想的情况下（ 孔径不均匀，不好下挡盘，将测压管和回浆管用铁丝捆绑固定好同时下管比较困难），可以不用回浆检查管和挡盘而使测压管兼回浆管的作用。但这样做的缺点是容易造成测压管的堵塞，因为砂浆由于压力的原因喷至测压管筛孔位置。尽管筛孔部分有铜网包裹，砂浆容易糊在铜网上导致测压管堵死，无法测出压力，这时可以考虑不用铜网。因为筛孔的孔径大于铜网目径，少量砂浆可以顺测压管流出，但对注浆压力控制以及注浆停止的时机控制要求较高。
3） 胶圈--胶囊黏液封孔方法在当封孔段岩层为松软的砂岩、钻孔周围存在微裂隙或直接在煤层打测压钻孔时可以比固体封孔方法更有效更准确测出瓦斯压力的方法。缺点就是造价高，而且在松软岩层或煤层打测压钻孔时出现塌孔。糊孔时，测压封孔设备会被埋入孔中，无法回收，，这样会导致测压钻孔成本上升。
4） 聚氨酯泡沫封孔法继承了胶圈胶囊封孔的优点，比之还降低了测压成本。 且操作简单，是一种封孔测压的有效的方法，但目前推广的还不够，使用范围有待扩大。
3.聚氨酯封孔方法存在的缺点及改进方法
3.1 聚胺脂封孔的缺点
使用聚胺脂封孔的过程中，我们发现存在以下缺点：
1.药液配比必须适中，一旦配比不适中，将不能实现封孔目的，导致材料的浪费。
2.药液发生膨胀需要一定时间，一般在60min以上，一班按工作8小时计算最多可完成6个钻孔，不能实现快速封孔，且孔口有残留膨胀物。
3.封孔后受到顶板的挤压易出现裂缝，导致钻孔漏气，降低抽放效果。
4.钻孔封孔长度有限，一般封孔器的长度仅为3m，封孔段仅为800mm～1000mm。实践证明，封孔段距离应不小于5m。由于不能实现长距离封孔，导致钻孔抽放负压较低，最大只能达到9.3kPa～10.9kPa。
5.钻孔封孔段易出现导通通道，尤其是全锚支护的巷道。
3.2 改进方法
结合现场实际情况和理论知识，我们对抽放钻孔封孔采用了“聚胺脂加水泥浆”的方法。该方法的实质是将抽放钻孔的封孔段用水泥浆代替聚胺脂，聚胺脂不是封孔段的主要材料，仅作为水泥浆的辅助材料。封孔器的长度由原来的3m加长为6m（3m一节，用管接头联接）。
经过跟踪观测，聚胺脂加水泥浆封孔的钻孔负压可达到13.3kPa～16.0kPa，没有出现一例钻孔漏气现象，从而保证了钻孔气密性，可实现高负压抽放。为了进一步提高钻孔的气密性，我们还研究采用了钻孔封孔时两端用聚胺脂封死，中间用水泥浆灌注的方法。
通过使用聚胺脂加水泥浆封孔，我们认为有以下优点：
1.药液配比要求不是很严格，适合煤矿井下使用，简单易操作，不会导致材料的浪费。
2.药液发生膨胀需要的时间短，一般为15min，一个班工作8小时最少可完成20个钻孔，可实现快速封孔，且孔口残留膨胀物少。
3.由于钻孔封孔段是水泥浆，故钻孔封孔段能够承受顶板的挤压，不会出现裂缝使得钻孔漏气，可实现高负压抽放，极大提高了抽放效果。确保了矿井安全生产，经济效益也极为可观。
4.钻孔封孔采用机械封孔，故钻孔封孔长度较长，可实现长距离封孔，提高了抽放效果。
5.钻孔封孔段较长，不会出现导通通道，适用于煤矿各类支护巷道的抽放。
作者简介
曲云根（1968.09.20—— ），男，汉族，山西五台人，于2010年毕业于山西煤炭职工联合大学，所学专业矿井安全与通风，通风助理工程师，现在从事通风专业，论文方向：矿井安全与通风。
[关键词]煤矿 抽放瓦斯 封孔方法
中图分类号：TD712.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0270-02
概述
目前我国的高瓦斯矿井都采用预抽煤层瓦斯来防止煤与瓦斯突出事故，在部分地区抽放瓦斯经处理后可供发电、民用。要保证理想的抽放效果，必须对抽放钻孔的封孔质量有足够的重视。
1.问题的提出
我国现在开采的煤炭资源赋存条件是含瓦斯煤层多，瓦斯储量大。瓦斯治理是安全工作的重点。目前，我国煤矿总体瓦斯抽放效果不佳，具体表现为瓦斯抽放率低，主要的一个原因是封孔质量较差。
在本专题中针对封孔方法进行探讨。
2.传统封孔工艺介绍及优缺点分析
传统的封孔工艺大致可分为两种：对岩石致密、服务期不长的钻孔可用机械式封孔器（施工方便，封孔器可重复使用）；对于煤岩强度不高、封孔深度较深的钻孔宜用充填材料封孔。
2.1 机械式封孔器封孔
机械式封孔器型式较多，但基本结构相似。使用时将封孔器送入钻孔内、旋转手柄带动螺母在螺杆上滑行，压缩胶圈使之产生径向膨胀将钻孔封闭。它使用于穿层钻孔岩石段封孔，若用于煤层开口的钻孔时，由于煤孔形状难以保持规则的圆形及孔壁破碎而封孔效果往往不好。
2.2 充填材料封孔
充填材料封孔用于钻孔形状规则或不规则的岩孔和煤孔中。
充填材料有粘土、膨胀水泥、胶圈、聚氨酯等。封孔时先插入抽放管。然后用充填材料填满抽放管和钻孔之间的环形空间。具体介绍如下：
2.2.1 粘土封孔
首先在距离测压煤层一定距离的岩巷打钻孔，钻孔穿入煤层，孔径一般不小于 50mm；然后清除孔内钻屑，放入测压管，然后进行封孔。
封孔操作时粘土条要软硬适当，其尺寸应稍小于孔径，每隔一段距离打入一段木楔，一般不大于 0.4m，以提高紧密程度。孔口用水泥填堵 0.2～0.5m，以紧固强化孔口。
2.2.2 膨胀水泥封孔
为了克服粘土封孔固体对封孔工艺要求较高的缺点，可以采用将水泥砂浆用压力压入钻孔的封孔工艺。封孔时，除了测压管之外， 还要在孔内置入一根注浆管和一根回浆检查管。先把测压管送入孔内，再送入几条粘土至挡板处轻轻捣实，把测压导管固定住。然后送入注浆管与回浆检查管并在孔口用粘土与木楔固牢。膨胀水泥的配比是：76%硅酸盐水泥，12%矾土水泥，12%石膏粉。
2.2.3 聚氨酯封孔
聚氨酯是一种高分子合成树脂，种类较多。封孔所用的聚氨酯具有密封性好、硬化快、质量轻、膨胀性强的发泡型聚氨酯。它是由甲、乙两组药液混合而成。甲组液占总重的37.52%（其中III型阻火聚醚占13.71%，乙二胺聚醚3.05%，水1.22%，发泡灵0.91%，麻油6.1%，三乙醇胺0.34%，三氯乙基磷酸酯12.19%），乙组液（多亚甲基多苯基异氰酸酯）占总重的62.48%。
该技术是基于“固体封液体， 液体封气体”的封孔原理。首先按上述比例将甲、乙药液倒入容器内混合搅拌1min，当药液由原来的黄色变为乳白色时，将混合液倒在一块麻布上抹平并缠在抽放管上送入钻孔（见图1），经5 min后开始发泡膨胀，逐渐硬化成聚氨酯泡沫塑料，它在自由空间内约膨胀20倍，在钻孔内可借此膨胀性能把钻孔封好。
2.2.4 优缺点分析
1） 粘土封孔的优点是此种方法简单易行，对封孔材料的要求也不高， 封孔成本较低。但这种方法的明显缺点在于其封孔长度受限制，如孔深较长， 粘土太软会导致刚度不够，无法送至指定长度；粘土太硬会导致封孔不密实，影响测压效果。对粘土制作的技术要求高， 粘土要适应孔的形状， 且软硬适中。
2） 膨胀水泥封孔的优点就在于可以封较长孔深的孔，其封孔材料在封孔时为液态，凝固后变为固态，有效的解决了粘土封孔遇到的难题；且对人员技术要求会有所降低。由于实际施工中有时在孔深较长的情况下挡盘难以随测压管顺利下到位置，可以采用回浆管与测压管错出一定距离（1.5m- 2m） 每隔一段用铁丝固定两管同时下管的办法。且在成孔状态不太理想的情况下（ 孔径不均匀，不好下挡盘，将测压管和回浆管用铁丝捆绑固定好同时下管比较困难），可以不用回浆检查管和挡盘而使测压管兼回浆管的作用。但这样做的缺点是容易造成测压管的堵塞，因为砂浆由于压力的原因喷至测压管筛孔位置。尽管筛孔部分有铜网包裹，砂浆容易糊在铜网上导致测压管堵死，无法测出压力，这时可以考虑不用铜网。因为筛孔的孔径大于铜网目径，少量砂浆可以顺测压管流出，但对注浆压力控制以及注浆停止的时机控制要求较高。
3） 胶圈--胶囊黏液封孔方法在当封孔段岩层为松软的砂岩、钻孔周围存在微裂隙或直接在煤层打测压钻孔时可以比固体封孔方法更有效更准确测出瓦斯压力的方法。缺点就是造价高，而且在松软岩层或煤层打测压钻孔时出现塌孔。糊孔时，测压封孔设备会被埋入孔中，无法回收，，这样会导致测压钻孔成本上升。
4） 聚氨酯泡沫封孔法继承了胶圈胶囊封孔的优点，比之还降低了测压成本。 且操作简单，是一种封孔测压的有效的方法，但目前推广的还不够，使用范围有待扩大。
3.聚氨酯封孔方法存在的缺点及改进方法
3.1 聚胺脂封孔的缺点
使用聚胺脂封孔的过程中，我们发现存在以下缺点：
1.药液配比必须适中，一旦配比不适中，将不能实现封孔目的，导致材料的浪费。
2.药液发生膨胀需要一定时间，一般在60min以上，一班按工作8小时计算最多可完成6个钻孔，不能实现快速封孔，且孔口有残留膨胀物。
3.封孔后受到顶板的挤压易出现裂缝，导致钻孔漏气，降低抽放效果。
4.钻孔封孔长度有限，一般封孔器的长度仅为3m，封孔段仅为800mm～1000mm。实践证明，封孔段距离应不小于5m。由于不能实现长距离封孔，导致钻孔抽放负压较低，最大只能达到9.3kPa～10.9kPa。
5.钻孔封孔段易出现导通通道，尤其是全锚支护的巷道。
3.2 改进方法
结合现场实际情况和理论知识，我们对抽放钻孔封孔采用了“聚胺脂加水泥浆”的方法。该方法的实质是将抽放钻孔的封孔段用水泥浆代替聚胺脂，聚胺脂不是封孔段的主要材料，仅作为水泥浆的辅助材料。封孔器的长度由原来的3m加长为6m（3m一节，用管接头联接）。
经过跟踪观测，聚胺脂加水泥浆封孔的钻孔负压可达到13.3kPa～16.0kPa，没有出现一例钻孔漏气现象，从而保证了钻孔气密性，可实现高负压抽放。为了进一步提高钻孔的气密性，我们还研究采用了钻孔封孔时两端用聚胺脂封死，中间用水泥浆灌注的方法。
通过使用聚胺脂加水泥浆封孔，我们认为有以下优点：
1.药液配比要求不是很严格，适合煤矿井下使用，简单易操作，不会导致材料的浪费。
2.药液发生膨胀需要的时间短，一般为15min，一个班工作8小时最少可完成20个钻孔，可实现快速封孔，且孔口残留膨胀物少。
3.由于钻孔封孔段是水泥浆，故钻孔封孔段能够承受顶板的挤压，不会出现裂缝使得钻孔漏气，可实现高负压抽放，极大提高了抽放效果。确保了矿井安全生产，经济效益也极为可观。
4.钻孔封孔采用机械封孔，故钻孔封孔长度较长，可实现长距离封孔，提高了抽放效果。
5.钻孔封孔段较长，不会出现导通通道，适用于煤矿各类支护巷道的抽放。
作者简介
曲云根（1968.09.20—— ），男，汉族，山西五台人，于2010年毕业于山西煤炭职工联合大学，所学专业矿井安全与通风，通风助理工程师，现在从事通风专业，论文方向：矿井安全与通风。