鄭凱歌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

★ 煤礦安全 ★

煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)研究

鄭凱歌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

針對我國現(xiàn)有煤礦井下瓦斯抽采主要封孔方式，通過分析各個(gè)封孔方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出采動(dòng)效應(yīng)下鉆孔周邊裂隙發(fā)育規(guī)律研究不透徹、封孔位置選擇不合理、現(xiàn)有封孔技術(shù)及材料不能有效封堵采動(dòng)過程中鉆孔周邊發(fā)育的裂隙是造成目前煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔效果不佳的主要原因。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場應(yīng)用手段相結(jié)合，深化模擬基礎(chǔ)理論研究；構(gòu)建采動(dòng)過程鉆孔煤體裂隙發(fā)育規(guī)律理論與模型，確定及優(yōu)選瓦斯抽采鉆孔封孔位置、材料及裝置；瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)的多元耦合化，降低乃至克服各個(gè)技術(shù)缺點(diǎn)，提高封孔質(zhì)量；研發(fā)和改進(jìn)“一體化”封孔裝置，簡化封孔操作、保證封孔效果、降低封孔成本等方面是封孔技術(shù)發(fā)展主要方向。

瓦斯抽采 封孔方式 裂隙發(fā)育 采動(dòng)效應(yīng) 多元耦合 “一體化”封孔裝置

由于我國煤炭資源賦存條件非常復(fù)雜，造成了煤層瓦斯賦存的復(fù)雜性，使我國成為世界上煤礦瓦斯災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。目前防治瓦斯事故最主要手段就是對煤體瓦斯進(jìn)行鉆孔抽采，但是目前我國許多礦井的瓦斯抽采率和瓦斯抽采濃度仍然達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。分析其主要原因，一是煤層瓦斯賦存及構(gòu)造特征等基礎(chǔ)工作不夠完善、瓦斯抽采設(shè)計(jì)及方法使用不完全恰當(dāng)；二是瓦斯抽采鉆孔封孔效果較差，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度及流量衰減快，不能達(dá)到預(yù)期抽采要求。因此，提高瓦斯抽采鉆孔的封孔質(zhì)量是保證井下瓦斯抽采安全高效的基礎(chǔ)保障。本文通過對我國目前煤礦井下瓦斯抽采鉆孔主要封孔方法進(jìn)行分析和總結(jié)，提出了提高瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量的技術(shù)及裝置對策，以期實(shí)現(xiàn)提高瓦斯抽采濃度和抽采效率的目標(biāo)，為礦區(qū)安全高效生產(chǎn)提供有效的技術(shù)支持。

1 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔主要封孔方式

1.1 材料式封孔方式

(1)粘土封孔。我國最早采用粘土封孔作為主要封孔方式，現(xiàn)小型煤礦偶有見到。其主要是將封孔粘土送至抽采管及鉆孔之間的環(huán)形空間，每隔0.5～1.0 m用木塞壓實(shí)。在孔口 1.0 m左右處用水泥漿封堵，固結(jié)后即完成封孔，如圖1所示。該種方法封孔的優(yōu)點(diǎn)是封孔材料價(jià)格低。

圖1 粘土封孔示意圖

(2)水泥封孔。隨著封孔工藝的進(jìn)步，粘土封孔方法的缺點(diǎn)愈加明顯，在此基礎(chǔ)上，提出了待鉆孔成孔后，在抽采管兩端用實(shí)體物或棉紗封堵，送入孔內(nèi)后，按照一定比例將水泥熟料和水進(jìn)行配比，利用注漿泵注入鉆孔，完成封孔，水泥封孔示意圖見圖2。該方法的優(yōu)點(diǎn)是水泥熟料封孔材料來源廣泛，價(jià)格低廉，抽采效果要遠(yuǎn)好于粘土封孔。

圖2 水泥封孔示意圖

(3)聚氨酯封孔。聚氨酯封孔方法主要是將封孔A料和B料按照一定比例調(diào)配均勻攪拌后注入抽采鉆孔內(nèi)，經(jīng)過一定時(shí)間后，聚氨酯發(fā)泡膨脹，在鉆孔與抽采管間產(chǎn)生1～2 MPa的徑向壓力，促使聚氨酯進(jìn)入周邊裂隙，從而實(shí)現(xiàn)對瓦斯抽采鉆孔的封堵。使用方式主要有卷纏藥液法和壓注藥液法兩種，如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)主要是封孔時(shí)間短、發(fā)泡倍數(shù)高及輕度受壓情況下不易變形等。相關(guān)研究學(xué)者針對聚氨酯封孔材料存在的問題還進(jìn)行了PD材料、樹脂錨固劑的試驗(yàn)，雖然有一定的技術(shù)改進(jìn)，但整體仍不明顯。

圖3 聚氨酯封孔示意圖

1.2 “兩堵一注”封孔方式

“兩堵一注” 封孔方法主要有囊袋式和聚氨酯式兩種，其基本原理是先在封孔段的兩端用袋裝聚氨酯或者膨脹囊袋作為堵頭，待堵頭形成后，再通過注漿管對堵頭封堵段之間的環(huán)空位置進(jìn)行注漿，在注漿壓力的作用下，注漿液向煤壁滲透并填充周圍裂隙， 實(shí)現(xiàn)抽采鉆孔封孔，該封孔方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)靈活調(diào)整封孔參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)封孔段與孔壁的緊密結(jié)合，且在注漿壓力足夠大的情況，注漿液可在膨脹壓力的作用下進(jìn)入煤壁裂隙，材料凝固后在地應(yīng)力的作用下可形成應(yīng)力集中區(qū)域，減少漏氣通道，提高封孔段的密閉性?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪准夹g(shù)如圖4所示。

圖4 “兩堵一注”封孔示意圖

1.3 封孔器封孔

封隔器封孔方式主要分膠圈和膠囊兩種，如圖5所示。其中膠圈封隔器原理為當(dāng)壓緊螺帽擰緊后，外套管發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)壓縮膠圈，促使膠圈發(fā)生徑向位移，直至封堵抽采管與鉆孔之間的環(huán)空空間；膠囊封孔器原理為通過外力擠壓封孔膠囊使其膨脹，直至充滿鉆孔空間。部分學(xué)者也提出了充氣式和注漿式囊袋封孔，前端連接充氣或注漿裝置，通過充氣設(shè)備或注漿設(shè)備將囊袋充滿直至完成封孔。其優(yōu)點(diǎn)是封孔快速、操作過程簡單等。

圖5 封孔器封孔示意圖

1.4 二次封孔技術(shù)

二次封孔技術(shù)是由中國礦業(yè)大學(xué)周福寶及其團(tuán)隊(duì)于2007年首次提出，后經(jīng)過長期的研發(fā)和工程試驗(yàn)取得了良好的抽采鉆孔封孔效果。該封孔技術(shù)主要分2個(gè)階段，如圖6所示。第一階段是將卷纏聚合發(fā)泡材料的抽采管送至巷道松動(dòng)圈以外位置，抽采一定時(shí)間后，隨著回采面的推進(jìn)和地應(yīng)力的綜合作用，煤層會(huì)發(fā)生變形和蠕動(dòng)位移，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔周邊煤層的孔(裂)隙擴(kuò)張、發(fā)育，外界空氣由裂隙進(jìn)入抽采管內(nèi)，使得抽采濃度快速下降，即進(jìn)入第二次封孔階段。

圖6 二次封孔示意圖

第二階段主要是利用高壓空氣(0.2～0.3 MPa)將由水泥、黃泥、石灰、石膏粉和淀粉等細(xì)料按照一定比例混合的微細(xì)膨脹粉料吹入鉆孔內(nèi)，直至微細(xì)膨脹粉料充滿鉆孔與抽采管的環(huán)空空間，采用速凝水泥密封鉆孔孔口，完成第二階段封孔?；旌吓浔群蟮姆饪孜⒓?xì)膨脹粉料在抽采負(fù)壓作用下滲入鉆孔周圍的裂隙內(nèi)，提高了裂隙封堵效果，降低了孔內(nèi)漏風(fēng)量，從而提高了瓦斯抽采濃度，改善了瓦斯抽采效果。

2 現(xiàn)有封孔方式存在的問題

上述封孔方式均有自己的優(yōu)點(diǎn)，在不同的區(qū)域內(nèi)得到了相應(yīng)的推廣應(yīng)用，但目前我國約有65%的回采工作面瓦斯抽采鉆孔的預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，這充分反映了抽放鉆孔密封質(zhì)量差的現(xiàn)狀，間接反映上述封孔方式存在一定的局限性及效果的不理想 。

2.1 材料式封孔主要存在的問題

2.1.1 粘土封孔方式

(1)該封孔方法工藝精度要求較高，稍有疏忽易導(dǎo)致封孔效果受損嚴(yán)重，整體密封性不強(qiáng)，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

(2)當(dāng)粘土過軟時(shí)，常會(huì)粘結(jié)在孔壁上，而導(dǎo)致封孔料達(dá)不到預(yù)定的封孔位置，且易形成空腔與裂隙，使封孔失敗，一定程度上限制了封孔段長度；過硬時(shí)易形成裂縫，導(dǎo)致抽采濃度降低。

2.1.2 水泥砂漿封孔方式

(1)水泥砂漿在凝固過程中易脫水收縮，導(dǎo)致砂漿內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，且凝結(jié)固化速度慢，導(dǎo)致有效封孔時(shí)間長，降低鉆孔的密封性及施工效率。雖然加入速凝劑等添加劑優(yōu)化后能改善該現(xiàn)象，但速凝劑的加入，會(huì)降低水泥的強(qiáng)度，且其具有一定毒性，對人身危害較大。

(2)雖然許多學(xué)者提出通過在水泥砂漿中加入膨脹劑、聚合物等材料來降低其收縮程度，但是當(dāng)鉆孔傾角較小時(shí)，在水平及近水平鉆孔中仍會(huì)在鉆孔上方形成月牙狀空隙，且對鉆孔圍巖裂隙的封堵也有限，封孔質(zhì)量受到影響。

(3)該方法需連續(xù)注漿，現(xiàn)場施工時(shí)，需2～3名工人迅速進(jìn)行水泥砂漿配比，1名工人利用注漿泵向孔內(nèi)進(jìn)行連續(xù)注漿。該方法需大量的人力和物力，增加了注漿泵等外力裝置，施工工藝較復(fù)雜。

2.1.3 聚氨酯封孔方式

(1)現(xiàn)有聚氨酯材料發(fā)泡時(shí)間一般為10～300 s，如需進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，成本較高，在鉆孔縮徑位置或長距離封孔時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)在未送到指定位置前，聚氨酯材料已經(jīng)發(fā)泡、膨脹，嚴(yán)重影響封孔質(zhì)量。

(2)聚氨酯固結(jié)后，其整體抗壓強(qiáng)度較低，透氣壓力一般低于2.0 MPa，在工作面回采過程中，在地應(yīng)力的作用下，鉆孔周圍會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中及卸壓現(xiàn)象，導(dǎo)致聚氨酯封孔位置發(fā)生形變及損傷而出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，抽采濃度也會(huì)隨之下降。

(3)聚氨酯是一種高分子聚合，其膨脹及凝結(jié)過程中會(huì)放出大量的熱，導(dǎo)致材料升溫快，甚至可達(dá) 150 ℃ 以上。材料中的低閃點(diǎn)成分易氧化冒煙甚至著火，進(jìn)而導(dǎo)致煤體自燃或瓦斯爆炸；在自重應(yīng)力的作用下，聚氨酯封堵上傾鉆孔時(shí)徑向膨脹力降低，導(dǎo)致鉆孔周圍裂隙封堵效果不好，影響抽采效果。

(4)當(dāng)孔內(nèi)有積水及濕度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致減少聚氨酯的發(fā)泡倍數(shù)，降低固化強(qiáng)度，嚴(yán)重影響封孔質(zhì)量。

2.2 “兩堵一注”封孔存在的問題

(1)聚氨酯作為堵頭的“兩堵一注”封孔技術(shù)，由于聚氨酯膨脹時(shí)間的難控性，容易出現(xiàn)整體封孔不到位等問題。另囊袋及聚氨酯堵頭強(qiáng)度較低，限制了注漿壓力，導(dǎo)致封孔材料徑向壓力降低，不能充分封堵鉆孔裂隙及損傷部位。目前一些學(xué)者提出了“兩堵一注”帶壓封孔方式及裝置，但實(shí)際上受兩端堵頭強(qiáng)度的限制，注漿壓力不高，甚至不帶壓封孔，暫不能使鉆孔裂隙達(dá)到完全密封的作用，無法達(dá)到高徑向封堵力的目的。

(2)隨著開采深度的不斷加深，地應(yīng)力作用愈加明顯，當(dāng)巷道形成后，在地應(yīng)力作用下，煤體發(fā)生了應(yīng)力集中及卸壓現(xiàn)象，導(dǎo)致煤體受多重?fù)p傷破壞及蠕變破壞?，F(xiàn)有理論研究很難確定合理的封孔始深度及長度，多憑現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)條件等因素來判斷，導(dǎo)致難以有效地實(shí)現(xiàn)裂隙帶內(nèi)抽采鉆孔段的密封，最終導(dǎo)致瓦斯抽采濃度低、衰減速度快等現(xiàn)象。

2.3 封孔器封孔存在的問題

(1)實(shí)踐表明, 膠圈和膠囊這兩種封孔器僅適用于鉆孔圍巖細(xì)密、穩(wěn)定性較好及裂隙不發(fā)育的巖層當(dāng)中。其封孔方式僅與孔壁物理接觸，當(dāng)封孔段存在裂隙時(shí)極易形成瓦斯的泄漏通道，一般只能用于臨時(shí)性封孔，難以廣泛推廣。

1.維生素B1是體內(nèi)多種酶系統(tǒng)的輔酶，能促進(jìn)氧化過程，調(diào)節(jié)糖代謝，對促進(jìn)生長發(fā)育、維持正常代謝、保持神經(jīng)和消化機(jī)能的正常具有重要意義。

(2)封孔器整體價(jià)位較高，封孔深度淺，且多為一次性使用，不能回收重復(fù)利用，大大增加了封孔成本。使用過程中易出現(xiàn)密封段壓力大、橡膠膠囊老化等現(xiàn)象，導(dǎo)致密封性能降低，在抽采負(fù)壓的作用下，與空氣溝通，降低抽采濃度及效率。

2.4 二次封孔技術(shù)存在的問題

(1)一次封孔后注漿固結(jié)后，導(dǎo)出細(xì)料的花管存在被封堵的風(fēng)險(xiǎn)較大，易造成細(xì)料在管內(nèi)堵塞，影響封孔效果。

(2)二次封孔工藝對微細(xì)膨脹粉料的配比及粒徑精度要求高，需專業(yè)人員進(jìn)行操作，受人為因素影響較大，需要二次封孔操作，工藝較為復(fù)雜。

(3)井下水文地質(zhì)條件復(fù)雜，濕度較高，二次封孔使用的微細(xì)膨脹粉料遇水或受潮時(shí)易發(fā)生結(jié)塊，從而導(dǎo)致微細(xì)膨脹粉料不能有效進(jìn)入鉆孔周邊煤體內(nèi)的孔隙、裂隙內(nèi)，會(huì)嚴(yán)重影響二次封孔法的封孔效果。

3 井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)發(fā)展對策

隨著煤礦開采逐步向深部延伸，地應(yīng)力和瓦斯壓力都呈現(xiàn)出增大的趨勢，煤層出現(xiàn)了碎軟性、高瓦斯、低透性、易突出等特點(diǎn)，與之相關(guān)的瓦斯災(zāi)害也日趨復(fù)雜和嚴(yán)重。作為瓦斯治理主要途徑的鉆孔瓦斯抽采，面臨巨大的威脅和挑戰(zhàn)，而決定瓦斯抽采效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是封孔效果，鉆孔封孔效果直接決定了采掘接替周期和礦井生產(chǎn)的安全性。因此，需要相關(guān)科學(xué)研究者沿著前人的研究成果，積極前進(jìn)，解決現(xiàn)有存在的難題，不斷優(yōu)化封孔技術(shù)，提高抽采效果。筆者認(rèn)為今后的研究工作應(yīng)著力于以下幾個(gè)方面。

3.1 模擬理論基礎(chǔ)研究

數(shù)學(xué)方法、科學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬是最常用、最有效的理論研究方法。瓦斯鉆孔封孔過程涉及固、氣、水三相的耦合，具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，而僅依靠數(shù)學(xué)方法很難準(zhǔn)確揭示其真實(shí)物理過程。仿真試驗(yàn)是研究流、固體力學(xué)的基礎(chǔ)方法，其結(jié)果可靠性強(qiáng)，是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，而數(shù)值模擬能夠解決難以開展仿真試驗(yàn)的研究，兩者是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的。通過收集國內(nèi)外文獻(xiàn)分析后可知：進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)的一般沒有開展數(shù)值模擬，而開展數(shù)值模擬的往往沒有進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，這些都阻礙了基礎(chǔ)理論的進(jìn)步。

隨著仿真試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)、試驗(yàn)條件的完善、試驗(yàn)技術(shù)水平的提高、大型商業(yè)化流-固體力學(xué)數(shù)值模擬軟件的開發(fā)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，為瓦斯抽采鉆孔封孔過程的研究提供了技術(shù)支撐。以后的研究，應(yīng)將仿真模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合，通過相似性、可重復(fù)性的試驗(yàn)，為數(shù)值模擬提供更合理的參數(shù)支持，通過數(shù)值模擬獲得更全面的流場信息，優(yōu)化試驗(yàn)方案，不斷將理論研究向前推進(jìn)。筆者認(rèn)為可利用建立圍壓條件下氣、液、固三相耦合的數(shù)學(xué)模型，采用ANSYS、COMSOL等適合多物理場耦合模擬的軟件來開展數(shù)值模擬研究。對于瓦斯抽采鉆孔封孔機(jī)理研究，應(yīng)將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)代測量技術(shù)結(jié)合起來，才能真正實(shí)現(xiàn)由定性解釋向定量描述發(fā)展。

鉆孔裂隙在采動(dòng)過程中的發(fā)育規(guī)律是優(yōu)化鉆孔布置、材料及裝置選擇的重要依據(jù)。目前研究工作多集中在煤的滲透屬性、原始孔裂隙特征等基本規(guī)律研究，并未綜合考慮隨著煤體開采產(chǎn)生應(yīng)力集中和卸壓效應(yīng)導(dǎo)致的煤體變形破裂的不斷變化以致形成復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)對鉆孔封孔效果的影響，因而無法準(zhǔn)確確定瓦斯抽采鉆孔封孔位置、材料及裝置。而開采導(dǎo)致的高密度、高聯(lián)通度的采動(dòng)裂隙，與巷道形成聯(lián)通，在抽采負(fù)壓作用下空氣進(jìn)入抽采管路，導(dǎo)致抽采濃度降低。目前還沒有合適的理論來定量描述這種裂隙產(chǎn)生機(jī)理，以致沒有合適的評價(jià)方法和體系來對封孔位置、材料及裝置進(jìn)行優(yōu)選。因此，如何定量準(zhǔn)確評價(jià)采動(dòng)過程中煤體的裂隙發(fā)育規(guī)律和特征，尤其是基于采動(dòng)效應(yīng)下裂隙發(fā)育的幾何特征和規(guī)律的評價(jià)模型，是煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)研究所面臨的一個(gè)重要基礎(chǔ)科學(xué)問題。

3.3 瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)的多元耦合化

(1)有機(jī)-無機(jī)材料及帶壓注入技術(shù)的多元耦合?，F(xiàn)有有機(jī)材料具有膨脹倍數(shù)高、固結(jié)速度快等特點(diǎn)，完全適合作封堵堵頭；無機(jī)材料與煤層之間具有較好的親和力，易充填孔壁裂隙，增強(qiáng)煤體強(qiáng)度，且在帶壓注入技術(shù)的綜合作用下，提高了封孔徑向壓力，保證了裂隙封堵效果。但現(xiàn)有有機(jī)材料存在固結(jié)后孔隙發(fā)育，強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，限制了注入壓力，需研究人員進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，對有機(jī)材料強(qiáng)度、氣密性等進(jìn)行改性研發(fā)，開發(fā)高強(qiáng)度、高徑向作用力的兩端封堵新材料，確保兩端封堵材料的強(qiáng)度性能；對無機(jī)材料應(yīng)在保證強(qiáng)度及親和力的前提下，提高凝結(jié)速率，改進(jìn)現(xiàn)有注漿裝置，提高注漿徑向壓力。

(2)囊袋堵頭-帶壓注漿技術(shù)及二次封孔方法的多元耦合。在封孔管兩端裝入囊袋，囊袋堵頭利用注漿管向囊袋注漿形成，具有更強(qiáng)的支護(hù)作用，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的注漿且封堵效果好，注漿壓力可提高到2 MPa以上；堵頭形成后利用高壓注漿設(shè)備將無機(jī)封孔材料注入封孔段；在孔口留有微細(xì)膨脹粉料注入管，如出現(xiàn)鉆孔濃度明顯衰減，在未回采結(jié)束的情況下，進(jìn)行鉆孔二次封孔處理，保證抽采效果。

3.4 “一體化”封孔裝置的研發(fā)和改進(jìn)

現(xiàn)有封孔裝置主要采用“兩堵一注”的封孔工藝，通過改變堵頭的密封性，更換或者提高現(xiàn)有封孔液的性能，通過外力設(shè)備提供壓力注入的手段進(jìn)行封孔。其整體封孔液與封孔裝置為分離狀態(tài)，整體操作要求高、施工復(fù)雜、成本較高，現(xiàn)場很難達(dá)到理論封孔要求。需要研發(fā)集“自脹式封孔液”、“瓦斯抽采管”、“封堵頭”三位一體的煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔裝置，可通過簡單的人為操作完成封孔。在簡化封孔操作、保證封孔效果、降低封孔成本的前提下，還需專業(yè)領(lǐng)域研究人才進(jìn)行深入研究和探討。筆者通過現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有理論基礎(chǔ)提出了一種“一體化”封孔裝置，裝置主體由內(nèi)花管及鑲套在其外面并可沿其滑動(dòng)(直線式或可旋轉(zhuǎn)式)的外花管再加上兩端囊袋、抽采管上的攪拌片等組成。其囊袋和管內(nèi)均裝滿自膨脹封孔料，并帶有隔層，且保證囊袋內(nèi)料反應(yīng)速度遠(yuǎn)快于管內(nèi)，待所有短節(jié)連接后，通過使用手柄帶動(dòng)攪拌片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使隔層破碎，A、B料混合并隨著攪拌片的攪動(dòng)而均勻混合。通過擰緊螺母(或旋轉(zhuǎn)開關(guān))，使外花管相對內(nèi)花管滑動(dòng)，從而使兩層花管中的各孔連接，形成A、B料反應(yīng)后流向鉆孔的通道，完成封孔工作，該裝置已經(jīng)申請專利并公開?！耙惑w化”封孔裝置如圖7所示。

4 結(jié)語

(1)通過對現(xiàn)有封孔技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，要改善煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，提高瓦斯抽采效率，應(yīng)綜合考慮煤的非均質(zhì)性和各向異性、孔隙和裂隙發(fā)育、煤對瓦斯的吸附作用等特征，建立一套模擬圍壓條件下的井下煤層瓦斯抽采鉆孔封孔工藝物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、 地球物理和參數(shù)敏感性分析與優(yōu)化等技術(shù)，對模型的建立參數(shù)進(jìn)行反演，以確定封孔模型中各種因素的重要性和合理參數(shù)，形成對特定工程有效的瓦斯抽采鉆孔參數(shù)預(yù)測模型。

圖7 “一體化”封孔裝置示意圖

(2)應(yīng)掌握采動(dòng)效應(yīng)作用下鉆孔周邊裂隙的發(fā)育規(guī)律，通過合理的定量描述，結(jié)合合適的評價(jià)方法和體系，綜合考慮數(shù)值模擬及仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選出合理的始封深度和封孔長度、材料及裝置。

(3)采用帶壓注漿技術(shù)與有機(jī)-無機(jī)材料或囊袋堵頭的注漿材料的多元耦合，在不斷完善改進(jìn)各單項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同封孔方法手段的集成化和多元化，形成優(yōu)勢互補(bǔ)。另可研發(fā)“一體化”封孔裝置，簡化封孔操作，提高封孔質(zhì)量，但對“一體化”封孔裝置的研發(fā)和改進(jìn)工作剛進(jìn)入起步階段，需要專業(yè)領(lǐng)域人才發(fā)揮主觀能動(dòng)性進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)良好的瓦斯抽采鉆孔封孔效果。

[1] 林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

[2] 程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009(2)

[3] 申寶宏，劉見中，張泓.我國煤礦瓦斯治理的技術(shù)對策[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007(7)

[4] 葛兆龍，梅緒東，賈亞杰.高壓水射流割縫鉆孔抽采影響半徑研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014(4)

[5] 王勇，楊畢，姚薦達(dá).割縫鉆孔水壓致裂增透過程的數(shù)值模擬[J].煤炭技術(shù)，2014(9)

[6] 黃鑫業(yè)，蔣承林.本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(10)

[7] 方前程，黃淵躍，劉學(xué)服.坦家沖礦瓦斯抽采鉆孔封孔工藝技術(shù)研究[J].中國煤炭，2012(2)

[8] 王兆豐，武煒.煤礦瓦斯抽采鉆孔主要封孔方式剖析研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014(6)

[9] 孫文德，李子全，周軍等.瓦斯抽采中新型封孔材料及工藝的應(yīng)用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(4)

[10] 林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998

[11] 周福寶,李金海,昃璽.煤層瓦斯抽放鉆孔的二次封孔方法研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(6)

[12] 王兆豐.我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003(4)

[13] 馮增朝.低滲透性煤層瓦斯強(qiáng)化抽采理論及應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社，2008

[14] 代志旭，郭明功.本煤層瓦斯壓力測定新技術(shù)研宄[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(2)

[15] 翟果紅，蔣承林，王法凱.基于高壓注漿與膠囊壓力點(diǎn)液封孔技術(shù)的瓦斯測壓[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(5)

[16] 翟成，向賢偉，余旭等.瓦斯抽釆鉆孔柔性膏體封孔材料封孔性能研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(6)

[17] 林柏泉，呂有廠，李寶玉等.高壓磨料射流割縫技術(shù)及其在防突工程中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007(9)

Studyonsealingtechnologyofundergroundgasdrainageboreholesofcoalmines

Zheng Kaige

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation, Xi'an, Shaanxi 710077, China)

Aiming at the main sealing methods for current underground gas drainage boreholes at coal mines, with the analysis on the advantages and disadvantages of major borehole sealing methods, it concluded that the main reasons why sealing effect was not favorable when mining included an improper study on the crack development laws of surrounding rocks along the borehole under the mining effect, the irrational selection of sealing position and the existing borehole sealing techniques and materials with ineffective sealing of cracks in surrounding rocks along the boreholes. it was pointed out that the main development direction of borehole sealing techniques would lie in deepening numerical simulation combined with field application means and laboratory test, establishing theories and models of borehole fissure during active mining process, determining and optimizing borehole sealing position, materials and devices, multi-factor coupling of mine gas drainage boreholes to reduce and overcome various technical shortcomings, improving the quality of borehole sealing, developing integrated plugging device to simplify borehole sealing operation, ensure borehole sealing effect, and reduce the cost of borehole sealing.

gas drainage, sealing mode, fracture development, mining effect, multi-factor coupling, integrated plugging device

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016XAYMS08),十三五重大專項(xiàng)(2016ZX05045002-002)

鄭凱歌. 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封孔技術(shù)研究[J].中國煤炭，2017,43(10)：109-114.

Zheng Kaige.Study on sealing technology of underground gas drainage boreholes of coal mines[J]. China Coal, 2017，43(10):109-114.

TD712.62

A

鄭凱歌(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事煤礦地質(zhì)及煤礦瓦斯防治工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)