抽采钻孔带压注浆封孔技术的研究与应用(2)
抽采钻孔带压注浆封孔技术的研究与应用
王圣程，庞叶青，张云峰，胡东亮，周福宝
（中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221008）
摘
要：针对目前国内顺层瓦斯抽采钻孔封孔质量差，钻孔有效抽采期偏短的技术难题，提出了
带压注浆封孔技术。阐述了带压注浆技术的基本原理，并对其配套材料的性能和设备进行了研究。该封孔技术在宣东二号煤矿开展了现场工业性试验。结果表明：带压注浆封孔技术能增加封孔深度，实现了封孔工艺由手工向机械的转换，提高了抽采钻孔的封孔质量，使瓦斯抽采平均
浓度提高了40%左右，单孔平均多抽瓦斯量约1036．8m 3。关键词：矿井瓦斯；封孔质量；带压注浆封孔技术中图分类号：TD712+
．6
文献标志码：A 文章编号：1003－496X （2011）06－0004－03
Research and Application of Borehole Grouting Sealing under Pressure Technology
WANG Sheng －cheng ，PANG Ye －qing ，ZHANG Yun －feng ，HU Dong －liang ，ZHOU Fu －bao （Faculty of Safety Engineering ，China University of Mining ＆Technology ，Xuzhou 221008，China ）
Abstract ：The sealing quality of domestic gas extraction drilling is poor at present ，and the effective gas drainage period of holes is short ，so grouting sealing under pressure technology is proposed as a solution to this problem．The basic principles are described and the performance of supporting material and equipment were studied．An industrial scale test of this technology was carried out at the Xuandong II mine．The results show ：Grouting sealing under pressure technology can increase the depth of the sealing process ，a-chieve the conversion from manual to mechanical ，improve the quality of sealed drainage holes．So the average concentration of gas ex-traction was improved by about 40%，the hole average amount of gas pumping is more about 1036．8m 3than before．Key words ：mine gas ；sealing quality ；grouting sealing under pressure technology
基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（SBK201021648）；教育部新世纪优秀人才资助项目（NCET －08－0838）
目前，我国约有65%的回采工作面的预抽瓦斯浓度低于30%〔1〕
，充分反映了抽采钻孔封孔质量差的现状，封孔质量的好坏直接影响到瓦斯抽采效果，而封孔质量由封孔材料的性能及封孔技术决定。我国煤层瓦斯钻孔的封孔技术主要有：黄泥（水泥团）人工封孔、机械注水泥砂浆封孔、发泡聚合材料封孔、KFB 型矿用封孔器封孔〔2－5〕等。采用黄泥、水泥团人工封孔，钻孔密封质量差、作业时间长、劳动强度大，现场已很少采用；采用机械注水泥砂浆封孔，机械注浆虽可大大缩短封孔时间，但是目前的机械注浆设备笨重，加大了工人的劳动强度和搬运时间。对于倾斜钻孔可以保证封孔质量，但是对于近水平或缓倾斜煤层不适用；采用发泡聚合材料封孔，由于聚合材料发泡倍数高、质量轻，具有工艺简单、密封可靠、封孔迅速等特点而得到了广泛应用。然而目前化学聚氨酯封孔技术主要是采用徒手封孔，封孔
长度只有3 5m ，
不能有效封堵钻孔瓦斯抽采松动裂隙带，瓦斯抽采浓度不高，钻孔抽采寿命不长，甚至对操作不熟练的封孔工人，由于聚氨酯发泡反应快，一般在2 4min 完成，抽采钻孔往往很难成功封孔而造成废孔。KFB 型矿用封孔器封孔存在封孔质量差、操作复杂、可重复利用率低的等问题和缺陷。
针对当前国内外封孔现状，中国矿业大学课题
组在对封孔材料和工艺进行调研分析的基础上，提出了带压注浆封孔技术，并在宣东二号煤矿进行了
成功应用。1带压注浆封孔技术1．1
赛瑞封孔剂性能研究
带压注浆封孔技术的封孔材料选用的是赛瑞封孔剂，为了更好的确定其封孔效果，对于封孔质量有关的性能进行了测试，做了赛瑞发泡后的电镜和抗压实验。1．1．1
电镜实验
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4
·（第42卷第6期）
试验·研究
取3组发泡倍数为9 10、7 8、5 6倍的赛瑞发泡切块，分别对其进行电镜实验。
通过对不同发泡倍数的赛瑞发泡切块电镜实验对比可以发现，发泡倍数在5 6倍的切块分子排列比较紧密规则，致密性最好，其次是发泡倍数在7 8倍的切块致密性较好，发泡倍数在9 10倍的切块分子排列较为疏松，致密性不佳。由此认为，致密性随赛瑞发泡倍数的增加而减弱，在5 6倍的发泡倍数表现为较好的分子排列紧密致密性较好。1．1．2抗压强度试验
用小刀切割断面20mm?20mm发泡倍数9 10、7 8、5 6倍聚氨酯泡沫的正方形试块做单轴加载实验，记录抗压强度在10%形变时的压强。通过对不同发泡倍数的聚氨酯发泡切块抗压强度实验对比可以发现，发泡倍数9 10、7 8、5 6倍的抗压强度在10%形变时的压强分别为0．60MPa，1．45 MPa和2．89MPa。由此认为，抗压强度随赛瑞发泡倍数的增加而减弱，在5 6倍的发泡倍数抗压强度最强。
为了达到良好的封孔效果，在保证致密性和抗压强度的前提下，选择发泡倍数为5 6倍的赛瑞封孔剂。
1．2带压注浆设备的研制
针对钻孔封孔长度长、起泡时间短以及井下对机械设备轻便、灵巧、安全、实用的要求，开发出了一种高质量注浆的矿用手动注浆泵———KSZB160－2矿用手动注浆泵，注浆泵无需用电、气驱动，工作时不产生噪声。它适用于化学材料注浆工作，能准确高效地完成注浆工作，注浆泵质量轻，操作简单，运输方便，封孔质量高，效果显著，成本相对低廉，是技术先进、性能安全的用于煤矿瓦斯钻孔注浆设备。1．2．1结构特征与工作原理
（1）结构特征。手动注浆泵的整体结构如图1所示。主要部件有：加压手柄，柱塞泵，吸料管，出料管，支架，枪头。
（2）工作原理。该设备通过压、提加压手柄使柱塞上下往复运动，完成从吸料管吸料并把化学材料从出料管压出，2组分浆液通过三通混和并注入钻孔。
1．2．2技术特性
（1）主要性能。支架采用三角形式，占地空间小，适合井下环境，三角支架上的脚踏，手柄的长度、高度以及设备的可拆卸功能都参考安全人机工程学设计，省力高效；
设备所有的接口均采用快速接口连
图1手动注浆泵结构图
接，拆卸维修方便；设备动力完全来自人力手柄，避免了井下许多不安全因素的影响，真正达到煤矿机械产品的设计本质安全化；设备轻便，体积小，质量轻，移动方便，仅需1人即可操作。
（2）主要参数。手动注浆泵的主要参数见表1。
表1注浆泵的主要参数表
名称手动注浆泵型号KSZB160－2
质量/kg20尺寸/mm?mm?mm450?460?650最大流量
/循环/mL
160活塞行程/mm100实现配比1?1活塞直径/mm25
工作压力/MPa0 1．5最大扬程/m15
1．3基本原理
结合赛瑞封孔剂及配套注浆设备提出了：“两头堵，中间注”———带压注浆封孔技术。该技术采用矿用手动注浆泵进行注浆封孔，封孔材料选用赛瑞封孔剂。带压注浆封孔技术首先在钻孔内形成一个相对封闭的空间，然后通过矿用手动注浆泵把定量的封孔材料注入到这个相对封闭的空间内，这样封孔材料就能够在一个相对封闭的空间内膨胀，封孔材料不仅沿钻孔横向方向产生带压效应，在纵向上也产生带压效应。前者能够大大增强封孔材料膨胀后的致密性，后者可使封孔材料充分进入钻孔周围的裂隙中，大大提高钻孔的密封性。与此同时，此法可以增加封孔深度，加大封孔长度，有效避开巷道松动圈。这样避免了在抽采负压作用下，钻孔通过裂隙与外部空间形成回路循环，导致空气经裂隙进入钻孔内，进而使瓦斯抽采浓度降低，钻孔瓦斯抽采时间缩短的现象出现。其封孔技术示意图如图2所示。
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5
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试验·
研究（2011－06）
1－沾有赛瑞封孔剂的棉纱；2－赛瑞封孔剂；
3－瓦斯抽采管；4－注浆管；5－连接注浆设备处
图2带压注浆封孔技术示意图
2现场应用
2．1矿井概况
冀中能源张矿集团宣东二号煤矿设计生产能力120万t/a，自1999年矿井进入采区煤层巷道掘进
施工后，煤巷掘进工作面经常出瓦斯超限现象。
2001年8月矿井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井，2009
年该矿瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井。由于矿
井瓦斯抽采受煤层条件、封孔技术、封孔设备等影
响，封孔深度最多6m，15d后瓦斯抽采浓度降低到
20%以下，钻孔的有效抽采期偏短，抽采效果欠佳。
2．2带压注浆技术应用
以III3209轨巷带压注浆封孔的10个试验钻孔为例介绍应用效果，其中3# 9#孔为带压注浆试验
封孔，1#、2#和10#孔为原技术封孔。钻孔试验参数
如表2所示。各钻孔在封孔后1个月的抽采平均浓
度柱状图（如图3）。
表2试验钻孔参数
孔号1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#钻孔深度/m65656565656565656565钻孔倾角/（?）－5－5－5－5－5－5－5－5－5－5
封孔深度/m668 98 98－98－98－98－98－9
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图3钻孔平均抽采浓度柱状图
由图3可以看出，原封孔技术3个考察钻孔平均抽采浓度在23%以下，而带压注浆封孔技术平均抽采浓度在45% 80%。带压注浆封孔技术比原封孔技术的效果好，带压注浆封孔技术比原封孔技术瓦斯抽采浓度平均提高了40%左右，高浓度维持周期长，1次封孔后一般可达2个月，单孔平均多抽瓦斯量约为1036．8m3（按抽2个月算），以0．5元/ m3计算瓦斯收益，则单孔创造利润为518．4元，充分反映了带压注浆封孔技术的优越性。
3结语
（1）带压注浆封孔技术比原封孔技术瓦斯抽采浓度平均提高了40%左右，高浓度维持周期长，一次封孔后一般可达2个月，单孔平均多抽瓦斯量约为1036．8m3（按抽2个月算）。
（2）带压注浆封孔技术，增加了封孔深度，实现了封孔技术由手工向机械的转换，提高了抽采钻孔的封孔质量，保证了瓦斯抽采效果，延长了钻孔瓦斯抽采期，取得显著的经济效益与社会效益。
参考文献：
〔1〕王兆丰．我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨〔J〕．焦作工学院学报（自然科学版），2003，22（4）：
241－246．
〔2〕张仁贵，周福宝，刘兴华．矿用手动封孔泵：中国，CN200610096242．0〔P〕．2008－07－23．
〔3〕赵正均，郭胜均．KFB型矿用水泥稠浆封孔泵的研制〔J〕．矿业安全与环保，1999（2）：19－20．
〔4〕陈杰，金龙哲．关于聚氨酯封孔可提高瓦斯抽放效果的研究〔J〕．煤炭工程，2003（8）：47－49．
〔5〕刘林，廖黎．ZYF型钻孔液压封孔器的研究〔J〕．煤炭工程师，1998（6）：9－11．
作者简介：王圣程（1987－），男，河北唐山人，中国矿业大学在读硕士研究生，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究。
（收稿日期：2010－11－12；责任编辑：王福厚）
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·（第42卷第6期）试验·研究