煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究.pdf

★ 煤矿 安全 ★ 煤 矿 井 下 瓦 斯 抽 采 钻 孔 封 孔 技 术 研 究 郑 凯歌 中煤 科 工集 团西安研 究 院有 限公 司 ，陕西省 西安 市 ，7 1 0 0 7 7 摘要针 对我 国现 有煤 矿 井下 瓦斯抽 采主 要封 孔 方式 ，通过 分析 各 个封 孔方 式 的优 缺 点 ，得 出采动效应下钻孔周边裂隙发育规律研 究不透彻、封孔位置选择不合理、现有封孔技 术及 材料 不 能有 效封 堵采 动过 程 中钻孔 周 边发 育 的裂 隙是 造 成 目前 煤矿 井下 瓦斯抽 采钻 孔封 孔效 果 不佳 的主要 原 因。通过 实验 室试 验 、数值 模拟 及现 场应 用手 段相 结合 ，深化模 拟基 础 理 论研 究 ；构 建采 动过 程钻 孔 煤体 裂 隙发 育规 律 理论 与模 型 ，确定 及优 选 瓦斯抽 采钻 孔封 孔 位 置 、材 料及 装置 ；瓦斯抽 采 钻孔封 孔技 术 的 多元耦 合化 ，降低乃 至克服 各 个技 术缺 点 ，提 高封孔 质 量 ；研 发 和 改进 “ 一体 化” 封 孔装 置 ， 简化封 孔操 作 、保证 封 孔效 果 、降低 封孔 成 本 等 方 面是封 孔技 术发展 主 要 方 向。 关 键词 瓦斯抽 采封 孔 方式 裂 隙发 育 采动 效应 多元 耦合 “ 一 体化” 封 孔装 置 中图分 类 号 T D 7 1 2 ． 6 2 文 献标 识码 A S t u d y o n s e a l i n g t e c h n o l o g y o f u n d e r g r o u n d g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s o f c o a l mi n e s Zhe ng Ka i g e X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l T e c h n o l o g y E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p o r a t i o n ，X i a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e ma i n s e a l i n g m e t h o d s f o r c u r r e n t u n d e r g r o u n d g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s a t c o a l m i n e s ，wi t h t h e a n a l y s i s o n t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f ma j o r b o r e h o l e s e a l i n g me t h o d s ，i t c o n c l u d e d t h a t t h e ma i n r e a s o n s wh y s e a l i n g e f f e c t wa s n o t f a v o r a b l e wh e n m i n i n g i n c l u d e d a n i m p r o p e r s t u d y o n t h e c r a c k d e v e l o p me n t l a ws o f s u r r o u n d i n g r o c k s a l o n g t h e b o r e h o l e u n d e r t h e m i n i n g e f f e c t ，t h e i r r a t i o n a l s e l e c t i o n o f s e a l i n g p o s i t i o n a n d t h e e x i s t i n g b o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e s a n d m a t e r i a l s wi t h i ne f f e c t i v e s e a l i ng of c r a c ks i n s u r r ou ndi n g r o c ks a l o ng t he bo r e h ol e s ．i t wa s p oi nt e d o ut t h a t t he m a i n de v e l op m e n t di r e c t i on of b o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e s wo u l d l i e i n d e e p e n i n g n u me r i c a l s i mu l a t i o n c o mb i n e d wi t h f i e l d a p p l i c a t i o n me a n s a n d l a b o r a t o r y t e s t ， e s t a b l i s h i n g t h e o r i e s a n d mo d e l s o f b o r e h o l e f i s s u r e d u r i n g a c t i v e mi n i n g p r o c e s s ，d e t e r m i n i n g a n d o p t i mi z i n g b o r e h o l e s e a l i n g p o s i t i o n，m a t e r i a l s a n d d e v i c e s ，mu l t i f a c t o r c o u p l i n g o f m i n e g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s t o r e d u c e a n d o v e r c o m e v a r i o u s t e c h n i c a l s h o r t c o mi n g s ，i mp r o v i n g t h e q u a l i t y o f b o r e h o l e s e a l i n g，d e v e l o p i n g i n t e g r a t e d p l u g g i n g d e v i c e t o s i mp l i f y b o r e h o l e s e a l i n g o p e r a t i o n， e n s u r e b o r e h o l e s e a l i n g e f f e c t ，a n d r e d u c e t h e c o s t o f b o r e h o l e s e a l i n g ． Ke y wo r d s g a s d r a i n a g e ， s e a l i n g mo d e ，f r a c t u r e d e v e l o p m e n t ， mi n i n g e f f e c t ，mu l t i f a c t o r c o u p l i n g ， i n t e g r a t e d p l u g g i n g d e vj c e 由 于我 国煤 炭资 源赋 存条 件非 常 复杂 ，造成 了 煤层瓦斯赋存 的复杂性，使我 国成为世界上煤矿瓦 斯 灾 害最 为严 重 的 国家之 一 。 目前 防治 瓦斯 事故 最 主要手段就是对煤体瓦斯进行钻孔抽采 ，但是 目前 我 国许 多矿井 的瓦斯抽 采 率 和瓦斯 抽采 浓度 仍然 达 不 到 国家标 准要 求 。分析 其 主要原 因 ，一是 煤层 瓦 斯赋存及构造特征等基础工作不够完善 、瓦斯抽采 设计及方法使用不完全恰当；二是瓦斯抽采钻孑 L 封 基金项 目中煤 科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项 目 2 0 1 6 XAYMS 0 8 ，十三五重 大专项 2 0 1 6 Z X0 5 0 4 5 0 0 2 0 0 2 引 用格式 郑凯歌 ．煤矿 井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研 究 E J ]．中国煤炭 ，2 0 1 7 ，4 3 1 0 ；1 0 9 1 1 4 ． Z h e n g Ka i g e ． S t u d y o n s e a l i n g t e c h n o l o g y o f u n d e r g r o u n d g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s o f c o a l mi n e s[ J ]．C h i n a C o a l ， 2 0 1 7 ，4 3 1 0 1 0 9 11 4． 煤矿井下 瓦斯抽采钻孔封孔技术研究 1 O9 孑 L 效 果较 差 ，导致 瓦 斯抽 采浓 度及 流量 衰 减快 ，不 能达 到 预期 抽采 要求 。因此 ，提 高瓦斯 抽 采钻 孔 的 封孑 L 质量 是 保 证 井 下 瓦 斯 抽 采 安 全 高 效 的 基 础 保 障 。本 文通 过对 我 国 目前 煤矿 井 下瓦 斯抽 采钻 孔 主 要封 孑 L 方 法 进行 分析 和 总结 ，提 出 了提 高瓦斯 抽 采 钻孔 封孔 质 量 的技术 及装 置对 策 ，以期 实现 提高 瓦 斯抽 采浓 度 和抽 采效 率 的 目标 ，为矿 区安 全 高效 生 产 提供 有效 的技 术支 持 。 1 煤 矿井 下瓦 斯抽 采钻 孔 主要 封孔 方式 1 ． 1 材 料 式封 孔 方式 1 粘土封孔。我国最早采用粘土封孔作为主 要封孑 L 方式 ，现小型煤矿偶有见到。其主要是将封 孔粘土送至抽采 管及钻孔 之间 的环 形空 间，每隔 0 ． 5 ～1 ． 0 m 用木塞压实。在孔 口 1 ． 0 m 左右处用 水 泥浆 封堵 ，固结后 即完成 封孔 ，如 图 1 所 示 。该 种 方法 封孔 的优 点 是封 孔材 料价 格低 。 抽 采 系 统 抽 图 1粘 土 封 孔 不 意 图 2 水 泥封孔 。随着 封孔 工 艺 的进 步 ，粘 土封 孑 L 方 法 的缺点 愈加 明显 ，在此 基础 上 ，提 出 了待钻 孑 L 成孔后 ，在抽采管两端用实体物或棉纱封堵 ，送 入 孔 内后 ，按 照 一 定 比例 将 水 泥 熟 料 和 水 进 行 配 比，利用注浆泵注入钻孔 ，完成封孔 ，水泥封孑 L 示 意 图见 图 2 。该 方 法 的优点 是 水 泥熟 料 封 孔 材 料来 源 广泛 ，价 格低 廉 ，抽 采效果 要 远好 于粘 土 封孔 。 图 2水 泥 封 孔 不 意 图 3 聚氨酯封孑 L 。聚氨酯封孔方法主要是将封 孔 A料和 B料按照一定 比例调配均匀搅拌后注入 抽 采钻 孔 内 ，经 过 一 定 时 间 后 ，聚 氨 酯 发 泡 膨 胀 ， 在 钻 孔与 抽采 管 问产 生 1 ～2 MP a的径 向压 力 ，促 使聚氨酯进入周边裂隙，从而实现对瓦斯抽采钻孔 的封 堵 。使用 方式 主要 有 卷缠 药 液法 和压 注药 液法 两 种 ，如 图 3所示 。其 优 点 主要是 封孔 时 间短 、发 泡倍数高及轻度受压情况下不易变形等。相关研究 1 】 O 学者 针对 聚 氨酯 封 孔 材料 存 在 的 问题 还 进 行 了 P D 材 料 、树 脂 锚 固 剂 的试 验 ，虽 然 有 一 定 的 技 术 改 进 ，但 整体 仍不 明显 。 瓦斯 a 卷缠药液法 b 注 药j覆法 图 3聚氨酯封孑 L 示 意图 1 ． 2 “ 两堵 一 注”封 孔 方式 “ 两堵 一 注”封 孔 方 法 主 要 有 囊 袋 式 和 聚 氨 酯 式 两 种 ，其基 本 原理 是先 在封 孑 L 段 的两端 用袋 装 聚 氨酯或者膨胀囊袋作为堵头 ，待堵头形成后 ，再通 过注浆管对堵头封堵段之间的环空位 置进行 注浆 ， 在 注 浆压 力 的作用 下 ，注浆液 向煤壁 渗透 并 填充 周 围裂 隙 ， 实 现抽 采 钻孔 封孔 ，该封 孑 L 方 式 的优 点 是 能够 实现 灵 活调 整封 孔参 数 以及 实现 封孔 段 与孔 壁 的紧密结合 ，且在注浆压力足够大的情况 ，注浆液 可在 膨胀 压 力 的作用 下进 入煤 壁 裂 隙 ，材 料 凝 固后 在地 应力 的作用 下 可形 成应 力集 中区域 ，减 少漏 气 通道 ，提高 封孔 段 的密 闭 性 。 “ 两 堵一 注 ”封 孔 技 术 如 图 4所 示 。 聚氨酯或 聚氨酯或 膨胀囊袋 水泥_铊 膨胀褒袋 抽采室 羞离孽垂塞舞 钻 孔 壁 拙采管注浆管 图 4 “ 两堵一注”封 孔示意图 1 ． 3 圣 于 孑 乙器圣 于 孑 L 封 隔器封 孔方 式 主要 分胶 圈 和胶囊 两 种 ，如 图 5所 示 。 其 中胶 圈 封 隔 器 原 理 为 当 压 紧 螺 帽 拧 紧 后 ，外套管发生相对运动压缩胶圈，促使胶圈发生 径 向位移 ，直至封堵 抽采管 与钻孔之 间的环空 空 间 ；胶囊 封孔 器 原理 为通 过 外力 挤压 封孔 胶 囊使 其 膨胀 ，直至充满钻孑 L 空间。部分学者也提 出了充气 式和注浆式囊 袋封孑 L ，前端连接充气或注浆装置 ， 通过充气设 备或注浆设备将 囊袋充 满直至完 成封 孔 。其 优点 是封 孔快 速 、操 作过 程 简单 等 。 中 国煤 炭 第 4 3卷 第 1 0期 2 0 l 7年 1 0月 a 胶 圈封孔器 操作杆 表 b 胶囊封孔 器 图 5 封 孑 L 器 封 孔 示 意 图 1 ． 4二 次封 孔技 术 二 次 封孔 技术 是 由 中国矿业 大 学周 福宝 及其 团 队 于 2 0 0 7年 首 次提 出 ，后 经过 长 期 的研 发 和 工 程 试 验取 得 了 良好 的抽采 钻孔 封孑 L 效果 。该 封孔 技 术 主要分 2个 阶段 ，如 图 6 所 示 。第一 阶 段是将 卷 缠 聚合发 泡 材料 的抽 采 管送 至 巷 道 松 动 圈 以外 位 置 ， 抽 采一 定 时间后 ，随着 回采 面 的推进 和地 应力 的综 合 作用 ，煤 层会 发 生变 形 和蠕 动位移 ，进 而导 致 钻 孑 L 周边 煤层 的孑 L 裂 隙扩 张 、发育 ，外 界 空气 由 裂隙进入抽采管内，使得抽采浓度快速下降 ，即进 入第 二 次封 孔 阶段 。 抽采管 。t 麓 L／ 一 J 1 ； r 嘲 ＼ ＼ 一 一 、 _． 褡鞋 鸳 ＼花 管 、 一 l 、2 a 第一 次封孔 阶段 苍 ， 铺 孑 ， ； - ； 厂 ] 篮 ， 豫 ■‘ 一 - _ J 1 ． _， ＼ ＼ ＼荏 管 b 第 二次封 孔阶段 图 6 二 次 封 孔 示 意 图 第 二 阶 段 主 要 是 利 用 高 压 空 气 0 ． 2～ 0 ． 3 MP a 将 由水 泥 、黄 泥 、石 灰 、石 膏粉 和 淀 粉 等细料按照一定比例混合的微细膨胀粉料吹人钻孔 内 ，直至 微细 膨胀 粉料 充满 钻孑 L 与抽 采 管 的环空 空 间 ，采 用 速凝 水泥 密封 钻孔 孔 口，完 成第 二 阶段 封 煤 矿 井 下 瓦 斯 抽 采 钻 孔 封 孔 技 术 研 究 孔 。混合配 比后的封孔微细膨胀粉料在抽采负压作 用 下渗人 钻 孑 L 周 围 的 裂 隙 内 ，提 高 了裂 隙 封 堵 效 果 ，降低 了孔 内漏风量 ，从而提 高 了瓦斯抽 采浓 度 ，改善 了瓦斯抽 采 效果 。 2现有 封孔 方式 存在 的 问题 上述 封孔 方式 均 有 自己 的优点 ，在 不 同的 区域 内得 到 了相 应 的推 广 应 用 ，但 目前 我 国 约有 6 5 的回采工 作 面 瓦斯 抽 采 钻 孔 的预 抽 瓦 斯 浓 度 低 于 3 O ％ ，这 充分 反 映 了抽 放 钻 孔 密 封 质 量 差 的 现状 ， 间接 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 问题 2 ． 1 ． 1 粘 土封孔 方 式 1 该封 孔方 法 工艺精 度要 求较 高 ，稍有 疏 忽 易导致封孑 L 效果受损严重，整体密封性不强 ，工人 的 劳动强 度较 大 。 2 当粘 土过 软 时 ，常 会粘 结在 孔壁 上 ，而导 致封 孔料 达不 到预 定 的封孑 L 位置 ，且 易形 成空 腔 与 裂 隙 ，使 封 孔 失 败 ，一 定 程 度 上 限制 了 封 孑 L 段 长 度 ；过硬 时易形 成 裂缝 ，导 致抽 采浓 度 降低 。 2 ． 1 ． 2 水 泥砂 浆封孔 方 式 1 水 泥砂 浆 在凝 固过 程 中易脱 水 收缩 ，导致 砂 浆 内部 产生裂 纹 ，且凝 结 固化 速度 慢 ，导致 有效 封孔 时间 长 ，降低 钻孑 L 的密 封性及 施 工效 率 。虽然 加入 速凝 剂等 添加 剂优 化后 能改 善该 现象 ，但 速凝 剂的加 入，会 降低水 泥 的强度 ，且其具有 一定毒 性 ，对 人 身危 害较 大 。 2 虽 然许 多学 者提 出通过在 水 泥砂浆 中加入 膨胀剂 、聚合物等材料来降低其收缩程度 ，但是当 钻 孔倾 角较 小时 ，在 水平 及 近水平 钻孑 L 中仍 会在 钻 孔 上方 形成 月牙 状空 隙 ，且对 钻孔 围 岩裂 隙的封 堵 也 有 限 ，封 孔质 量受 到影 响 。 3 该 方法 需连续 注 浆 ，现 场施 工 时 ，需 2 ～ 3名 工人迅 速进 行 水 泥 砂 浆 配 比，1名 工 人 利 用 注 浆 泵 向孔 内进行 连续 注浆 。该 方法 需大 量 的人力 和 物力，增加 了注浆泵 等外力装 置，施工工艺 较复 杂 。 2 ． 1 ． 3 聚 氨酯 封孔 方 式 1 现 有 聚 氨 酯 材 料 发 泡 时 间 一 般 为 1 0 ～ 3 0 0 s ，如 需 进 行 参 数 调 整 ，成 本 较 高 ，在 钻 孔 缩 径位 置或 长距 离封 孔 时 ，常会 出现 在未送 到指 定位 置前 ，聚氨酯 材料 已经 发泡 、膨 胀 ，严重 影 响封孔 1 1 1 质量 。 2 聚 氨酯 固结 后 ，其 整体抗 压 强度 较低 ，透 气压 力一 般低 于 2 ． 0 MP a ，在 工作 面 回采 过 程 中 ， 在地 应 力 的作用 下 ，钻孔 周 围会 发生 应力 集 中及 卸 压现 象 ，导 致聚 氨酯 封孑 L 位 置发 生形 变及 损 伤 而 出 现漏 气 现象 ，抽 采浓 度也 会 随之 下降 。 3 聚氨酯是一种高分子聚合 ，其膨胀及凝结 过程 中会放 出大 量 的热 ，导 致材 料升 温快 ，甚 至可 达 1 5 0℃ 以上 。材 料 中 的低 闪 点 成分 易 氧 化 冒烟 甚 至着 火 ，进 而导 致煤 体 自燃或 瓦斯 爆 炸 ；在 自重 应力 的作用 下 ，聚 氨酯 封堵 上倾 钻孔 时 径 向膨胀 力 降低 ，导致 钻孔 周 围裂 隙封 堵效 果不 好 ，影 响抽 采 效 果 。 4 当孔 内有 积水 及湿 度较 大 时会 导致 减 少聚 氨酯的发泡倍数 ，降低固化强度 ，严重影响封孔质 量 。 2 ． 2 “ 两堵 一注 ”封 孔存 在 的 问题 1 聚氨 酯 作 为 堵 头 的 “ 两 堵 一 注 ” 封 孑 L 技 术 ，由于 聚氨酯 膨 胀 时间 的难 控性 ，容 易 出现 整体 封 孔不 到 位 等 问 题 。另 囊 袋 及 聚 氨 酯 堵 头 强 度 较 低 ，限制 了注浆压力 ，导致封孑 L 材料径 向压力 降 低 ，不能充分封堵钻孔裂隙及损伤部位 。目前一些 学 者提 出 了 “ 两堵 一 注”带 压 封孔 方式 及装 置 ，但 实 际上 受 两端 堵头 强度 的限制 ，注 浆压 力不 高 ，甚 至不带 压 封孔 ，暂 不 能使钻 孔 裂 隙达 到完 全密 封 的 作 用 ，无 法达 到高 径 向封堵 力 的 目的 。 2 随着开采深度 的不断加深 ，地应力作 用愈加 明显，当巷道形成后 ，在地应力作用下，煤体发生了 应力集 中及卸 压现象 ，导致煤体 受多重 损伤破坏 及蠕 变破坏 。现有理论研究很难确定 合理 的封孔始深 度及 长度 ，多凭现场经验 和地 质条件等 因素来判 断 ，导致 难以有 效地实现裂 隙带 内抽 采钻孔 段 的密封 ，最终导 致瓦斯 抽采浓 度低 、衰减速度快等现象 。 2 ． 3 封 孔 器封孔 存 在 的 问题 1 实 践表 明 ，胶 圈 和胶囊 这 两 种 封孔 器 仅 适 用 于钻孔 围岩细 密 、稳定 性 较好 及裂 隙 不发 育 的岩 层 当 中。其 封孔 方式 仅 与孔 壁物 理接 触 ，当封孔 段 存 在裂 隙 时极 易形 成瓦 斯 的泄漏 通道 ，一般 只能 用 于 临时性 封 孔 ，难 以广 泛推 广 。 2 封 孔器 整 体价 位较 高 ，封孔 深 度浅 ，且 多 为 一次 性使 用 ，不 能 回收重 复 利用 ，大 大增 加 了封 孔 成本 。使 用 过程 中易 出现 密 封段压 力 大 、橡胶 胶 囊 老化 等 现象 ，导 致密 封性 能 降低 ，在 抽采 负压 的 1 1 2 作 用下 ，与空气 沟 通 ，降低 抽 采浓 度及 效率 。 2 ． 4 二 次封孔技 术存在 的 问题 1 一 次封 孑 L 后注 浆 固结后 ，导 出细料 的 花管 存在被封堵的风险较大 ，易造成细料在管 内堵塞 ， 影 响封 孔效 果 。 2 二 次封 孑 L 工艺 对微 细膨 胀粉 料 的配 比及粒 径精度要求高 ，需专业人员进行操作，受人为因素 影响较大 ，需要二次封孑 L 操作 ，工艺较为复杂。 3 井 下水 文 地质 条件 复 杂 ，湿度 较 高 ，二次 封 孔使 用 的微 细 膨 胀 粉 料 遇 水 或 受 潮 时 易 发 生 结 块 ，从 而 导致 微细 膨胀 粉料 不 能有 效进 入钻 孑 L 周边 煤体内的孔 隙、裂隙内，会严重影响二次封孑 L 法的 封 孔效 果 。 3 井下 瓦斯抽 采 钻孔 封孔 技 术发展 对 策 随着 煤矿 开采 逐 步 向深部 延伸 ，地应 力 和瓦 斯 压力都呈现出增大 的趋势 ，煤层出现了碎软性 、高 瓦斯 、低 透性 、易 突 出等 特点 ，与之 相关 的瓦 斯 灾 害也 日趋 复杂 和严 重 。作 为 瓦斯 治理 主要 途径 的钻 孔瓦斯 抽 采 ，面 临 巨大 的威胁 和挑 战 ，而决定 瓦 斯 抽采效果的关键环节是封孑 L 效果 ，钻孑 L 封孑 L 效果直 接决 定 了 采 掘 接 替 周 期 和 矿 井 生 产 的安 全 性 。因 此 ，需要 相关 科学 研 究者 沿 着前 人 的研究 成果 ，积 极 前 进 ，解 决 现 有 存 在 的难 题 ，不 断 优 化 封 孑 L 技 术 ，提高 抽 采效 果 。笔者 认 为今 后 的研究 工 作应 着 力 于 以下 几个 方 面 。 3 ． 1 模 拟理 论基 础研 究 数学方法、科学试验和数值模拟是最常用、最 有效 的理 论研 究 方 法 。瓦 斯 钻 孑 L 封 孑 L 过 程 涉及 固 、 气、水三相的耦合 ，具有较强的复杂性 ，而仅依靠 数学 方法 很 难准 确揭 示其 真 实物 理过 程 。仿 真试 验 是研 究 流 、 固体 力 学 的基 础 方 法 ，其 结 果 可 靠 性 强 ，是数值模拟的基础 ，而数值模拟能够解决难 以 开展 仿 真试 验 的研究 ，两者 是相 互联 系 、相 互促 进 的 。通 过 收集 国 内外文 献分 析后 可 知 进行 仿 真模 拟试 验 的一 般 没有 开展 数值 模 拟 ，而开 展数 值模 拟 的往往 没有 进行 仿 真试 验验 证 ，这些 都 阻碍 了基 础 理 论 的进 步 。 随着仿真试验设 备的改进 、试验条件的完善 、 试验技术水平的提高 、大型商业化流一固体力学数 值 模 拟软 件 的开发 、计算 机应 用 和传感 器 技术 的 进 步 ，为瓦 斯抽 采钻 孑 L 封孑 L 过程 的研 究 提供 了技 术 支 撑 。以后 的研 究 ，应将 仿 真模 拟试 验 和数 值模 拟 有 中 国煤 炭 第 4 3卷 第 1 0期 2 0 l 7年 1 0月 机结合 ，通过相似性 、可重复性的试验 ，为数值模 拟 提供 更 合理 的参 数支 持 ，通 过数 值模 拟获 得更 全 面的 流场 信息 ，优 化试 验 方案 ，不 断将 理论 研究 向 前 推进 。笔者 认 为 可 利 用 建 立 围 压条 件 下 气 、液 、 固三相 耦合 的数学 模 型 ，采 用 ANS YS 、C OMS OL 等 适合 多 物理 场耦 合模 拟 的软件 来 开展数 值模 拟研 究 。对 于 瓦斯 抽采 钻孔 封孔 机理 研究 ，应 将 实验 室 试 验 、数值 模 拟 和现代 测量 技术 结 合起来 ，才能 真 正 实 现 由定 性 解释 向定 量描 述发 展 。 3 ． 2 采 动 效 应 下 钻 孔 煤 体 裂 隙 发 育 规 律 理 论 与 模 型 钻 孔 裂隙 在采 动过 程 中 的发 育 规律是 优 化钻孔 布 置 、材料 及 装置 选择 的重 要依 据 。 目前 研究 工作 多 集 中在煤 的渗透 属性 、原 始孔 裂 隙特征 等 基本规 律研究 ，并未综合考虑随着煤体开采产生应力集中 和卸压效应导致的煤体变形破裂 的不断变化以致形 成复杂裂隙网络对钻孔封孑 L 效果 的影响 ，因而无法 准 确确 定 瓦斯抽 采 钻孔 封孔 位置 、材 料及 装 置 。而 开 采导 致 的高 密度 、高 联通 度 的采 动裂 隙 ，与巷道 形 成联 通 ，在抽 采 负 压 作 用 下 空 气进 入抽 采 管 路 ， 导 致抽 采浓 度 降低 。 目前还 没有 合适 的理 论来 定量 描述这种裂隙产生机理 ，以致没有合适的评价方法 和 体 系来 对 封 孑 L 位 置 、材 料 及 装 置 进 行 优 选 。 因 此 ，如 何定 量 准确评 价 采动 过程 中煤 体 的裂 隙发育 规 律和 特征 ，尤 其是 基 于采 动效 应下 裂 隙发育 的几 何 特征 和规 律 的评价 模 型 ，是 煤 矿井 下瓦 斯抽 采钻 孔 封孔技 术 研究 所 面临 的一个 重 要基 础科 学 问题 。 3 ． 3 瓦斯抽 采 钻孔 封孔 技 术的 多元耦 合 化 1 有 机 一无机 材料 及带 压 注人技 术 的多元 耦 合 。现有 有 机材 料具 有膨 胀倍 数 高 、固结 速度 快等 特点 ，完全适合作封堵堵头 ；无机材料与煤层之间 具 有 较好 的亲 和力 ，易充 填孔 壁 裂隙 ，增 强煤体 强 度 ，且在带压注入技术的综合作用下 ，提高了封孑 L 径 向压力 ，保 证 了裂 隙封 堵效 果 。但现 有有 机材 料 存 在 固结 后孔 隙 发育 ，强 度低 的缺 点 ，限制 了注入 压 力 ，需 研 究 人 员 进 行 技 术 攻 关 ，对 有 机 材 料 强 度 、气密性等进行改性研发，开发高强度、高径 向 作 用 力 的两端 封堵 新 材料 ，确 保两 端封 堵材 料 的强 度 性 能 ；对无 机材 料应 在保 证 强度及 亲 和力 的前 提 下 ，提高凝 结 速率 ，改进 现有 注浆装 置 ，提 高注 浆 径 向压 力 。 2 囊袋堵头一带压注浆技术及二次封孔方法 的多元 耦合 。在封 孔管 两端 装入 囊袋 ，囊 袋堵 头 利 煤 矿 井 下 瓦 斯 抽 采 钻 孔 封 孔 技 术 研 究 用 注浆管 向囊 袋 注 浆 形 成 ，具 有 更 强 的支 护作 用 ， 能 够实 现任 意角度 的注浆且 封 堵效果 好 ，注 浆压 力 可 提高 到 2 MP a以上 ；堵 头 形 成 后 利 用 高压 注 浆 设 备将无 机封 孔材 料 注入封 孑 L 段 ；在孔 口留有 微 细 膨胀 粉料 注入 管 ，如 出现钻 孑 L 浓度 明显 衰减 ，在 未 回采 结束 的情 况下 ，进 行钻 孔 二次封 孔处 理 ，保证 抽采 效果 。 3 ． 4 “ 一体 化” 封孔 装 置的研 发和 改进 现有 封孔 装置 主要 采用“ 两堵一 注 ” 的封 孔 工 艺 ，通过 改变 堵头 的 密封性 ，更 换或 者 提高 现有封 孔液 的性 能 ，通过 外力 设备 提供 压力 注入 的手 段进 行封 孔 。其整 体封 孑 L 液 与封 孑 L 装 置 为分离 状态 ，整 体操 作要求 高 、施 工 复杂 、成本 较 高 ，现场很 难 达 到理 论封 孔 要 求 。需 要 研 发 集 “自胀 式 封 孔 液 ” 、 “ 瓦斯 抽采 管 ” 、 “ 封 堵头 ”三 位 一体 的煤 矿 井下 瓦 斯 抽 采钻孔 封 孑 L 装 置 ，可通 过简 单 的人 为操作 完成 封孔 。在简化封孔操作 、保证封孑 L 效果 、降低封孑 L 成 本 的前 提下 ，还需 专业 领 域研 究人 才进 行深入 研 究 和 探讨 。笔 者通 过现 场试 验 ，结合 现有 理论基 础 提 出了一种 “ 一体化 ” 封孑 L 装 置 ，装 置 主体 由内花 管 及镶 套在 其外 面并 可 沿其 滑动 直线 式 或可旋 转 式 的外花 管再 加上 两端 囊袋 、抽采 管上 的搅拌 片 等 组成 。其 囊袋 和管 内均装满 自膨 胀封 孔 料 ，并 带 有 隔层 ，且 保证 囊袋 内料 反应 速度 远快 于 管 内 ，待 所 有短 节连 接 后 ，通 过 使 用 手柄 带 动搅 拌 片 旋 转 ， 进 而使 隔层 破碎 ，A、B料 混合 并 随 着 搅拌 片 的搅 动 而均 匀混 合 。通过 拧 紧 螺母 或 旋 转 开 关 ，使 外 花管 相对 内花 管滑 动 ，从而 使两 层花 管 中的各 孔 连 接 ，形成 A、B料 反应后 流 向钻 孔 的通 道 ，完 成 封 孔工 作 ，该装 置 已经 申请 专 利并 公开 。“ 一体 化” 封 孔装 置如 图 7所示 。 4 结语 1 通 过对 现有 封孔技 术 的研究 发 现 ，要改 善 煤 矿井 下瓦斯 抽采 钻 孔 的封孔 效果 ，提 高瓦斯 抽 采 效 率 ，应 综合 考 虑煤 的非 均质 性和各 向异性 、孑 L 隙 和 裂隙发 育 、煤对 瓦斯 的吸附作 用 等特 征 ，建 立 一 套模 拟 围压条 件下 的井 下煤 层 瓦斯抽 采 钻孔封 孑 L 工 艺物 理模 拟试 验平 台 ，综合 运 用数 值 模 拟 、地 球 物 理 和参数 敏感 性分 析 与优化 等技 术 ，对模 型 的建立 参数进行反演 ，以确定封孑 L 模型中各种因素的重要 性 和合理 参数 ，形 成对 特定 工程 有效 的 瓦斯抽 采钻 孑 L 参 数预 测模 型 。 ] ] 3 a 装置整体削面图 b 结构结果示意图 图 7 “ 一体 化”封孔装置示意 图 2 应 掌握 采 动效应 作 用下 钻孔 周 边裂 隙 的发 育 规律 ，通 过合 理 的定量 描 述 ，结合 合适 的评 价 方 法和体系 ，综合 考虑数值模 拟及仿 真模拟试 验结 果 ，优 选 出合 理 的 始 封 深 度 和 封 孔 长 度 、材 料 及 装 置 。 3 采 用带 压 注浆 技术 与有 机 一无 机材 料或 囊 袋堵头的注浆材料的多元耦合 ，在不断完善改进各 单 项技 术 的基础 上 ，实 现不 同封 孔方 法 手段 的集 成 化和多元化，形成优势互补 。另 可研 发 “ 一体化 ” 封孔装置 ，简化封孔操作 ，提 高封孑 L 质量 ，但对 “ 一 体 化” 封孔 装 置 的研 发 和改 进 工 作 刚进 入 起 步 阶段 ，需 要专 业领 域人 才发 挥 主观 能动 性进 行创 新 和改 进 ，以期 实现 良好 的瓦斯 抽采 钻孑 L 封孑 L 效 果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 林 柏泉 ．矿井瓦斯 防治理论 与技术 [ M]．徐州 中 国矿业大学 出版社 ，2 0 1 0 [ 2 ] 程远平 ，付建华 ，俞 启 香 ．中 国煤 矿 瓦斯抽 采技 术 的发展 F J ]．采矿 与安全工程学报 ，2 0 0 9 2 [ 3 ] 申宝宏 ，刘见 中 ，张泓 ．我 国煤矿 瓦斯 治 理的技 术 对策 [ J ]． 煤 炭学报 ，2 0 0 7 7 [ 4 ] 葛兆龙，梅绪东 ，贾 亚杰 ．高压水射流割缝钻孔抽采 影响半 径研究 I- J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 1 4 4 I S ] 王勇 ，杨毕 ，姚荐 达 ．割缝 钻孑 L 水 压 致裂 增透 过程 的数值模拟 E J ]．煤炭技术 ，2 o 1 4 9 E 6 3 黄鑫业 ，蒋承 林 ．本 煤层 瓦斯抽 采钻 孔带 压封 孔技 术研究 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 1 1 0 E 7 ] 方前程 ，黄 渊跃 ，刘学 服 ．坦家 冲矿 瓦斯 抽采 钻孔 封孔 工艺技术研究 l- J ]．中国煤炭 ，2 0 1 2 2 [ 8 ] 王 兆丰 ，武炜 ．煤 矿瓦 斯抽采 钻孔 主要 封孔 方式 剖 析研究 [ 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