天固封孔材料试验效果分析报告

国投新集能源股份有限公司地勘公司GUO TOU XIN JI NENG YUAN GU FEN YOU XIAN GONG SI DI KAN GONG SI
天固封孔材料试验效果
分析报告
二○一三年十月
天固封孔材料试验效果分析报告为进一步提高钻孔瓦斯抽采效果，执行公司技术经济一体化的企业管理理念。

针对天固封孔材料全程封孔，天固封孔袋配合水泥浆封孔，聚胺酯全程封孔，聚胺酯配合水泥浆等四种封孔工艺，分别在新集一矿、新集二矿、口孜东矿、刘庄矿进行了试验。

从试验煤层瓦斯基础参数、瓦斯浓度及其衰减程度等进行对比，并收集四种封孔方法所用封材料的量，计算其单孔的封孔成本，对比分析确定封孔效果较好、封孔成本较低的封孔工艺。

1 封孔工艺流程
1.1天固封孔材料全程封孔
试连接一根24m的Φ63mm PE封孔管进行探孔，然后取出分为两至多段，将下入孔内里端的一段从最里端后退1m扎上2组天固封孔袋，快速插入孔内并连接另一段封孔管，将封孔管下臵到位。

孔口下入一根4m 的4分注浆管，外露管头接一根0.3m的6分软管，在大管上部紧靠封孔管送入孔内，孔口0.5m段用天固封孔袋封堵，也可用编织袋包裹桶装天固封堵，用ZBQS-10/4矿用气动双液注浆泵注天固封孔材料AB组分，注浆结束后将6分软管扎紧，及时退出注浆泵并清洗。

1.2天固封孔材料配合水泥浆封孔
试连接一根24m的Φ63mm PE封孔管进行探孔，然后取出分为两至多段，将下入孔内里端的一段从最里端后退1m扎上2组天固封孔袋，快速插入孔内并连接另一段封孔管，将封孔管下臵到位。

孔口下入一根注浆管（4m的4分管，在大管下部）和一根返浆管（4m的4分管，外露管头接一根0.3m的6分软管，在大管上部）紧靠封孔管送入孔内，孔口0.5m段用2组天固封孔袋封堵，也可用编织袋包裹桶装天固封堵，且用水泥团抹平封实。

注浆泵联接注浆管注浆，待水泥浆液从返浆管顶部的6分软管返浆后，用8#铁丝将返浆管软管扎实（确保不漏浆液），退出注
浆泵。

1.3 聚胺酯全程封孔
试连接一根24m的Φ63mm PE封孔管进行探孔，然后取出分为两至多段，将下入孔内里端的一段从最里端后退1m裹上麻袋（或编织袋），麻袋两头用铁丝扎紧并倒入聚氨酯进行封堵（3组），快速插入孔内并连接另一段封孔管，将封孔管下臵到位（里端封孔时要多加些编织袋或麻袋、棉纱一类的，防止水泥浆进入孔底封实钻孔）。

孔口下入一根注浆管（4m的4分管，在大管下部）紧靠封孔管送入孔内，使用压风将聚氨酯AB药各一桶打入孔内（下斜孔可将AB药混合后灌入孔内），孔口0.5m 段用聚氨酯封堵（3组），且用水泥团抹平封实。

1.4 聚氨酯封孔材料配合水泥浆封孔
注浆前，试连接一根22m的Φ63mm PE封孔管进行探孔，然后取出分为两至多段，将下入孔内里端的一段从最里端后退1m裹上麻袋（或编织袋），麻袋两头用铁丝扎紧并倒入聚氨酯进行封堵（3组），快速插入孔内并连接另一段封孔管，将封孔管下臵到位（里端封孔时要多加些编织袋或麻袋、棉纱一类的，防止水泥浆进入孔底封实钻孔）。

孔口下入一根注浆管（4m的4分管，在大管下部）和一根返浆管（4m的4分管，外露管头接一根0.3m的6分软管，在大管上部）紧靠封孔管送入孔内，孔口0.5m段用聚氨酯封堵（3组），且用水泥团抹平封实。

注浆泵联接注浆管注浆，待水泥浆液从返浆管顶部的6分软管返浆后，用8#铁丝将返浆管软管扎实（确保不漏浆液），退出注浆泵。

2 封孔材料及设备
2.1封孔材料性能简介
通过桶装天固、天固封孔袋、桶装聚氨酯（慢性）、袋装聚氨酯（快速）四类泡沫封孔材料分别在新集一矿、新集二矿检修车间进行地面试验，通过试验观测及计算得出实验结果如下：
1、试验环境：温度T=32℃，气压P=100.65Kpa
2、试验结果
表2.1 封孔材料性能试验结果
2.2 天固封孔材料简介
天固封孔材料是中煤科工集团重庆研究院针对井下瓦斯抽采浓度不高而专门研发的一种改性聚脲酸酯泡沫材料。

由两种组分构成，封孔时两种组分以1：1的体积比均匀混合，通过ZBQS-10/4矿用气动双液注浆泵注入到煤矿瓦斯钻孔的指定深度，现场反应固化，能够很好的起到瓦斯钻孔密封的作用。

2.3 ZBQS-10/4矿用气动双液注浆泵简介
ZBQS-10/4矿用气动双液注浆泵（以下简称注浆泵），主要配套天固封孔材料用于井下瓦斯抽放钻孔封孔。

注浆泵采用压缩空气作为主要动力，使用方便、安全可靠。

注浆泵与天固封孔材料配合使用，可以确保瓦斯钻孔的密封性、实现瓦斯封孔操作和封孔质量的可重复性。

3 新集一矿试验情况
3.1 试验地点
131305风巷19钻场
3.2 试验地点瓦斯地质概况
1、13煤层赋存基本情况：黑色，块状、条带状，内生裂隙发育，半亮型煤为主，结构比较复杂，大部分含2～3层夹矸，靠近上部夹矸发育1～2层不稳定，厚约0～0.7m，平均厚度约0.26m；下部夹矸比较稳定，岩性为黑色的泥岩或碳质泥岩，是13-1煤层与13-1下煤层的分层夹矸，约0.26～0.65m，平均厚度约0.60m； 13-1煤厚度较为稳定，全煤厚2.78～6.89m，平均厚度为5.40m，平均纯煤厚度5.12m；13-1下厚度不稳定，纯煤厚0.50～2.29m，平均厚度1.28m。

2、13煤层瓦斯参数：根据《新集一矿131305工作面抽采达标评价报告》，工作面原始瓦斯含量11.02m3/t，原始瓦斯压力为1.7MPa（绝对压力）；2009年～2011年，先后采用地面钻井及井下穿层孔联合治理的方法，瓦斯治理取得了较好的效果。

现131305工作面残余瓦斯压力0.3Mpa，残余含量2.06～4.37m3/t，在机巷进料联巷施工钻孔期间，均无顶钻、喷孔等瓦斯动力现象。

预计工作面回采期间相对瓦斯涌出量为2.06～4.37 m3/t，绝对瓦斯涌出量8.58～18.2 m3/min；13煤坚固性系数f=0.64～0.97，透气性系数λ=0.0364 m2/MPa2〃d。

3、131305工作面瓦斯涌出的主要来源：本煤层煤体含有的瓦斯、下伏老塘及邻近层煤体涌出的瓦斯。

3.3 试验结果
由于该实验开始时间较迟（8月5日开始），注浆泵易堵，所实验钻孔数量较少，仅做了6个孔（孔号为7、10、11、26、29、33）时，该
面的顺层钻孔就全部施工完毕了。

1、各钻孔瓦斯浓度综合对比，如图3.1。

2、各钻孔最大浓度对比，如图3.2。

3、各钻孔瓦斯浓度衰减率对比，如图3.3。

图3.1 各孔瓦斯浓度变化综合对比图
图3.2 各孔最大浓度对比图
图3.3 各孔瓦斯浓度衰减率对比图
3.4 结果分析
1、使用天固材料封孔的初始浓度比未使用的高了1.78倍；
2、使用天固材料封孔的瓦斯浓度均无衰减，目前仍在增长之中；
3、到目前为止，使用天固材料封孔的瓦斯浓度仍在增长的占到100%，而其他的占到75.86%。

4 新集二矿试验情况
4.1 试验地点
210106风巷7#钻场
4.2 试验地点瓦斯地质概况
210106工作面内1煤、1上煤总体为倾向NNE的单斜构造，倾向一般为10～54，°一般煤层倾角在7～11°之间，平均倾角9°左右，局部受地质构造影响倾角变化较大。

由于受古沉积环境影响，1煤组局部受冲刷较为严重，造成1上煤缺失，1煤变薄。

预计1上煤风巷尖灭范围；从2101运煤上山拨门施工至180m左右；机巷尖灭范围：从2101运煤上山拨门施工至337m的位臵和从457m位臵施工至675m的位臵。

在1上煤尖灭及出现地段顶板岩性变化大，煤层倾角、厚度变化较大，裂隙较发育且构造较多。

（1）1煤：黑色、碎块状～粒状为主，块状次之，内生裂隙较发育，局部裂隙充填黄铁矿膜，弱玻璃光泽，以亮煤为主、暗煤次之，少量镜煤，属半亮型煤。

工作面内1煤层厚度基本稳定，厚度0.1～5.0m，平均3.5m，局部可能尖灭，尖灭及发育段煤层产状变化较大。

上距1上煤0～2.2m，平均1.1m左右。

煤层坚固性系数f=0.78～1.43，局部较小。

一般煤层倾角在7～14°，平均9°，局部受地质构造和冲刷影响倾角大于20°。

（2）1上煤：黑色、块状～片状，内生裂隙较发育，局部裂隙充填黄铁矿膜，弱玻璃光泽，以亮煤为主、暗煤次之，少量镜煤，属半亮型煤。

1上煤厚度0～4.8m，平均3.1m。

煤层结构较简单，受冲刷影响，1上煤局部尖灭，煤层厚度变化较大。

上距4-2煤76.30～96.20m，平均85.2m。

煤层坚固性系数f=0.78～1.43。

一般煤层倾角在7～14°，平均9°，局部受地质构造和冲刷影响倾角变化较大。

210106工作面最大煤层原始瓦斯含量为4.9m3/t。

4.3 试验结果
1、210106风巷7#钻场各钻孔瓦斯抽采浓度统计，如表4.1。

2、210106风巷7#钻场各钻孔瓦斯抽采浓度曲线，如图4.1。

4.4 结果分析
通过抽排区提供的钻孔瓦斯浓度数据，并形成曲线分析，此三种封孔方法抽采浓度无明显区别。

瓦斯浓度最高的为2#孔（8月17日中班封孔，8月20日早27.2%，9月6日中15.6%）；其次是22#孔（8月29日中班封孔，8月30日中25.4%,9月6日中21.1%）；再次是1#孔，水泥封孔，浓度最高为24.2%。

三种封孔方法都存在浓度非常低的钻孔。

总体看水泥浆封孔效果最好，天固袋分段封孔次之。

天固封孔材料试验效果分析报告
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表4.1 210106风巷7#钻场各钻孔瓦斯抽采浓度统计表
5 口孜东矿试验情况
5.1 试验地点
111301工作面机巷
5.2 试验地点瓦斯地质概况
本工作面内13-1煤层位于第四含煤段中部，全区稳定可采，煤厚1.75m～5.53m，平均3.95m，工作面内煤厚较稳定。

该煤层一般含0～2层夹矸，夹矸多为炭质泥岩，次为泥岩，结构复杂；夹矸厚度0～0.79m，平均厚度0.31m。

工作面内煤层倾角约为9°～13°，平均倾角约为11°。

本工作面内13-1煤层上部为16-1煤层，其层间距离约为96.80m，下部为11-2煤层，其层间距离约为71.60m；
根据口孜东矿13-1煤层开拓准备情况，采用重庆研究院生产的DGC 瓦斯含量直接测定装臵在DF1断层东翼111303工作面机巷6#、7#钻场对13-1煤层瓦斯含量进行直接法测试，测定瓦斯含量为5.3826～5.4372 m3/t。

口孜东矿委托中煤科工集团重庆研究院对口孜东矿13-1煤层突出危险性进行鉴定，2011年11月出具鉴定报告，结论为：口孜东煤矿一水平中央区(F5断层与F12-1断层间、-980m水平以上至煤层露头范围)13-1煤层为非突出煤层。

煤的坚固性系数（f）为0.8～1.0。

5.3 试验结果
施工完成4个顺层瓦斯抽采钻孔，全部采用天固材料进行封孔，封孔材料用量及瓦斯抽采浓度见下表：
表5.2 111301面机巷2#钻场钻孔封孔情况统计表
5.4 结果分析
（1）根据抽排区现场实测数据显示，钻孔合茬抽采24小时后，孔内瓦斯浓度均较高，48小时后瓦斯浓度衰减均较快；
（2）目前施工完成的钻孔数量少，封孔材料、封孔工艺均采用天固材料全程封孔，封孔袋封堵套管两端中间压注天固药液，未采用其他材料封孔，无法进行对比分析。

（3）孔口抽采负压较高，均在20Kpa以上，过高的抽采负压易导致孔口周围漏气，对瓦斯抽采深度产生影响。

6 刘庄矿试验情况
6.1 试验地点
151305工作面
6.2 试验地点瓦斯地质概况
151305工作面为五采区13-1煤第三个掘进工作面，工作面沿煤层倾向布臵。

工作面轨道顺槽设计长约1394.6m（可采走向长约为1104.7m），胶带顺槽设计长约1436m（可采走向长约为1104.7m），设计
工作面倾向长约为310.2m，工作面平均可采平面积约为336805m2。

1、地质构造：工作面总体形态为一单斜构造，本工作面煤层走向60°～70°,走向上起伏较小，倾向150°～160°,倾角7°～12°,平均倾角为10°；该工作面沿煤层倾向布臵。

煤层厚度4.30m～6.30m(含夹矸），平均总厚度5.14m，平均净煤厚4.76m；13-1煤在本工作面中普遍含有1～2层夹矸，最多含有三层夹矸；最上部一层夹矸较厚且稳定，可达0.6m～0.8m，底部夹矸局部发育；夹矸岩性多为含炭泥岩，局部为泥岩。

2、瓦斯情况：1513采区(西翼)F20以东至F22以西-740m水平以浅区域13-1煤层-740m（垂深766m）以上为无突出危险区。

该处钻孔施工层位为13-1煤，本区域实测最大瓦斯压力0.3MPa；实测煤层瓦斯含量为3.6714m3/t，坚固性系数f为0.77~1.01。

3、钻孔设计：151305胶带顺槽每隔40m施工一个钻场，共设计施工27个钻场，每个钻场施工14个顺层钻孔，共设计施工378个钻孔，每个钻场工程量约1581m，总工程量约42687m。

6.3 试验结果
天固封孔材料孔内瓦斯初始浓度，见如下表格：
表6.1 天固封孔工艺在15130胶带顺槽顺层钻孔应用抽采浓度
6.4 结果分析
与实验钻场相邻的4#、7#钻场的孔内瓦斯平均浓度仅为1.7%。

以此数据来看，使用天固封孔材料所得的孔内瓦斯浓度达到了11.9%，是水泥封孔工艺的7倍，其效果是相当明显的。

7 经济分析
7.1 封孔材料经济分析
根据各类封孔材料及水泥浆目前市场单价，则算成同单位比较，分析比较结果如表7.1所示。

表7.1 封孔材料经济分析表
7.2 封孔体积计算
以孔深100m、封孔24m的顺层抽采钻孔为例：
封孔体积为：1.2×24m×3.14×(502-31.52)mm2=136348.8mL
7.3 封孔配件单价
1、编织袋：1.47元/条；
2、2吋聚乙烯瓦斯管：21.2元/m；
3、1吋聚乙烯瓦斯管:15.4元/m；
4、固定装置：285元/个；
5、4分注、返浆管：14.46元/m；
6、Φ15mm束结：1.1元/m。

7.4 各类封孔工艺成本计算
1、天固封孔材料全程封孔：2838.86元/孔
（1）袋装天固：4组×29元/组=116元；
（2）桶装天固：(136348.8mL-116元×90.28mL/元)/ 536.66 mL /元=234.56元；
（3）2吋聚乙烯瓦斯管：24m×21.2元/m=508.8元；
（4）1吋聚乙烯瓦斯管:100m×15.4元/m=1540元；
（5）固定装置费用：1个×285元/个=285元；
（6）4分注浆管：10m×14.46元/m=144.6元；
（7）Φ15mm束结：（10-1）m×1.1元/m=9.9元。

2、天固封孔袋配合水泥浆封孔：2635.28元/孔
（1）袋装天固：4组×29元/组=116元；
（2）水泥浆：(136348.8mL -116元×90.28mL/元)/3800.49 mL/元=30.98元
（3）2吋聚乙烯瓦斯管：24m×21.2元/m=508.8元；
（4）1吋聚乙烯瓦斯管:100m×15.4元/m=1540元；
（5）固定装置费用：1个×285元/个=285元；
（6）4分注浆管：10m×14.46元/m=144.6元；
（7）Φ15mm束结：（10-1）m×1.1元/m=9.9元。

3、聚胺酯全程封孔：3114.87元；
（1）袋装聚氨酯：6组×14.53元/组=43.59元（里端用桶装慢性堵）；（2）桶装聚氨酯：(136348.8mL -43.95元×327.6mL/元)/287.32 mL/元=424.44元；
（3）2吋聚乙烯瓦斯管：24×21.2元/m=508.8元；
（4）1吋聚乙烯瓦斯管:100×15.4元/m=1540元；
（5）固定装置费用：1个×285元/个=285元；
（6）4分注、返浆管：20m×14.46元/m=289.2元；
（7）Φ15mm束结：（20-1）m×1.1元/m=20.9元；
（8）编制袋：2条×1.47元/条=2.94元。

4、聚胺酯封孔材料配合水泥浆封孔：2760.43元；
（1）袋装和桶装聚氨酯：3组×14.53元/组+1.2L×35.849元/L=86.61元（里端用桶装慢性堵）；
（2）水泥浆：(136348.8mL-43.95元×327.6mL/元-1200mL×10.3)/3800.49mL/元=26.98元；
（3）2吋聚乙烯瓦斯管：22×21.2元/m=508.8元；
（4）1吋聚乙烯瓦斯管:100×15.4元/m=1540元；
（5）固定装置费用：1个×285元/个=285元；
（6）4分注、返浆管：20m×14.46元/m=289.2元；
（7）Φ15mm束结：（20-1）m×1.1元/m=20.9元；
（8）编制袋：2条×1.47元/条=2.94元。

5.5 各类封孔工艺成本分析
天固封孔材料全程封孔较聚胺酯全程封孔成本低：3114.87元/孔-2838.86元/孔=276.01元/孔；
天固封孔袋封堵套管两端、中间压注水泥浆封孔方法较聚胺酯封堵封堵套管两端、中间压注水泥浆封孔方法成本低：2760.43元/孔-2635.28元/孔=125.15元/孔；
天固封孔袋封堵套管两端、中间压注水泥浆封孔方法较天固封孔材料全程封孔成本低：2838.86元/孔-2635.28元/孔=203.58元/孔。

8 试验总结
8.1 优点
（1）从四个煤矿的使用情况来看，除了新集二矿以外其他各矿在数据上天固封孔材料对于提高顺层瓦斯抽放孔孔内瓦斯浓度具有十分明显的效果。

新集一矿浓度提高约88.5%；刘庄煤矿的孔内瓦斯浓度更是达到了原来的7倍之多；
（2）自成形封孔挡板使用方便，操作简单。

（3）注浆有专用注浆泵，吸浆管配有泄压阀门，注浆安全性能好。

（4）通过注浆泵可计算钻孔所需浆液容量，可控制注浆量，避免浪
费。

（5）该封孔工艺劳动强度较低，施工效率较高，对于建设高效节能型矿井具有很大的贡献。

8.2 存在的问题
（1）封孔长度未能达到要求，根据公司要求顺层钻孔封孔长度必须达到24m。

然而在实际操作过程中由于种种原因，实际的封孔深度并未达到24m，有的甚至还未达到10m，这样瓦斯浓度将很难得到大幅提高，也降低了钻孔的利用率，并且将极大地影响瓦斯抽放系统的安全性。

根据以往对煤矿瓦斯抽采卸压带深度的经验值，其数值一般为20m，这就要求封孔深度至少需要20m左右，因此在以后的使用过程中还需保证封孔深度。

（2）注浆管长度未达到要求。

由于天固封孔材料反应速度较快，这样就造成材料的流动性能并不是特别突出，因此根据经验要求注浆管长度至少达到8m。

但是实际施工过程中其长度也并未达到。

（3）目前各个矿都是采用的施工一个钻孔封闭一个钻孔，这样就势必导致后施工的钻孔对已经封孔完毕的钻孔造成极大的扰动。

如此一来，将造成各钻孔孔内瓦斯浓度衰减太快,缩短了抽放钻孔的有效抽放期。

建议可以尝试将一个钻场的钻孔均施工完毕后再统一进行封孔施工。

（4）目前重庆院提供的封孔袋的爆袋时间为3分钟，下一步计划根据现场下注浆管的时间将封孔袋进行差异化设置，封孔里的采用慢速封孔袋；封孔口的采用快速封孔袋，减少封孔袋的使用量和提高现场的施工效率。

8.3 总结
（1）建议在应力集中、构造破碎带区域及瓦斯含量大于5m3/t的顺层钻孔采用天固封孔材料全程封孔；
（2）建议其它瓦斯治理钻孔采用天固封孔袋配合水泥浆封孔。