加压注浆封孔技术的与应用

收稿日期：2012－06－18
作者简介：魏培瑾（1985—），男，河南焦作人，助理工程师，2005年毕业于河南理工大学，现从事瓦斯治理研究工作。

加压注浆封孔技术的研究与应用
魏培瑾1，郭艳飞1，李会超
2
(1．河南煤业化工集团焦煤公司科研所，河南焦作454002;2．河南煤业化工集团焦煤公司演马庄矿，河南焦作454000)
摘要：为了提高焦作矿区松软煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量，延长有效抽采周期，增加抽采量，在分析煤体特征的基础上，提出了加压注浆封孔技术，对封孔工艺和材料设备进行对比选择，并在演马庄矿和九里山矿进行了4个多月的工业性试验。

结果表明：加压注浆封孔技术使瓦斯抽采浓度提高了20% 40%，抽采纯量提高了1.13 1.75倍，
有效降低了封孔成本。

关键词：瓦斯抽采；封孔工艺；加压注浆中图分类号：TD712．6
文献标志码：A
文章编号：1003－0506（2012）11－0010－04
Research and Application of Pressure Grouting Hole-sealing Technology
Wei Peijin 1，Guo Yanfei 1，Li Huichao 2
（1．Science and Technology Research Institute of Jiaozuo Coal Group Co．，Ltd．，Henan Coal Chemical Industry Group
Co．，Ltd．，Jiaozuo 454002，China ；2．Yanmazhuang Coal Mine ，Jiaozuo Coal Company ，
Henan Coal Chemical Industry Group Co．，Ltd．，Jiaozuo 454000，China ）
Abstract ：To improve the sealing quality of the gas drainage borehole in soft coal seam of Jiaozuo mining area ，and prolong the effective extraction cycle ，increase the amount of gas extraction ，a pressure grouting hole sealing technology was proposed based on analysing the characteristics of the coal body．Comparisons were carried out to select the reasonable hole sealing process ，materials and equipment ，and industrial tests were made for more than 4months in Yanmazhuang Coal Mine and Jiulishan Coal Mine．The results show that ：the appli-cation of pressure grouting hole sealing technology improves gas drainage concentration by 20% 40%，increases extraction of pure quantity by 1.13 1.75times ，
and reduces the cost of borehole sealing effectively．Keywords ：gas drainage ；borehole sealing process ；pressure grouting
瓦斯抽采效果不仅取决于煤层瓦斯生成及赋存条件，而且决定于瓦斯抽采工程质量［1］。

目前，我国约有65%的回采工作面的预抽瓦斯浓度低于
30%，反映出预抽钻孔封孔质量差［2］。

封孔质量直接影响到抽采效果，而封孔的好坏，取决于封孔材料
性能和封孔技术［3］。

当前焦煤公司采用的方法主要是将铝箔袋矿用合成树脂揉搓后送入孔内，树脂膨胀溢出袋外封孔，它具有发泡倍数高、封孔快捷的优点，但其封孔材料成本高，封孔后合成树脂的外衣与抽采钻孔壁相结合，未能使溢出的合成树脂充分把抽采钻孔密闭，造成大部分抽采钻孔漏气，抽采效
果差。

针对焦作矿区煤层赋存条件，焦煤公司科研所对封孔材料的选择及封孔设备的选型进行了大量
分析试验，提出本煤层加压注浆封孔技术，并在焦煤公司演马庄矿、九里山矿进行了工业性试验。

1加压封孔基本原理
在煤层中掘进巷道，巷道周围产生了松动圈，根
据岩石力学可知，
松动圈的宽度为巷道半径的3 5倍。

松动圈内裂隙增多，直接影响封孔效果，为了避
免抽采钻孔漏气，抽采浓度低，利用封孔管两端的聚氨酯作为堵头、中间加压注瓦斯封堵材料的方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密闭微孔裂隙的目的，以一定的压力将瓦斯封堵材料注入一个相对密闭的封孔空间及钻孔孔壁裂隙内，瓦斯封堵材料在压力的作用下，可以劈裂、扩展孔壁内煤体裂
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01·
隙［4］，充填封孔段及孔壁的裂隙。

瓦斯封堵材料不仅沿钻孔横向产生加压效应，在纵向上也会产生加压效应，前者可以增加瓦斯封孔封堵材料的致密性，后者可以充分进入钻孔周围的裂隙中，提高了钻孔的密封性，该技术对各种要求封孔深度均可以使用［3］。

具体工艺为：抽采钻孔施工完成后，用压风将孔内的残余煤屑吹干净，然后将帆布袋套在抽采管上（帆布袋内预留注聚氨酯管）两端用管卡固定，抽采管下至预定的封孔深度后，将聚氨酯通过预留注浆管送至预定的封孔位置。

利用聚氨酯的膨胀特性，在封孔段内形成一个相对密闭的注浆空间。

待聚氨酯完全固化后，再通过孔口预留的注浆管，用双液注浆泵将瓦斯封堵材料注进封孔段内相对密闭的空间内，待瓦斯封堵材料凝固后方可连接抽采系统。

在实验室内针对聚氨酯发泡后不同时间固化后的抗压强度及承压强度，做了大量的分析试验，试验表明聚氨酯在发泡30min后，可以承受0.5 1.2MPa 的压力，为开展加压注浆封孔试验奠定了基础。

帆布袋聚氨酯+瓦斯封堵材料封孔如图1所示。

图1帆布袋聚氨酯和瓦斯封堵材料封孔示意
加压注浆封孔工艺流程：利用压风将钻孔内残余煤屑吹干净→帆布袋套在抽采管上→里段帆布袋两端用喉箍固定牢（帆布袋里预埋注聚氨酯管）→预埋注浆管→外段帆布袋两端用喉箍固定牢（帆布袋里预埋注聚氨酯管）→注里段帆布袋聚氨酯→注外段帆布袋聚氨酯→聚氨酯完全固化→注瓦斯封堵材料→瓦斯封堵材料凝固后连接抽采系统。

2封孔设备及材料
（1）封孔注浆泵选用2ZBQ-9/3型双液注浆泵，额定流量0 24L/min，注浆压力0 6MPa，可同时输送2种介质也可单独输送1种介质，具有性能稳定、结构紧凑、质量轻、移动操作维护方便的优点。

（2）注浆管选用市场上常见的铝塑管。

（3）选用散装聚氨酯，其发泡时间为2 3min，发泡倍数8 15倍。

（4）选用瓦斯封堵材料封孔，其主要性能为：①水灰比大。

使用时水灰比按1.0ʒ1.0 2.0ʒ1.0控制。

②凝结硬化快。

凝结时间30 60min，并可根据不同的使用要求调整。

③细度细。

比表面积大于600cm2/g，具有较好的流动性和填缝效果。

④固化体微膨胀，膨胀率≥0.02%，堵漏抗渗性好。

⑤满足抽采需要快。

1ʒ1水灰比时2h强度可达1MPa以上，24h强度可达3MPa以上，后期强度持续增长，2 h即可接管实施瓦斯抽采。

⑥具有“裂隙修复”功能，该封孔材料固化体在水中长期浸泡强度不会降低，反而会继续升高，在受压后出现的微细裂隙能够“自修复”。

3工业性试验
3.1试验地点概况
演马庄矿27131运输巷工作面上部为27111工作面（正在回采），下部为未采区，工作面左侧为F147断层，走向N69ʎE—N79ʎE，倾向南，落差16m，右侧为F204-1断层，走向N116ʎE，倾向北，落差10m左右，2条断层均为正断层。

煤层厚度平均4.07m，煤层倾角最小为7ʎ，最大为13ʎ，瓦斯含量为13.88 16.45m3/t，煤层透气性系数为0.300 0.457 m2/（MPa2·d），煤层硬度f值为0.5 1.5。

该工作面属煤与瓦斯突出危险工作面，煤尘无爆炸性，煤层不自燃，煤层层理节理较发育，绝对瓦斯涌出量为2 m3/min。

九里山矿16031运输巷煤层平均厚5.07m，瓦斯含量为15.15 33.19m3/t，煤层透气性系数为0.200 0.457m2/（MPa2·d）。

该地区上部临近马坊泉断层，上部工作面顶板相对破碎。

另外，受马坊泉断层牵引，很可能会伴生一些小的断裂构造。

此次试验所封抽采孔开口位于巷道下帮煤壁中部，距煤层顶板1.2m左右，距巷道底板0.8m左右，巷道顶板有淋水。

3.2封孔试验
演马庄矿27131运输巷自2011年12月16日至2012年1月12日共封35个抽采孔，两端1.5m 帆布袋聚氨酯中间注瓦斯封堵材料的封孔12个，合成树脂封孔10个，封孔段注15m波雷因封孔13个。

根据地测科探煤记录，该试验段处于薄煤带，煤厚约3m。

试验钻孔基本参数为：215#、217#、218#、219#、221#、223#、224#、226#、228#钻孔深70m，216#孔深50m，225#孔深60m；钻孔倾角－11ʎ；封孔深度15m。

九里山矿16031运输巷2012年1月16—19日
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共封抽采孔12个，均采用里段3m帆布袋，外段1 m帆布袋，中间注瓦斯封堵材料。

该试验段顶板淋水，压力大，其中有4个试验孔跨在钻场两帮，封孔期间多数钻孔变形及孔内有水，试验钻孔基本参数为：39#、40#、43#、44#钻孔深101m，41#钻孔深99m，45#钻孔深93m，46#钻孔深104m，47#钻孔深103 m，49#钻孔深100m，51#钻孔深80m，52#钻孔深104 m；钻孔倾角－14ʎ，封孔深度15m。

3.2.1加压注浆封孔
采用两端各1.5m帆布袋中间注瓦斯封堵材料封孔工艺，里封孔管全长18m（1.5m花管），在15 m处用喉箍把帆布袋两端固定牢靠（帆布袋里预留注聚氨酯管），5 6m处固定注浆管，孔口以里1.5 m处用喉箍把帆布袋两端固定牢靠（帆布袋里预留注聚氨酯管），里段注聚氨酯2kg（主要考虑注浆泵及注浆管内的损耗），外段注聚氨酯1kg，待聚氨酯完全固化后注瓦斯封堵材料，瓦斯封堵材料凝固后，连接主抽采管，连抽后所测钻孔抽采参数见表1。

表1加压注浆封孔试验瓦斯抽采参数
钻孔编号瓦斯浓
度/%
瓦斯纯量/
（m3·d－1）
215#96.2128 216#94.1137 217#96.481 218#99.0128 221#99.8148钻孔
编号
瓦斯浓
度/%
瓦斯纯量/
（m3·d－1）223#98.3151 224#98.1166 225#96.4148 228#99.3161 231#98.4132
从表1可以看出，用两端1.5m帆布袋里注聚氨酯中间注瓦斯封堵材料后，抽采浓度均在90%以上，只有216#钻孔浓度稍低，为94.1%，平均浓度为97.6%。

平均纯量为138m3/d。

采用里段3m帆布袋、外段1m帆布袋中间注瓦斯封堵材料的封孔方法，与两端各1.5m帆布袋的封孔方法基本相同。

聚氨酯完全固化后，连接主抽采管，待浓度大幅度降低时，再对抽采钻孔加压注浆，注浆前、后测定抽采浓度见表2。

表2注浆前、后抽采浓度对比%
钻孔编号注浆前
浓度
注浆后
浓度
40# 2.099.1 41#19.822.9 43#7.992.9 44#70.197.2 45#56.559.8钻孔
编号
注浆前
浓度
注浆后
浓度
46#71.583.9
47# 1.598.6
51#80.294.9
52#11.389.7
由表2看出，采取加压注浆封孔后，平均抽采浓
度由39.9%提高到82.2%，最大单孔抽采浓度提高
了65.7倍，平均抽采浓度提高了2.1倍；采用加压
注浆后可使88.9%钻孔瓦斯抽采浓度超过50%，使
55.5%钻孔瓦斯抽采浓度超过90%，大幅度提高了
瓦斯抽采浓度。

3.2.2合成树脂封孔
采用合成树脂封孔方法，在封孔管15m处绑1
组合成树脂后，依次间隔1.0 1.5m绑1组合成树
脂，绑至孔口以里1m处为止，15m封孔段一共用
合成树脂20袋，连抽后测试瓦斯抽采参数见表3。

表3合成树脂封孔试验瓦斯抽采参数
钻孔
编号
瓦斯浓
度/%
瓦斯纯量/
（m3·d－1）
181#53.919
182#96.237
183#92.550
184#99.927
185#99.645
钻孔
编号
瓦斯浓
度/%
瓦斯纯量/
（m3·d－1）
187#99.998
188#99.382
189#63.239
190#92.156
191#82.696
从表3可以看出，用合成树脂封孔后，70%的钻
孔抽采浓度在90%以上，仅有2个抽采钻孔浓度稍
低（50% 60%），平均浓度为87.9%，平均纯量为
55m3/d。

3.2.3波雷因封孔
采用波雷因封孔方法，在封孔管15m处绑1组
合成树脂作为堵头，将铝塑管下至15m处，使用气
动注浆泵（2ZBQ-9/3型）注波雷音材料，注波雷因
时，边注边退注液管，待注液管退至孔口1m时，停
止注液，实现15m全段封孔。

待波雷因固化后连接
主抽采管，连抽后测试瓦斯抽采参数见表4。

表4波雷因封孔试验瓦斯抽采参数
钻孔
编号
瓦斯浓
度/%
瓦斯纯量/
（m3·d－1）
241#66.055
243#99.972
244#93.4108
246#99.9102
247#99.969
钻孔
编号
瓦斯浓
度/%
瓦斯纯量/
（m3·d－1）
248#99.695
249#99.496
250#99.179
251#99.986
252#99.969
从表4可以看出，用波雷因封孔后，77%的钻孔
抽采浓度在90%以上，平均浓度为89.7%，平均纯
量为83m3/d。

4效果分析
对同一地区3种不同封孔工艺的钻孔抽采钻孔
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进行了长期的数据测定，绘制的3种封孔工艺的抽采浓度及瓦斯纯量变化趋势如图2、图3所示。

图23种封孔工艺的钻孔抽采瓦斯平均浓度对比
由图2可以看出，经过4个多月的钻孔瓦斯抽采，加压注浆封孔钻孔的平均抽采浓度均在85%以上，衰减速度较慢；波雷因封孔钻孔的平均抽采浓度均在80%以上，平均抽采浓度稍微比加压注浆封孔低些，衰减速度和加压注浆封孔相近；合成树脂封孔的钻孔，初期平均抽采浓度在85%以上，但抽采1个月后降至55%，衰减较快，抽采浓度不及加压注浆封孔和波雷因封孔。

图33种封孔工艺的钻孔平均抽采瓦斯纯量对比
从图3可以看出，0 40d的平均抽采负压为20.4kPa时，3种封孔工艺的抽采瓦斯纯量均呈递次衰减；40 80d平均负压为26.9kPa时，3种封孔工艺的抽采纯量也随抽采负压的增大而趋于稳定；
80 120d平均负压为48.5kPa时，随抽采负压大幅度提升，加压注浆和波雷因封孔的钻孔抽采纯量均呈上升趋势，而合成树脂封孔的钻孔则呈现下降趋势，分析认为：合成树脂所封的抽采钻孔，在高负压的连续抽采下，致使钻孔周围的裂隙相互沟通，造成串气漏气，抽采纯量降低，而使用加压注浆和波雷因封孔工艺则是把整个封孔段加压注实，避免了钻孔周围的裂隙沟通。

由对比可知，加压注浆封孔钻孔的平均抽采瓦斯纯量为63m3/d，高于波雷因封孔钻孔平均纯量（56m3/d）及合成树脂封孔钻孔平均纯量（36m3/d）。

封孔连抽4个多月，加压注浆封孔抽采瓦斯纯量分别是波雷因封孔和合成树脂封孔的1.13，1.75倍，反映出加压注浆封孔效果优于其他2种封孔方式。

5封孔成本
采用合成树脂封孔，每孔20袋，材料费为500元/孔；用波雷因封孔，每孔约18kg，材料费600 700元/孔；用加压注浆封孔，材料费为350 450元/孔。

通过4个多月的试验分析认为，单纯使用合成树脂封孔，初始抽采浓度大多在80% 90%，抽采1个月后衰减较快，封孔成本也高于加压注浆封孔。

波雷因封孔与加压注浆封孔的抽采效果接近，但是封孔费用较高。

综合3种封孔方法，加压注浆封孔在抽采效果和封孔成本上均优于其他2种方法，不但降低了封孔成本，而且提高了抽采效果，值得推广应用。

6结论
（1）加压注浆封孔技术较其他方法使瓦斯抽采浓度提高了20% 40%，抽采纯量提高了1.13 1.75倍，有效提高了抽采钻孔的封孔质量，保证了瓦斯抽采效果，缩短了抽采周期，同时降低了封孔成本，确保了矿井持续发展，取得了显著的经济效益。

（2）采用预留注浆管，在抽采浓度大幅度降低时加压注浆封孔的方式，使钻孔平均抽采浓度提高了2.1倍，钻孔抽采时间相对延长，有效提高了钻孔利用率。

且该方式操作较简单，适合较大范围的推广使用。

参考文献：
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［2］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．
［3］王圣程，庞叶青，张云峰，等．抽采钻孔带压注浆封孔技术的研究与应用［J］．煤矿安全，2011，42（6）：4-6．
［4］陶云奇．中岭煤矿采煤工作面瓦斯抽放技术研究［D］．贵阳：贵州大学，2006．
(责任编辑:刘光雨)
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