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。
一、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人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 。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30分钟后,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。
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一帆布袋套在抽采管上一里段帆布袋两端用喉箍固定牢(帆布袋里预埋注聚氨酯管)一预埋注浆管一外段帆布袋两端用喉箍固定牢(帆布袋里预埋注聚氨酯管)一注里段帆布袋聚氨酯一注外段帆布袋聚氨酯一聚氨酯完全固化一注瓦斯封堵材料一瓦斯封堵材料凝固后连接抽采系统。
参考阅读:注浆封孔材料的性能及其膨胀机理研究
二、 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/分钟,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2-3分钟,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1.0:1.0~2.0:1.0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600cm/g,具有较好的流动性和填缝效果。
④固化体微膨胀,膨胀率30.02% ,堵漏抗渗性好。
⑤满足抽采需要快。1:1水灰比时2 h强度可达1MPa以上,24小时强度可达3MPa以上,后期强度持续增长,2小时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”。