許向彬

(中國煤炭科工集團(tuán)有限公司 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

新型有機(jī)封孔材料及應(yīng)用工藝研究

許向彬

(中國煤炭科工集團(tuán)有限公司 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

針對(duì)謝一礦B11b煤層瓦斯含量高，頂板透氣性差，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瓦斯排放困難的問題，提出采用一種新型的有機(jī)材料注漿封孔的措施。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況和該有機(jī)封孔材料的特性，選取了合理的封孔工藝。通過該有機(jī)封孔材料封孔，鉆場的瓦斯抽采濃度為85.1%，明顯高于使用傳統(tǒng)水泥封孔的鉆場濃度。

有機(jī)封孔材料；瓦斯；鉆孔封孔

煤層氣(又稱瓦斯)是煤炭生成過程中的伴生氣體，其主要成分為甲烷。它是煤礦開采的第一殺手，瓦斯爆炸引起的事故約占70%～80%，同時(shí)瓦斯也是一種新的重要能源，我國埋深淺于2000m的煤層氣資源總量與國內(nèi)常規(guī)天然氣儲(chǔ)量相當(dāng)。然而，我國目前煤層氣的利用率普遍偏低，造成這一現(xiàn)象的主要原因是井下煤層氣的抽采濃度過低[1]。在瓦斯抽采過程中，由于煤層鉆孔和抽采管路處于長時(shí)間不間斷負(fù)壓環(huán)境，加之多數(shù)煤礦的煤層滲透率低，本身出氣速率低，煤層鉆孔和抽采管路的密閉性成為影響瓦斯抽采濃度的關(guān)鍵因素[2-4]。鑒于此，研究和發(fā)展瓦斯抽采的高質(zhì)量封孔材料及工藝就顯得尤為重要。目前，采用的封孔材料有黏土/水泥砂漿封孔、水泥封孔、聚氨酯封孔材料等。采用以上封孔材料及工藝或多或少存在封孔長度短、抽采負(fù)壓不大、抽采濃度低、封孔工藝不易操作等缺點(diǎn)[5-9]。

針對(duì)這一問題，中國煤炭科工集團(tuán)有限公司重慶研究院有限公司專門研發(fā)了一種新型有機(jī)封孔材料及配套封孔工藝。該有機(jī)封孔材料具有裂隙滲透能力和抗收縮能力強(qiáng)、反應(yīng)溫度低，阻燃抗靜電性能優(yōu)異等一系列特性。本文對(duì)比水泥砂漿材料，介紹了該有機(jī)封孔材料在淮南謝一礦中的封孔工藝和效果。

1 礦井概況

淮南煤田位于華北地臺(tái)南緣，淮南-豫西臺(tái)陷帶內(nèi)，地質(zhì)褶皺變形嚴(yán)重。謝一礦位于淮南煤田南緣，在阜鳳逆掩斷層和瞬耕山逆掩斷層之間，屬于八公山單斜構(gòu)造區(qū)。井田煤系地層傾向NE，走向N20°～40°W，地層傾角10～38°，平均傾角23°。勘探和開采實(shí)踐證實(shí)，本井田地質(zhì)構(gòu)造屬中等類型，沒有大的褶曲構(gòu)造和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，僅沿走向及傾向局部有較為寬緩的波狀褶曲，其表現(xiàn)為地層傾角沿走向發(fā)生緩慢變化。井田內(nèi)主要以斷裂構(gòu)造為主，中、小型斷層發(fā)育，整個(gè)井田被數(shù)條走向近NW，傾向NE或SW的斜切強(qiáng)扭轉(zhuǎn)性大、中型正斷層所控制，逆斷層極少見。謝一礦建井和生產(chǎn)過程中，發(fā)生過多次煤與瓦斯突出，1000t以上特大型突出1次，大型突出2次，中型突出7次，其余為小型突出，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

B11b煤層是謝一礦瓦斯最突出的煤層之一，B11b煤厚1.3～7.1m，平均厚度為3.60m。B11b煤層瓦斯含量高，且頂板透氣性差，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瓦斯排放困難。在-817mB11b抽采巷25號(hào)鉆場利用新型有機(jī)封孔材料經(jīng)行封孔實(shí)驗(yàn)，為了突出封孔效果，在25號(hào)鉆場旁的22號(hào)、23號(hào)、24號(hào)鉆場用水泥砂漿封孔作對(duì)比。

2 新型有機(jī)封孔材料

新型有機(jī)封孔材料是由A，B兩種組分構(gòu)成，封孔施工時(shí)兩種組分以1∶1的體積比均勻混合，通過泡沫封孔自動(dòng)化裝置注入到煤礦瓦斯鉆孔的指定深度，現(xiàn)場反應(yīng)發(fā)泡固化。該泡沫材料無毒、耐水解、無環(huán)境污染，反應(yīng)時(shí)間根據(jù)井下實(shí)際環(huán)境和具體施工需要而調(diào)整，并且材料高強(qiáng)度和良好的韌性保證其能最大限度地降低煤層壓力對(duì)封孔材料密封性的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和分析，該有機(jī)封孔材料的樣品和性能參數(shù)分別見表1和圖1。

表1 新型有機(jī)封孔材料的基本性能參數(shù)

圖1 新型有機(jī)封孔材料樣品

3 注漿設(shè)備

ZBQS-18/6氣動(dòng)注漿泵是按該有機(jī)封孔材料的物理與化學(xué)性質(zhì)而專門設(shè)計(jì)的礦用注漿泵，主要由雙作用式氣動(dòng)增壓泵、氣缸、油缸、混合原件、氣源附件、吸漿管、排漿管和支撐鋼架組成。氣動(dòng)注漿泵以壓縮空氣作動(dòng)力，具有注漿壓力大、注漿流量大、移動(dòng)方便、安裝簡單、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，可滿足有機(jī)封孔材料在煤礦井下的封孔需要，其性能參數(shù)見表2。

表2 氣動(dòng)注漿泵裝置技術(shù)參數(shù)

4 封孔工藝

使用封孔材料時(shí)應(yīng)滿足：封孔工藝簡單，便于操作施工；封孔材料要密實(shí)，并要滿足一定的強(qiáng)度要求；封孔效率高，整體成本低；封孔速度快，不影響煤礦掘進(jìn)進(jìn)度。根據(jù)以上的原則和對(duì)鉆孔微裂隙進(jìn)行密封的要求，并利用該有機(jī)封孔材料的特點(diǎn)和自成形封孔擋板采用壓力封孔。自成形封孔擋板是一種透氣性的開孔泡沫材料(如圖2(b)所示)，泡孔直徑為200～500μm。封孔擋板在瓦斯抽放管兩端發(fā)泡形成的密閉空間保證了有機(jī)封孔材料依靠自身發(fā)泡膨脹壓力向煤層裂隙滲透和膨脹，同時(shí)封孔擋板泡孔的開孔結(jié)構(gòu)還能起到注漿時(shí)排氣的作用。

該有機(jī)封孔材料的具體施工工藝為：下瓦斯抽放管時(shí)，在離孔口12m和孔口處的抽放管上扎上2袋專用封孔袋，同時(shí)將4m的注漿管一同插入孔內(nèi)，5～10min后封孔袋膨脹破裂形成封孔擋板(如圖2(a)所示)；30min后，用ZBQS-18/6注漿泵進(jìn)行注漿；A，B組分在泵壓和膨脹壓力下迅速充滿鉆孔，并向煤層裂隙滲透形成枝狀漿脈相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如圖2(a)所示)；與自成形封孔擋板不同的是，封孔材料是一種高強(qiáng)度的閉孔泡沫材料，保證了煤層抽采管路的密閉性。

同樣方法注下一個(gè)孔，注漿完畢后，用機(jī)油清洗注漿泵。

圖2 封孔工藝

5 封孔效果

圖3為新型有機(jī)封孔材料與水泥封孔材料所得到的鉆場合茬24h后平均瓦斯抽采濃度。其中25號(hào)鉆場使用新型有機(jī)封孔材料封孔，22號(hào)，23號(hào)，24號(hào)鉆場使用水泥封孔材料封孔，使用有機(jī)封孔材料的25號(hào)鉆場抽采濃度為85.1%，明顯高于使用水泥封孔的22號(hào)(46.9%)，23號(hào)(50.2%)，24號(hào)(45.6%)鉆場濃度。這表明該有機(jī)封孔材料比水泥封孔效果更加優(yōu)異。

圖3 兩種封孔材料在鉆場合茬24h后瓦斯抽采濃度

有機(jī)封孔材料優(yōu)異的封孔效果是材料獨(dú)特的性能和與之相應(yīng)的封孔工藝所致。首先，該有機(jī)封孔材料為反應(yīng)型高分子材料，反應(yīng)過程中生成大量聚脲結(jié)構(gòu)，這些剛性結(jié)構(gòu)能抵抗大氣壓力，進(jìn)而提高了材料尺寸穩(wěn)定性；其次，該有機(jī)封孔材料基材的微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有柔順性的長鏈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)決定了材料能保持相當(dāng)?shù)捻g性，可以抵抗煤層(或巖層)一定的變形，能夠保證長時(shí)間的鉆孔密封性；然后，該有機(jī)封孔材料A，B組分在泵壓和自身發(fā)泡形成的膨脹壓力的作用下，不但可以迅速充滿鉆孔，而且由于A，B組分的粘度較低，還可向

鉆孔周圍煤層裂隙滲透、膨脹，最終形成枝狀漿脈相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)鉆孔周邊的煤巖體起到了充填和密閉效果，提高了鉆孔整體封孔效果。

6 結(jié) 論

新型有機(jī)封孔材料在淮南謝一礦應(yīng)用表明，材料的固化速度快、封孔工藝簡單、封孔效率高，為煤礦的正常掘進(jìn)提供了保障。有機(jī)封孔材料在注漿壓力的作用下，注滿鉆孔的同時(shí)，還在鉆孔周邊形成了枝狀漿脈相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)煤巖體起到充填和密閉效果，提高了鉆孔整體封孔效果。使用有機(jī)封孔材料的鉆場瓦斯抽采濃度為85.1%，明顯高于使用水泥封孔的其他鉆場。謝一礦經(jīng)過新型有機(jī)封孔材料封孔以后，實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體高濃度抽采，同時(shí)也保障了煤礦的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

[1]唐永志，王子龍．高壓復(fù)合注漿分組隔斷封孔法測定立孔瓦斯壓力[J].煤礦開采, 2008, 13(6): 87-89.

[2]周博瀟，朱紅青，張 彬．基于瓦斯涌出分源預(yù)測選擇瓦斯抽放方法的研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2006, 2(3): 19-22.

[3]李 季，程五一，李 敏，等．新型封孔材料的性能研究及封孔長度計(jì)算[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2011, 7(2): 42-45.

[4]幸大學(xué)，楊 春，吳再生．煤礦瓦斯抽采鉆孔新型封孔劑在磨心坡煤礦的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保, 2012, 39(1).

[5]公衍偉，解慶雪，鄧素華．帶壓注漿封孔工藝在測定煤層瓦斯壓力中的應(yīng)用[J].煤礦開采, 2013, 18(2): 85-87.

[6]陳 廣．幾種封孔工藝的密封效果淺析[J].能源技術(shù)與管理, 2005(1): 26-32.

[7]劉輝輝，蔣承林，吳愛軍，等．基于煤體瓦斯含量對(duì)測定煤層瓦斯壓力準(zhǔn)確性分析[J].煤礦開采, 2011, 16(1):20-21.

[8]盤福春，解慶雪，公衍偉．高壓瓦斯測壓中膠囊黏液法的局限性及對(duì)策[J].煤礦開采, 2013, 18(3): 103-105.

[9]范育青，朱 棟，汪華君，等．突出煤層瓦斯抽采鉆孔封孔新技術(shù)研究與實(shí)踐[J].煤礦開采, 2013, 18(5): 99-103.

[責(zé)任編輯：王興庫]

New-styleOrganicHoleSealingMaterialandApplicationTechnique

XU Xiang-bin

(Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology Engineering Group Co., Ltd., Chongqing 400037, China)

In order to solve methane drainage difficult problem induced by high methane content, bad roof permeability and complex coal-seam structure of B11b Coal-seam in Xieyi Colliery, applying new-style organic hole-sealing material was put forward.Rational bore-hole sealing technique was selected on the basis of field condition and organic hole-sealing material characteristic.By applying the organic hole-sealing material, methane drainage concentration of bore-hole field reached 85.1%, which was obviously higher than that of bore-hole sealed with traditional cement.

organic hole-sealing material; methane; bore-hole sealing

2014-04-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.041

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金(2013EG122195)

許向彬(1980-)，男，重慶人，博士研究生，高級(jí)工程師，中國煤炭科工集團(tuán)有限公司重慶研究院有限公司礦用新材料研究所所長助理，主要從事礦用高分子材料和功能高分子材料研究。

許向彬.新型有機(jī)封孔材料及應(yīng)用工藝研究[J].煤礦開采，2014，19(4)：136-138.

TD712.6

A

1006-6225(2014)04-0136-03