摘要：文章针对本煤层瓦斯抽采过程中钻孔密封材料及其使用技术进行了分析优化，在矿井特点的基础上加以技术改进，提出了操作工艺及措施，并通过现场工程实践得出相关参数，以期为煤矿相关工程提供参考借鉴。
关键词：煤层瓦斯；钻孔密封技术；井下封孔试验；室内密封效果试验
中图分类号：TD712 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2011）30-0092-03
一、概述
随着煤炭资源的开发和采掘机械化水平的提高，以及开采深度和规模的不断扩大，矿井瓦斯危害日趋严重。瓦斯抽放与综合利用则是一个兼顾矿井安全生产环境和经济社会效益的重大工程，是煤矿发展多种经营、增收节支的有效途径。为了提高瓦斯抽放效果，近年来大佛寺煤矿采用了顺层、穿层、裂隙带和采空区予埋管等多种方法抽放瓦斯，进一步提高了瓦斯抽放量，使煤炭生产过程中的瓦斯问题得到了有效解决。因瓦斯抽放浓度不稳定，瓦斯利用率很低。因此应在瓦斯抽放钻孔封孔剂和提高抽放瓦斯浓度方面进行深入研究。进一步提高瓦斯抽放效果，提高瓦斯利用率，获得更高的经济效益。
为此，进行了关于瓦斯抽采钻孔密封材料方面的技术调研、对比和分析。以期通过该项目的研究在瓦斯抽采方面实现以下三个目的：
（一）提高抽放量和抽采浓度
从目前本矿瓦斯抽放量的构成来看，65%以上的抽放量来自钻孔瓦斯。实践证明，进入抽放系统的空气有80%以上是通过钻孔吸入的，如果吸入的空气量减少1/2～2/3，钻孔的抽放瓦斯量可增加1.5～2倍。通过研究，提高抽放孔口瓦斯浓度达到35%～40%，裂隙带抽放瓦斯浓度达到20%以上。实现百米钻孔抽放量提高30%。
（二）相对降低瓦斯抽放成本
浓度的提高，抽放系统漏气量的减少，单孔抽出量的增加，抽同样多的纯瓦斯，所需钻孔数量减少、抽放管径和抽放泵小。既减少了材料费、人工费，又减少了运转费和电费。既降低了抽放成本，又减少了打钻时间，还部分缓解同一地点掘进与打钻的相互影响。
（三）有利于瓦斯利用
高浓度瓦斯不仅提高利用率，还可拓宽利用范围。既能发电，又可作民用燃料或化工原料。
二、瓦斯抽采钻孔密封材料及技术分析
（一）钻孔密封技术实践过程
由于聚氨酯具有不收缩、膨胀性大、密封性好、粘结力强、运送方便等特点，从2007年开始，在大佛寺煤矿本煤层抽采钻孔密封中已逐步代替了以往的水泥封孔。实践证明，用卷缠聚氨酯药液法封孔，药液在孔外混合后就开始反应、膨胀并迅速固化，送到孔内后只能充填抽放管与孔壁之间的环形空间，与孔壁成面接触，很难进入孔壁的裂隙之中。所以，在煤岩比较坚硬、裂隙不发育的地点用聚氨酯封孔可获得高浓度瓦斯。为此，于2009年，选用采用压注药液法封孔，将两种药液按比例压入待封的钻孔中，封孔效果有所改观。
通过大量的实践发现，由于聚氨酯药液无法充分搅拌，药液膨胀率小，单孔用药量达大。为解决上述问题，积极进行相关调研、分析和试验。矿方与山东浩珂公司合作，共同研制开发了新型瓦斯钻孔密封材料——马丽散F和专用封孔泵。以解决传统材料强度低、凝固时间短、渗透力差不能封堵煤岩内部裂隙等问题。
（二）室内密封效果试验情况
试验室封孔试验采用直径65mm塑料管模拟瓦斯抽放孔，用1寸钢管代替瓦斯抽放管，在封堵区两端用橡胶圈封闭，通过橡胶圈上的孔用注射管向封孔段注新型瓦斯钻孔密封材料，材料在封孔段反应膨胀凝固，把管子与抽放管之间的空间充满，等完全固化后，把塑料管割开后检查，封孔剂完好无损，无破碎无裂隙。密封性能检查时，将塑料管用上述方法封闭，待材料固化后，向另一端注入3kg∕㎝2的自来水，未发现自来水渗出，证明其密封性能良好，满足抽放负压要求。试验室试验每米模拟钻孔封孔材料的用量大约为0.325公斤，成本约为10.73元。室内模拟试验原理如图1所示：
（三）井下封孔试验
1．封孔设备工作原理：通过机械压送将两装料容器中的马丽散F压入送料管内混合，然后送入抽放钻孔封孔。
2．封孔方式：钻孔孔径为90mm，封孔管为Φ40mm(外径45mm)的钢管，封孔长5.5m。放置在钻孔里段的可接式钢管距孔口5.5m处安装挡板和胶垫，钢管孔口段用封孔布缠封200mm长马丽散F，缠封马丽散F时预设一根φ20mm管，然后，通过φ20mm管将马丽散F送入封孔段，最后达到封孔目的。如图2所示：
3．通过井下钻孔封堵试验，对使用时的操作步骤进行了总结，形成以下封孔操作步骤：（1）封孔前，用带压水或压风将钻孔内的煤粉冲洗净；（2）轻轻推入可连接封孔管；（3）在钻孔外段用封孔布缠封200mm长的高分子聚合物封孔剂；具体操作是首先在封孔管外段缠上白布，并涂抹上马丽散F，然后把封孔管推入到孔内，再用缠好白布（马丽散F湿润过）的直径为20mm的注液管塞进钻孔外段，马丽散F膨胀后封闭钻孔外段；（4）将风泵的送料管与注液管连接，按规定量在风泵的装料器内分别加入马丽散F；（5）打开风压阀门，用压风做动力将马丽散F送入钻孔；（6）关闭阀门，停止注药液。
（四）现场试验效果对比分析
在本矿3008工作面上顺槽的进行了采用马丽散F材料下向联合封孔方式大范围试验。3008工作面位于三水平北翼30采区下部，所采煤层为二1煤层，地面标高为+170～+197m。工作面走向长960m，倾斜长157m，面积150720m2，煤层厚度6.00～8.40m，平均8.0m，煤层结构比较稳定，其中夹矸厚度0.2m，煤层倾斜角9°～3°。该煤层瓦斯含量较大，瓦斯相对涌出量为8～10m3/t，按照上述材料使用工艺在3008工作面上顺槽进行了现场封堵效果试验。用该工艺共封12个钻场117个钻孔。钻场测试时间为2010年8月至2010年10月。顺槽测试时间为2010年5月到12月。
通过抽采监测数据记录及分析，10年5月带抽33个钻孔，到7月带抽117个钻孔，10月份减少到91个，12月减少到56个。8个月共抽瓦斯6.45万m3，抽放瓦斯浓度变化在27%～66%之间，平均为48%；百米煤孔抽出量变化在0.01382～0.02612m3/min之间，平均为0.01899m3/min。而和本工作面条件一致的3105上顺槽用卷缠聚氨酯方法封孔。抽放瓦斯浓度变化在14%～40%之间，平均为26.4%，百米煤孔抽出量变化在0.0038～0.0159m3/min之间，平均为0.00963m3/min。3008上顺槽抽放瓦斯浓度是3105上顺槽的1.82倍，百米煤孔抽出量是3105上顺槽的1.97倍。3008上顺槽抽放数据统计见图3：
上述试验说明，采用马丽散F及其封孔工艺封闭下向瓦斯抽采钻孔可使瓦斯抽放浓度、百米煤孔抽出量提高1倍左右。
在单孔封孔费用方面，采用该技术工艺使得成本降低50%。采用聚氨酯封孔，每班需工人3人，每孔聚氨酯用量约3kg，封孔5个，单孔材料费约90元/孔，每工约50元，共需费用600元，单孔费用为120元。采用马丽散F封孔，每班需工人5人，每孔马丽散F材料用量约1.5kg，封孔15个，单孔马丽散F费约54元/孔，每工约50元，共需费用960元，单孔费用为64元，为聚氨酯封孔的53%。
同时，为提高矿井瓦斯抽放浓度和瓦斯利用奠定基础。实践证明，采用改进后的马丽散F联合封孔工艺和最佳负压抽放技术，可使顺槽瓦斯抽放浓度达到50%以上，只要全部使用该工艺，可将矿井瓦斯浓度提高到30%以上。可拓宽瓦斯利用范围，提高利用率和利用效率。
三、结论
实践证明，高分子聚合物封孔剂——马丽散F的强度高，不怕水、渗透性好、有良好的柔韧性，在矿压作用下，不会出现裂隙。是密封瓦斯抽放钻孔的理想材料。手动封孔泵重量轻，操作简单，药液进入钻孔前开始自动搅拌混合，有利于药液向煤岩裂隙渗透，比卷缠药液方式封孔质量高。
应用上述技术，在降低抽放成本和保证安全生产的情况下，使本矿瓦斯抽放浓提高48%，百米煤孔抽出量提高近2倍，工作面风量和风巷瓦斯浓度得到较大程度降低，
综上所述，新型封孔材料马丽散F和手动封孔泵,在配套的联合封孔技术和负压调节技术、钻孔漏气检测装置的应用等技术手段的综合运用下，既提高了瓦斯抽放浓度和瓦斯纯量，又降低了瓦斯抽放成本。既取得较好的经济效益，又为今后提高矿井瓦斯抽放浓度和瓦斯利用奠定了基础。
参考文献
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作者简介：昝军才 （1978-） ，男，陕西扶风人，陕西彬长集团大佛寺矿业公司通风部副经理，注册安全工程师；景志义 （1964-） ，男，陕西蒲城人，陕西彬长集团大佛寺矿业公司副总经理，工程师；张进军（1964-），男，陕西华县人，陕西彬长集团大佛寺矿业公司副总经理兼总工程师，高级工程师。
（责任编辑：赵秀娟）
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