【正文】 10 米左右的深處，“高分子發(fā)泡材料”發(fā)泡膨脹，將鉆孔封堵 ，如 下圖 21。 圖 21 高分子發(fā)泡材料封孔法 1發(fā)泡膨脹前的高分子材料 2發(fā)泡膨脹后的高分子材料 3封孔抽采管 高分子發(fā)泡材料封孔是我國煤層鉆孔普遍采用封孔方法，河南、山西、安徽、山東等主要礦區(qū)主要以這種封孔方法為主。 高分子發(fā)泡材料封孔方法的缺陷 高分子發(fā)泡材料封孔法具有操作使用簡單的優(yōu)點(diǎn)，但這種封孔方法在煤層鉆孔 中 不能取得理想的封孔效果， 鉆孔漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重， 瓦斯抽采濃度低，因?yàn)闆]有更好的封孔方法，所以國內(nèi)仍然普遍采用。 高分子發(fā)泡材料需要有較高的發(fā)泡倍數(shù)才能將鉆孔封閉，高分子發(fā)泡材料本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 6 發(fā)泡之后具有兩個(gè)致命缺陷：第一，抗壓強(qiáng)度低；第二，可壓縮 量 很大。高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井往往采深較大，相應(yīng)的地應(yīng)力也較大，加之煤層強(qiáng)度普遍較低，井下煤層鉆孔在地應(yīng)力作用下將逐漸蠕變，鉆孔在蠕變的過程中，鉆孔周圍的煤體將會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)裂隙（漏氣通道）。由于高分子發(fā)泡材料抗壓能力低、可壓縮量大， 其 力學(xué) 性能 無法阻擋鉆孔的蠕變和裂隙漏氣通道的形成， 如圖 22所示。 圖 22 高分子發(fā)泡 材料封孔法漏氣通道擴(kuò)張示意圖 1封孔時(shí)發(fā)泡材料體積膨脹 2封孔初期鉆孔周圍裂隙漏氣通道 3封孔抽采管 4封孔后期發(fā)泡材料壓縮體積變大 5封孔后期鉆孔周圍裂隙漏氣通道變大 目前，國內(nèi)普遍采用的高分子發(fā)泡材料封孔法之所以抽采濃度太低，主要是 原因可歸結(jié)為： ① 高分子 發(fā)泡 材料不能充填鉆孔周圍的原始裂隙 。 在高分子材料在發(fā)泡膨脹的過程中，封孔段鉆孔處于開放狀態(tài)，發(fā)泡材料不能形成足夠的膨脹力，不能使發(fā)泡高分子材料擠入封孔段鉆孔周圍的裂隙，這些裂隙將成為漏氣通道（初期漏氣 通道）。 ② 高分子發(fā)泡材料強(qiáng)度低可壓縮量大、 對鉆孔沒有 足夠的 支護(hù)作用，不能維護(hù)鉆孔的穩(wěn)定 性。 煤層鉆孔 可視為 一個(gè)小型全煤巷道，在地應(yīng)力和采掘干擾情況下必然發(fā)生變形和蠕變， 高分子發(fā)泡材料抗壓能力低、 可壓縮 量大（例如 發(fā)泡后的聚氨酯的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤層硬度硬度 ， 相差一個(gè)數(shù)量級），對鉆孔形不成有效支護(hù)作用，導(dǎo)致封孔段鉆孔周圍在封孔之后 持續(xù) 產(chǎn)生裂隙（后期漏氣通道） ，見圖 23。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 7 圖 23 鉆孔漏氣示意圖 1瓦斯氣體 CH4 流 2漏入空氣流 3高分子發(fā)泡體 4封孔抽采管 國內(nèi)其它封孔方法及評述 采煤工作面淺孔（臨時(shí)） 抽采封孔法介紹與評述 由于采煤工作面存在抽采盲區(qū)（有些礦區(qū)稱之為空白帶），抽采 盲區(qū)是由于鉆孔深度受限引起的，因?yàn)?高瓦斯突出煤層深孔鉆進(jìn)困難 是目前尚未解決的技術(shù)難題。如圖 24 所示，采煤工作面淺孔（臨時(shí)）抽采封孔，是為了抽出采煤工作面前方可能影響采煤安全的部分瓦斯，鉆孔在工作面內(nèi)施工，鉆孔的深度一般較淺（十幾米），主要抽采工作面前方卸壓帶的瓦斯，抽采的時(shí)間很短（僅僅數(shù)小時(shí)）。 圖 24 采煤工作面常見的抽采鉆孔布局圖 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 8 1采煤工作面開切眼 2抽采盲區(qū) 3本煤層抽采鉆孔 4淺孔抽采鉆孔 5回采巷道 采煤工作面淺孔（臨時(shí)）抽采封孔的封孔方法一般采用可復(fù)用的封孔器材，種類較多，效果基本一樣。下面就常用的幾種加以介紹。 ⑴ 機(jī)械 彈性脹體 式封孔器 常用的 機(jī)械 彈性脹體 式封孔器有 兩 種：螺旋 彈性脹圈 式封孔器 、 彈性 串球式封孔器 ]，這兩種封孔器的結(jié)構(gòu)如圖 25 和圖 26 所示，其工作原理都是在外加力的擠壓作用下，迫使 彈性 膠桶或者 彈性 串球膨脹，貼緊鉆孔內(nèi)壁，達(dá)到封孔的目的；當(dāng)外加力取消后，膠桶或串球在自身的彈性力作用下恢復(fù)原狀 ，即可從鉆孔中取出，重復(fù)使用。 圖 25 螺旋式封孔器示意圖 1接頭； 2螺母； 3手柄； 4墊板； 5定向銷； 6套管； 7螺桿； 8傳力墊； 9外套； 10內(nèi)管；11托盤； 12膠桶； 13螺帽； 14手柄 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 9 圖 26 串球式封孔器 1內(nèi)套； 2橡膠球； 3擠壓板； 4擠壓外套 上述兩種封孔器， 用在采煤工作面臨時(shí)性封孔，鉆孔深度 淺 （ 510 米），主要抽采工作面前方松動(dòng)區(qū)內(nèi)的瓦斯，在距離孔口 12 米封孔，它們對鉆孔的密封性能很差，漏氣很嚴(yán)重，根本不能用于本煤層長效抽采鉆孔的封孔。 ⑵ 充氣式封孔器 充氣式封孔器主要有兩種，一種是 免充氣氣囊式，另一種是充氣氣囊式。前者將氣體封閉在一個(gè)橡膠囊里，氣囊中部有一根抽采管，利用氣體的可壓縮性將氣囊塞進(jìn)鉆孔里實(shí)現(xiàn)封孔，主要在孔口 1 米范圍內(nèi)封孔；后者的氣囊里沒有封閉空氣，氣囊中部有一根抽采管，將囊?guī)M(jìn)鉆孔之后， 然 后再向囊?guī)С錃?。兩者的效果幾乎是一樣的，只能做為臨時(shí)性封孔。 ⑶ 水力膨脹式封孔器 水 力 膨脹式 封孔 器的 原理是：壓力水進(jìn)入封孔器后，通過在膨脹器內(nèi)部所形成的水壓升高來促使封孔器膠管膨脹 ，從而達(dá)到封堵鉆孔的目的。 膨脹膠管可以是鋼絲復(fù)合膠管，向膠管內(nèi)的注水壓力可以達(dá)很高的壓力，對鉆孔具有很好的封閉效果。這種封孔器在煤層注水方面用的較多，但對于本煤層長效抽采來講是不可行，原因有二：第一，成本較高；第二，封孔器的微泄漏不能保證長效封孔的效果。 傾斜鉆孔 水泥 砂漿 封孔方法 在仰斜穿層封孔技術(shù)中，目前最常用的封孔方式是水泥砂漿封孔方法、壓氣封孔和泥漿泵封孔方法，現(xiàn)分別敘述如下： 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 10 （ 1）人工裝搗物實(shí)法 當(dāng)封孔長度較短（不超過 5m）時(shí)，煤層傾角不太大，可用這種方法。其做法是用高水材料或水泥摻入一 定量的沙子，加入少量水揉成炮泥狀，同裝填炮泥一樣，或用鏟式工具送入孔內(nèi)，為增加填入后的密實(shí)性，每送一段距離（ ～1m）裝入木鍥用力搗實(shí)，以保證封孔質(zhì)量。該法較費(fèi)工，勞動(dòng)強(qiáng)度也較大。 （ 2）壓氣封孔 該方法主要適用于上向孔，該法是利用壓風(fēng)罐或井下壓風(fēng)管網(wǎng)的壓力氣體，將水泥砂漿裝入混漿罐內(nèi)，當(dāng)達(dá)到容積的 2/3 左右時(shí)，然后把上蓋旋緊、打開壓風(fēng)管閥門、向孔內(nèi)壓入砂漿，直至注滿鉆孔為止，壓氣封孔如圖 27 所示。 （ 3）泥漿泵封堵法 該方法適用于上向封孔，向孔內(nèi)注漿前 1～ 2d，先在孔口用水泥固定一個(gè)木塞，木塞上有 一個(gè)孔，用于安裝注漿接頭，注漿時(shí)，用夾布膠管將注漿接頭與專用封孔水泥砂漿泵連接起來，如圖 28 所示。 圖 27 壓氣封孔 1注漿罐； 2壓風(fēng)管； 3水管； 4膠管； 5抽放管； 6砂漿； 7鉆孔； 8木塞（擋盤） 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 11 圖 28 泥漿泵封孔 1鉆孔； 2抽放管； 3水泥砂漿； 4注漿管； 5封孔口水泥； 6木塞 （ 4）水泥砂漿灌注法 這種方法簡單，主要用于鉆孔傾角大、封孔深度淺的下向孔封孔。先在抽采管首端距管口 100 mm 處焊一比擴(kuò)孔直徑略小的圓盤，在管前端 100 mm 位置捆扎少量棉紗等物，并 將抽采管插入孔內(nèi)，以固定抽采管和防止漏漿，將 1：（ 2～3）的水泥、砂漿倒入抽采管和鉆孔之間的環(huán)形空間即可封孔，待砂漿凝固后即可進(jìn)行抽采，在砂漿中加入少量速凝劑，可加速凝固 。 國外瓦斯抽采封孔技術(shù)現(xiàn)狀 國外煤礦井下同樣有本煤層瓦斯抽放，也曾經(jīng)使用過國內(nèi)現(xiàn)行的封孔方法，但目前已經(jīng)放棄采用我們現(xiàn)在仍在采用的 發(fā)泡材料 封孔方法。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 12 圖 29 澳大利亞封孔抽放過程圖 為了切實(shí)保證本煤層瓦斯抽放效果，保證瓦斯抽放的長效性和可靠性，國外采用了“注管封孔法” ，見圖 29，并研發(fā)了一些配套的較大型裝備用來拆除回收注管 ，從而保證了“高負(fù)壓、高濃度、長時(shí)效”瓦斯抽采。如圖所示為澳大利亞煤層鉆孔的封 孔， 必須在采煤之前回收銅管，對配套裝備和井下空間環(huán)境有特殊要求。 其封孔方法步驟如 下 ： 第一步：在煤壁上首先鉆出一個(gè)深度 10 米 15 米的鉆孔，鉆孔直徑大于正常鉆進(jìn)時(shí)的鉆孔； 第二步：將金屬管插入鉆孔，金屬管的內(nèi)孔直徑不小于正常鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的直徑； 第三步：利用注漿的方法，采用 專 用的注漿裝置將金屬管錨注到鉆孔內(nèi)，使 金屬管外壁與鉆孔 壁 之間充滿漿液； 第四步：鉆頭通過金屬管內(nèi)孔，開始正常鉆進(jìn)； 第五步：在金屬管內(nèi)部進(jìn)行封孔。 顯然國外抽放鉆 孔的封孔方法是十分可靠的，但是代價(jià)高（澳大利亞要求金屬管是銅管）、投資大、操作工藝復(fù)雜。另外，為了采煤需要必須在采煤之前回收注管，對配套裝備和井下空間環(huán)境有特殊要求。所以，國外的封孔方法并不能適應(yīng)國內(nèi)的情況。這種封孔方法在澳大利亞、日本、美國等國采用。我們需要本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 13 根據(jù)中國煤礦的井下情況，借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)適合中國國情的瓦斯抽放孔的封孔技術(shù)與裝備器材。 值得說明的是，國內(nèi)采用國外的“千米鉆機(jī)”時(shí)，所采用的封孔方法同國外的封孔方法一樣，例如晉煤集團(tuán)成莊礦千米鉆機(jī)隊(duì)采用的就是這種封孔方法。 總之，在本煤層瓦斯抽 采鉆孔封孔技術(shù)方面，國外多使用注管封孔法，封孔可靠性高，但成本較高，且不適合國內(nèi)井下條件。國內(nèi)目前廣泛使用聚氨酯封孔法，操作簡單，施工速度快，但存在嚴(yán)重缺陷，封孔質(zhì)量差，瓦斯抽采濃度偏低。除聚氨酯封孔法外，機(jī)械封孔法、水泥砂漿封孔法、膠圈－壓力黏液封孔法在國內(nèi)也有應(yīng)用，但這些封孔法有各自適用條件，不適合本煤層瓦斯抽采長效封孔。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 14 3 本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔理論研究 現(xiàn)行發(fā)泡材料封孔法的缺陷 國內(nèi)普通采用的聚氨酯封孔法 具有 質(zhì)量輕、發(fā)泡率高、 操作簡單 等 優(yōu)點(diǎn)，但這種封孔方法在煤層鉆孔中不能取得理想的封孔 效果，鉆孔漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重，瓦斯抽采濃度低 。據(jù)調(diào)查， 平頂山、焦作、鄭煤 等礦區(qū)抽采 一個(gè)月之后 的 抽采濃度僅 3％～ 5％，調(diào)低負(fù)壓后 10％左右 ； 晉城 礦區(qū) 2～ 3 個(gè)月后抽采濃度 25％左右，還是調(diào)低負(fù)壓的結(jié)果。 聚氨酯 封孔法之所以 封孔質(zhì)量差、 抽采濃度低，主要原因可歸結(jié)為： ① 聚氨酯 不能充填鉆孔周圍的原始裂隙。在 聚氨酯材料 在發(fā)泡膨脹的過程中，封孔段鉆孔處于開放狀態(tài)，發(fā)泡材料不能形成足夠的膨脹力，不能使 聚氨酯材料擠入封孔段鉆孔周圍的裂隙，這些裂隙將成為漏氣通道（初期漏氣通道）。 ② 聚氨酯材料 強(qiáng)度低可壓縮量大、對鉆孔沒有足夠的支護(hù)作用，不能維護(hù)鉆孔的穩(wěn)定性。煤層鉆孔可視為一個(gè) 微型 全煤巷道，在地應(yīng)力和采掘干擾情況下必然發(fā)生變形和蠕變 。聚氨酯封孔材料 需要有較高的發(fā)泡倍數(shù)才能將鉆孔封閉，聚氨酯 發(fā)泡之后 抗壓 強(qiáng)度 低、可壓縮量大（例如發(fā)泡后的聚氨酯的 抗壓強(qiáng)度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤層 的抗壓強(qiáng)度 ，相差一個(gè)數(shù)量級），對鉆孔形不成有效支護(hù)作用，導(dǎo)致封孔段鉆孔周圍在封孔之后持續(xù)產(chǎn)生裂隙 ，形成 后期漏氣通道 ，見圖 3 32。 圖 31 聚氨酯封孔法漏氣通道擴(kuò)張示意圖 1封孔時(shí)發(fā)泡材料體積膨脹 2封孔初期鉆孔周圍裂隙漏氣通道 3封孔抽采管 4封孔后期發(fā)泡材料壓縮體積 變小 5封孔后期鉆孔周圍裂隙漏氣通道變大 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 15 圖 32 鉆孔漏氣示意圖 1瓦斯氣體 CH4 流 2漏入空氣流 3聚氨酯發(fā)泡體 4封孔抽采管 主動(dòng)支護(hù)式封孔原理 的提出 瓦斯抽采鉆孔可視為微型圓形巷道，為防止因鉆孔變形破壞而影響抽采效果，鉆孔封孔段同普通巷道一樣需要有效的支護(hù)?；谶@一認(rèn)識作者提出了主動(dòng)支護(hù)式封孔 原理，其基本思想是：在封孔段對鉆孔施加主動(dòng)支護(hù)，可壓實(shí)鉆孔周圍煤體（壓密初始裂隙），阻止鉆孔變形，使 鉆孔長期保持穩(wěn)定（防止新裂隙生成和擴(kuò)展），從而使鉆孔周圍煤體長期保持低透氣性狀態(tài)，為長效封孔創(chuàng)造有利條件。 主動(dòng)支護(hù)式封孔原理的理論基礎(chǔ) 下面運(yùn)用巖石力學(xué)相關(guān)理論對上述原理作簡要分析。 鉆孔成孔后，由于應(yīng)力重新分布，鉆孔周圍煤巖中可能形成塑性區(qū)和彈性區(qū)，見圖 33。彈塑性支護(hù)理論將“支護(hù)－圍巖”作為一個(gè)共同體系，通過對圍巖的彈塑性分析，獲得圍巖應(yīng)力、變形、支護(hù)阻力和塑性區(qū)半徑的彈塑性解答。 彈塑性支護(hù)理論的基本假設(shè)有： ① 應(yīng)力、位移是是連續(xù)的，圍巖變形滿足變形協(xié)調(diào)方程； ② 所求解的是平面應(yīng)變問題； ③ 圍巖是均質(zhì)和各向同性的，原巖應(yīng)力各向等壓； ④ 圍巖是理想彈塑性體，體積不變，塑性條件為莫爾－庫侖準(zhǔn)則；⑤ 圍巖和支架的變形是協(xié)調(diào)的。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 16 4321Pr 圖 33 鉆孔周圍應(yīng)力狀態(tài) 2－塑性區(qū)； 4－彈性區(qū) 1－松動(dòng)區(qū)（松動(dòng)圈）； 3－承載區(qū)； 4－初始應(yīng)力區(qū) 假定 C 、 ? 值不變，軸對稱條件下圍巖應(yīng)力及變形的彈塑性解答為： 塑性區(qū)應(yīng)力： ? ? ??? ?? 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