【正文】 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。兩者的效果幾乎是一樣的，只能做為臨時(shí)性封孔。 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。 （ 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。 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。另外，為了采煤需要必須在采煤之前回收注管，對(duì)配套裝備和井下空間環(huán)境有特殊要求。 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。 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 。 ② 聚氨酯材料 強(qiáng)度低可壓縮量大、對(duì)鉆孔沒有足夠的支護(hù)作用，不能維護(hù)鉆孔的穩(wěn)定性?；谶@一認(rèn)識(shí)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(duì)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。 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。pR －有支護(hù)和無支護(hù)時(shí)的塑性區(qū)半徑 根據(jù)公式 3 3 3 36 作出無支護(hù)和有支護(hù)時(shí)鉆孔周 圍應(yīng)力變化圖，如圖 34 所示。鉆孔周圍漏氣區(qū)呈圓環(huán)狀，這里稱圓環(huán)狀漏氣區(qū)為漏氣圈，漏氣圈的面積為： ??? 39。 ，由公式 37 可繪出漏氣圈截面積 S 和 q 、 C 、? 三者的關(guān)系曲線，如圖 45 所示。因此，采用主動(dòng)支護(hù)式封孔，并對(duì)鉆孔壁實(shí)施注漿加固，是煤層鉆孔的封孔方向。煤柱破壞后仍具有一定的殘余強(qiáng)度，隨著塑性變形的增加， ?、C 等隨之減少 ，呈 現(xiàn)應(yīng)變軟化的特性。 ② 模型是由實(shí)體簡化而不失真，模型的設(shè)計(jì)必須能夠很好地反映材料的物理力學(xué)性態(tài)，如材料的不均勻性、不連續(xù)性、各向異性、非線性、低抗拉等特性。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 20 ⑵ 計(jì)算區(qū)域的確定 晉煤集團(tuán)成莊礦位于晉城西北部，是一座年產(chǎn) 800 萬噸的現(xiàn)代化礦井，井田內(nèi)主要采 3 號(hào)及 9 號(hào)煤層。 參考該礦 3號(hào)煤層得到該條件下煤巖體 物理參數(shù)見表 31： 表 31 煤層物理力學(xué)參數(shù) Physical mechanics parameters of coal seal 煤層 密度 / Kg/m3 體積模量 K /GPa 剪切模量G/GPa 粘結(jié)力C/MPa 內(nèi)摩擦角? /（ 186。 由于 在成莊礦采用的鉆頭為 89 mm， 擴(kuò)孔后能達(dá)到 100 mm，但 因此鉆孔直徑取 100 mm。 圖 36 網(wǎng)格劃分 與邊界條件 ⑷ 、 邊界條件和載荷模式 模型采用的加載方式為先加載后開挖， 模型四周邊界均施加水平位移約束，底邊界均施加水平位移及垂直位移約束，上部邊界為自 由面，上部邊界以上的巖層作為外荷載施加在模型的上邊界，見圖 36。當(dāng)注漿壓力繼續(xù)增加，達(dá)到 時(shí)，鉆孔周圍的塑性區(qū)范圍明顯的減小，其范圍為，相對(duì)于 ，其塑性區(qū)范圍減小了 ，可見，在一定的范圍內(nèi)提高注漿壓力，能使鉆孔周圍的塑性區(qū)范圍減小，使鉆孔周邊的穩(wěn)定，有利于瓦斯的抽放。 由于鉆孔的開掘，煤體原有的應(yīng)力平衡被打破，煤體中的應(yīng)力重新分布，引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力值接近或超過圍巖的破壞強(qiáng)度時(shí)，鉆孔周圍煤體將破壞，隨著煤體破壞程度加劇，煤巖體應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。我們結(jié)合國內(nèi)情況提出了一種成本適中、抽放效果能夠得到顯著改善的封孔技術(shù)裝備和器材。該裝置通過兩個(gè)囊袋封堵一段鉆孔，兩個(gè)囊袋之間有一段塑料管，塑料管上開設(shè)有鉆孔注漿口，通過鉆孔注漿口向兩個(gè)囊袋之間的鉆孔注漿，并形成注漿壓力使?jié){液向鉆孔壁滲透。筒狀螺紋布為囊袋提供強(qiáng)度，筒狀本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 26 橡膠為囊袋提供密封性，兩者的性能得到合理匹配和互補(bǔ)。增加封孔段長度的措施主要是增加塑料出漿管的長度，對(duì)封孔段長度沒有限制，一般情況下，封孔段長度越大，封孔效果越好。 如圖 44， 圖 44 鉆孔注漿閥 鉆孔注漿閥主要有塑料件和鋼珠彈簧組成，彈簧的選擇要考慮兩個(gè)因素：第一，保證囊袋的充分膨脹；第二，保證較小的壓力損失。 ⑹ 塑料 堵 頭件是個(gè)整體注塑件，要求有較高的強(qiáng)度，需要采用工程塑料，我們實(shí)際應(yīng)用中采用纖維增強(qiáng)尼龍塑料，其形狀要考慮囊袋與其聯(lián)接的要求。實(shí)際應(yīng)用中我們采用的是外徑Φ 35 的聚乙烯管材。 注漿時(shí)漿液在注漿壓力作用下 充填 鉆孔周圍的裂隙，起到封堵初期漏氣通道的作用 ，見圖 410。 注漿材料初凝后發(fā)生體積膨脹， 可產(chǎn)生 膨脹力 ，對(duì)鉆孔施加第二次封孔支護(hù)力。注漿材料選材與配比是否合理，直接影響封孔效果，因此研制注漿材料也是本研究的關(guān)鍵內(nèi)容。 ⑶ 封孔材料的強(qiáng)度和硬度不能過高 封孔材料凝結(jié)后在煤體里留下一個(gè)長度數(shù)米的圓柱體，采煤工作面采煤機(jī)割煤時(shí)要切割這些圓柱體，如果封孔材料的強(qiáng)度和硬度 過高，采煤機(jī)割煤時(shí)可能引起切割火花，給采煤工作面帶來安全隱患。 ⑸ 注漿材料必須有一定的早強(qiáng)性 鉆孔是個(gè)微型的全煤巷道，鉆孔在地應(yīng)力作用下將發(fā)生變形，若不及時(shí)支護(hù)，松動(dòng)圈會(huì)不斷擴(kuò)大，因此注漿施工之后，要求注漿材料在較短的時(shí)間內(nèi)凝固，并有一定的強(qiáng)度，盡早對(duì)鉆孔實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，防止鉆孔的變形。試驗(yàn)要求在封孔 7 小時(shí)后水泥漿體的強(qiáng)度能達(dá)到 4Mp 左右，并且能至少保持 30 分鐘較好的流動(dòng)性，以滿足注漿時(shí)間。CaS04)和β 型 硅酸二鈣 (β –2CaO 12h～ 1d 的抗壓強(qiáng)度可達(dá) 35～ 50MPa， 3d 抗壓強(qiáng)度可達(dá) 50～70M Pa。 ⑶ 高抗?jié)B性能 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 34 硬化后的水泥結(jié)構(gòu)較致密，配制的混凝土的抗?jié)B性是同標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥混凝土的 23 倍。維持這一干燥環(huán)境需要將使水灰比降低到一定的程度，這一程度與完全水化時(shí)的理論需水量有關(guān)。研究表明，在一定的水灰比下，硫鋁酸鹽水泥混凝土內(nèi)部可以產(chǎn)生一個(gè)“自干燥”的環(huán)境，并具有維持這一干燥環(huán)境的能力，使混凝土結(jié)構(gòu)獲得水的可能性大大減小。在 0℃ ～ 10℃低溫下使用，早期強(qiáng)度是硅酸鹽水泥的 5～8 倍。它與傳統(tǒng)的水泥有很大的區(qū)別。硫鋁酸鹽水泥是以無水硫鋁酸鈣(3CaO 本 研究 采用硫鋁酸鹽水泥 作為注漿材料主要組分 的原因是 基于高強(qiáng) 、超早強(qiáng)、微膨脹、可注性好等技術(shù)要求 。 ⑷ 注漿材料必須在一定時(shí)間內(nèi)有較好的流動(dòng)性 雖然封孔注漿施工可以采用風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)注漿設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速注漿施工，但在設(shè)計(jì)材料流動(dòng)性時(shí)必須以手動(dòng)施工的時(shí)間來考慮，因?yàn)檎谧{施工的過程中可 能出現(xiàn)停電或停高壓風(fēng)情況。 ⑵ 封孔材料應(yīng)具有膨脹性 封孔材料的膨脹性對(duì)封孔效果十分重要，如果材料沒有膨脹性而有收縮性，那么就去不能取得應(yīng)有封孔效果。在注漿壓力作用下，部分注漿材料進(jìn)入鉆孔周圍的裂隙，使封孔段鉆孔周圍的煤體強(qiáng)度得到提高，即提高 C 值和 ? 值。封孔支護(hù)力包括注漿壓力和注漿材料微膨脹產(chǎn)生的膨脹力。 先向囊袋注漿，通過囊袋膨脹后封堵封孔段鉆孔，然后囊袋內(nèi)的漿液再向鉆孔壁注漿，通過巧妙的裝置（注漿囊袋）實(shí)現(xiàn) 封孔段鉆孔的注漿 ，解決了多年來人們沒有解決的 任意角度注漿封孔 的難題。 囊袋與塑料堵頭件之間的聯(lián)接是關(guān)鍵技術(shù)之一 。 ⑸ 注漿管采用普通的液壓膠管，其核心技術(shù)在于注漿管與塑料堵頭件 之間的聯(lián)接方法，我們采用可剪斷銷聯(lián)接，當(dāng)注漿壓力達(dá)到規(guī)定的注漿壓力時(shí)，剪斷銷自動(dòng)剪斷，注漿管與 塑料都頭件之間自動(dòng)分離，個(gè)別情況下可人力輔助將注漿管拔出。 圖 43 漿管 ⑶ 鉆孔注漿閥是個(gè)具有控制閥壓力的單項(xiàng)閥，只有當(dāng)囊袋充滿漿液并完全本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 27 膨脹后，鉆孔注漿閥才能打開，向鉆孔注漿，并且漿液一旦從塑料出漿管出來之后不能再返回囊袋之中。復(fù)合囊袋的加工制作是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。 圖 41 囊袋式注漿封孔法原理圖 1復(fù)合囊袋 2塑料出漿管 3鉆孔注漿閥 4囊袋注漿閥 5注漿管 6塑料堵 頭件 7封孔抽采管 8漿液滲透區(qū) 下面結(jié)合圖 31 對(duì)囊袋注漿封孔法的原理加以說明： ⑴ 復(fù)合囊袋是由筒狀螺紋布與筒狀橡膠復(fù)合而成。 這種封孔方法， 一方面能使鉆孔周圍的裂隙得到充填，消除開孔時(shí)形成的漏氣通道（裂隙），即消除初期漏氣通道；另一方面能使 鉆孔得到可靠的支護(hù)，保證鉆孔的穩(wěn)定，使鉆孔周圍不再產(chǎn)生新的漏氣通道（裂隙），即避免后期漏氣通道的產(chǎn)生和發(fā)展。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報(bào)告 25 4 新型封孔方法配套封孔器材的研究 國內(nèi)本煤層瓦斯抽采封孔 ， 主要采用高分子發(fā)泡材料封孔法，前面已經(jīng)分析說明，這種封孔方法 是不可能取得良好效果的，也是國外放棄采用的原因。 F L A C 3 D 2 .1 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a p o lis , M N U S AS t e p 1 1 0 1 M o d e l P e r s p e c t iv e0 9 : 5 9 : 3 8 S a t A u g 2 7 2 0 0 5C e n t e r : X : 6 . 0 0 1 e 0 0 3 Y : 7 . 5 0 0 e 0 0 1 Z : 2 . 8 4 0 e 0 0 3R o t a t io n : X : 0 . 0 0 0 Y : 0 . 0 0 0 Z : 0 . 0 0 0D is t : 5 . 0 0 0 e + 0 0 1 M a g . : 1 8 . 8A n g . : 2 2 . 5 0 0Job T itle: 注漿壓力對(duì)鉆孔的影響V iew T itle: B l o c k S t a t eN o n es h e a r n s h e a r ps h e a r p F L A C 3 D 2 .1 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a p o lis , M N U S AS t e p 1 1 0 1 M o d e l P e r s p e c t iv e1 0 : 1 5 : 7 S a t A u g 2 7 2 0 0 5C e n t e r : X : 2 . 4 6 5 e 0 3 Y : 7 . 5 0 0 e 0 1 Z : 1 . 0 7 2 e 0 0 3R o t a t io n : X : 0 . 0 0 0 Y : 0 . 0 0 0 Z : 0 . 0 0 0D is t : 5 . 0 0 0 e + 0 0 1 M a g . : 1 8 . 8A n g . : 2 2 . 5 0 0Job T itle: 注漿壓力對(duì)鉆孔的影響V iew T itle: B l o c k S t a t eN o n es h e a r n s h e a r ps h e a r p a 注漿壓力為 b 注漿壓力為 F L A C 3 D 2 .1 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a p o lis , M N U S AS t e p 1 1 0 1 M o d e l P e r s p e c t iv e1 0 : 2 6 : 2 9 S a t A u g