浅析井下瓦斯抽采钻孔封孔技术现状与进展_李桂明.pdf

浅析井下瓦斯抽采钻孔封孔技术现状与进展李 桂 明（贵州能源产业研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）摘要：钻孔封孔技术是决定井下瓦斯高效抽采利用的重要因素之一。基于大量文献调研，对现有的井下瓦斯抽采钻孔封孔技术按封孔工艺分为一次封孔技术和二次封孔技术进行论述。分类列举了几种典型的封孔技术，并总结各类封孔技术的适用条件及优缺点。在综合分析一次封孔技术和二次封孔技术不足的基础上，展望了其未来的发展趋势。研究认为：二次封孔技术相较于一次封孔技术虽能有效地封堵新生裂隙，延长钻孔的服务时间，保证连续高效地抽采瓦斯等优势，但仍存在密封工序复杂、人为因素多、操作时间长、密封成本高等问题亟需解决；对漏气失效钻孔进行修复和再处理，延长钻孔服务时间将成为我国煤矿瓦斯抽采技术的关键环节；钻孔封孔技术将趋向自动化、无人化、智能化，钻孔智能探测技术、钻孔围岩智能识别技术、封孔智能控制技术、封孔智能执行技术的研发将成为我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔技术的主要研究方向。关键词：瓦斯抽采；一次封孔技术；二次封孔技术；封孔原理中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0001-05Classification and current status of borehole sealing technology for downhole gas extractionLI Guiming（Guizhou Energy Industry Research Institute Co.LTD，Guiyang550000，China）Abstract:Borehole sealing technology is one of the important factors determining the efficient drainage and utilization of underground gas.Based on a large number of literature research,the existing borehole sealing technology for underground gas drainage is divided into primarysealing technology and secondary sealing technology according to the sealing technology.Several typical hole sealing technologies are listed,and the applicable conditions,advantages and disadvantages of various hole sealing technologies are summarized.Based on the comprehensiveanalysis of the shortcomings of primary sealing technology and secondary sealing technology,its future development trend is prospected.Theresearch shows that compared with the primary sealing technology,the secondary sealing technology can effectively block the new fractures,prolong the service time of drilling and ensure continuous and efficient gas extraction,but there are still some problems to be solved,such ascomplex sealing process,many human factors,long operation time and high sealing cost;Studying the repair and reprocessing technology ofgas leakage and failure drilling and prolonging the drilling service time will become the key link of coal mine gas drainage technology in China;The drilling and sealing technology will tend to be automatic,unmanned and intelligent.The research and development of drilling intelligentdetection technology,drilling surrounding rock intelligent identification technology,sealing intelligent control technology and sealing intelligentexecution technology will become the main research direction of coal mine gas drainage drilling and sealing technology in China.Key words:gas extraction；one-time hole sealing technology；secondary hole sealing technology；hole sealing principle0引言井下瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患，因此对井下瓦斯进行综合治理尤为重要 1-3。其中，瓦斯抽采浓度偏低是极为不利的，一方面，瓦斯抽采浓度偏低使得抽出的瓦斯难以被利用，大部分抽放瓦斯直接排入大气，破坏大气环境；另一方面，瓦斯的浓度可能处于较低的安全水平，极易造成瓦斯爆炸、燃烧等安全事故。因此，提高瓦斯抽放浓度是保证煤矿安全生产和瓦斯高效利用的重要任务。由于井下钻孔具有施工简便、成本低等优点，所以井下钻孔抽采瓦斯工艺在我国煤矿中应用最为广泛。然而引起瓦斯抽采浓度偏低的因素很多，其中一个关键因素就是瓦斯抽采钻孔漏气。由于瓦斯抽放过程中钻孔漏气，外界空气在抽采负压下进入抽放系统，导致抽采瓦斯浓度偏低 4-5。为了解决瓦斯抽放孔的瓦斯泄漏问题，必须弄清瓦斯抽放孔的泄漏机理，提出有效的封孔措施，是实现瓦斯高效抽放和利用的有效手段。在此基础上，系统地分类梳理了我国现有的瓦斯封孔技术，简述了瓦斯封孔技术的基本原理，在总结分析其发展现状和技术瓶颈的基础上预测了未来的发展趋势，为我国煤矿瓦斯抽放封孔技术的发展指明了方向。1封孔技术分类目前，我国煤矿井下所采用瓦斯抽采钻孔封孔2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷基金项目：贵州省煤层气（煤矿瓦斯）抽采提产增效关键技术及工程试验，黔科合战略找矿2022ZD001；贵州省页岩气效益开发关键技术及工程试验，黔科合战略找矿2022ZD0051DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.002技术按封孔工艺大致分为两大类：一次封孔和二次封孔。一次封孔技术是指使用封孔设备和封孔材料按照一定步骤和工序将抽采钻孔进行一次性封堵密实，从而使瓦斯抽采达到一个预期的效果。一次封孔技术大致分为非带压封孔技术和带压封孔技术；二次封孔又称为二段封孔或二重封孔，通常指在对瓦斯抽采钻孔进行了一次封孔处理后再次进行第二次封孔处理的方法。2一次封孔技术现状2.1非带压封孔在非带压封孔方面，比较常见封孔方式主要为膏体封孔、高分子发泡材料封孔、封孔器类封孔。该类封孔技术操作工序较简单、封孔成本地，但是封孔效果不够理想、容易漏气，不能对钻孔周围裂隙进行有效地封堵。1）高分子聚合发泡材料封孔：采用高分子聚合发泡材料进行封孔时，使用 A 和 B 两种类型的有机聚合物，使其混合产生化学反应，膨胀并填补抽采钻孔的裂缝 14。高分子聚合发泡物硬化后具有可塑性，在低压下不易变形，与钻孔周围煤岩体紧密粘结，使钻孔密闭良好。该方法操作方便，封堵时间快；但这类聚合材料很难抵抗地应力活动干扰引起的蠕变效应，承压能力有限，难以对钻孔周围煤岩体进行有效支护。2）封孔器类封孔：目前井下所采用的封孔器主要有水力膨胀式封孔器、机械弹性膨胀体封孔器、充气式封孔器和胶圈封孔器封孔15。采用胶圈封孔器封孔时，其设备和操作工序简单、成本低、可回收利用，但是封堵长度较短、容易漏气、封孔效果不够理想、很满足抽采需要，现在的矿井基本不使用该封孔技术；采用充气式封孔器和水力膨胀式封孔器密封时，需另配专用的气管或水管，故增加了工程量和装置重量，使操作变得复杂；而机械弹性膨胀体封孔器是当前井下使用较为广泛的。采用该技术封堵时，钻孔口处的机械设备使得内外管相对移动，封孔器孔前端的可拉伸橡胶圈受到挤压，使其径向延伸，然后将钻孔牢牢堵住15。此封孔方法适用于地质条件相对完整、致密的煤岩体。其优点是密封工艺简单，密封装置可重复使用，可实现抽采钻孔的快速密封。但该技术很难适应松软煤岩钻孔和深部钻孔，有效密封时间短，不能长期保证钻孔的密封效果，因此主要适用临时瓦斯抽放孔的密封。2.2带压封孔技术在带压封孔方面，主要封孔技术有水力压裂钻孔封孔技术、非凝固恒压浆液封孔技术、“二堵一注”带压封孔、“三堵两注”封孔技术等，该类封孔技术克服了常规封孔材料的缺点，解决了瓦斯抽采过程中新生裂隙难以封堵的问题 6-9。采用带压注浆技术，使煤岩体中的裂缝充填密实，裂缝得到加固，所以抽放钻孔的密封性良好，有效地解决了孔内瓦斯泄漏问题，从而提高了瓦斯抽采效果。2.2.1水力压裂封孔水力压裂钻孔封孔技术，采用高强度组合封孔器及组合封孔工艺进行封孔，其设计如图 1 所示 9。在瓦斯抽采孔封堵段的前端和末端分别设置 1 个高压胶囊，然后将有机封堵材料分别注入 2 个高压胶囊内使其膨胀，从而使囊袋紧贴钻孔壁；再采用高压注浆泵将有机密封材料注入 2 个高压胶囊之间的封闭空间。在高压作用下，封堵材料受到挤压后进入钻孔周围的裂缝，随后发生化学反应并膨胀。嵌入裂隙中的封堵材料硬化与煤岩形成一体，为水力压裂创造了高压致密环境。图 1新型高强度封孔器设计图采用该封孔技术基本堵绝了窜浆、漏浆、跑浆等问题，大大缩减了松软煤层因其裂隙发育而所需的封堵时间，降低封孔成本，有效地提高了封孔成功率，使水力压裂工作得以顺利进行，为提高低透性煤层的瓦斯抽放率奠定了基础。但采用该技术时需要计算注浆压力和注浆量，其计算方法不够成熟，且在操作过程中浆压力和注浆量不易把控，误差大。2.2.2非凝固恒压浆液封孔非凝固恒压浆液封孔技术，采用非凝固恒压浆液材料封堵钻孔，该封堵材料具有良好的流动特性及固态封堵的能力，故能够实现瓦斯抽采钻孔动态封孔 8。封堵时，在封堵段两端分别布置一个聚氨酯囊袋让其形成一个密闭空间，然后利用注浆泵以一定的压力将具有半流体性质封孔材料注入密闭空间，填满封闭空间后，在压力下持续注射一段时间，达到压力阈值后停止注浆。注入封堵段的密封材料2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷2始终保持相对恒定的压力状态，因此当钻孔周围出现新发育的裂缝时，封孔材料能够主动渗透，自动填充裂缝并隔离漏气通道，其封孔方法示意见图 2。图 2非凝固恒压浆液封孔示意在瓦斯抽放过程中，封堵段内的封堵材料不会脱水，始终保持半流体状态，因而对含水瓦斯钻孔有很强的适应能力，实现了“液封固”的设想。封孔材料主要为无机材料，制备过程中不产生热量，不会危及井下安全生产。所以该技术克服了常规封孔材料的缺点，解决了瓦斯抽采过程中新生裂隙难以封堵的问题，能最大限度的保证封孔质量，并且非凝固恒压浆液材料有极强的价格优势。2.2.3“二堵一注”带压封孔“两堵一注”的带压封孔技术，其基本原理是：先在封孔段的两端分别布置 1 个袋装聚氨酯进行封堵后形成密闭空间，待封堵材料袋膨胀并凝结后，再对密闭空间进行注浆，在注浆压力的作用下，封堵材料向钻孔壁渗透并对其裂缝进行填充，从而保证了封孔质量 16-18。其设计如图 3 所示。图 3“两堵一注”的带压封孔“二堵一注”带压封孔使煤岩裂隙被封堵材料充分填充。钻孔两端密封，实现钻孔内带压注浆。通过带压注浆，对钻孔壁煤岩裂隙进行牢固充填加固，避免了孔内瓦斯泄漏，提高了瓦斯抽放效果。带压类封孔技术主要针对煤层破碎、松软、瓦斯抽采钻孔周围煤岩体裂隙发育、钻孔周边裂隙密封效果差等问题，可以有效地保证封孔质量，从而解决封孔后瓦斯抽采钻孔单孔浓度低甚至成为废孔的技术难题。与非带压类封孔技术相比，带压封孔的单孔日平均抽采浓度及平均抽采纯量提高数倍，可以延长抽采钻孔的有效抽采时间，并被得到广泛地应用。但是不能对抽采过程中在产生的新生裂隙进行再次封堵，从而导致瓦斯抽采浓度下降快，不能实现持续且高效地抽采瓦斯。3二次封孔技术现状在二次封孔方面，中国矿业大学课题组于 2007年首次提出了二次封孔方法和配套的封孔装置，并成功应用于山西晋城寺河矿 9。现有的二次封孔技术主要有囊袋式二次封孔技术、固体粉料二次封孔技术、聚氨酯-固体粉二次封孔技术及立体式“二次封孔”技术等 10-13。固体粉料二次封孔技术为钻孔抽采后期瓦斯抽采浓度的提高提供了新思路；聚氨酯-胶囊二次注浆封孔技术确定了近水平钻孔封孔长度，同时通过 2 个渗透扩散模型校验得到注浆扩散半径；立体式“二次封孔”技术能有效封堵串孔产生的裂隙，有效地阻断了外界空气进入瓦斯抽采钻孔，从而提高了瓦斯抽采浓度和钻孔利用率。3.1囊袋式二次封孔使用 3 个囊袋进行钻孔封堵，囊袋内部设置有单向逆止阀，2、3 囊袋之间设置爆破阀，1、2 囊袋之间设置二次注浆管 19，其设计如图 4 所示。无论是初次封孔还是二次封孔，均可以利用注浆泵来实现。图 4囊袋式二次封孔示意图囊袋二次封孔方法适应性比较强，适用于软煤层中各种瓦斯抽放孔，如穿层孔、顺层孔。此外，该封孔法可以实现定点长度封孔，与单一囊袋一次封孔技术相比，该装置实现了一次和二次封孔的一体化运行，优化了封孔工艺，有效封堵了抽采钻孔后期生成的裂缝，延长了钻孔服务时间，保证了瓦斯持续高效地抽采。3.2固体粉料二次封孔固体粉料二次封孔技术，在原有抽采钻孔周围施工修复孔 20-21。在钻孔负压和输送机正压的共同作用下，固体粉末被输送到钻孔周围的裂隙中，进而封堵漏气通道，提高了抽采钻孔的气密性，使瓦斯抽采浓度得到提升。其设计原理如图 5 所示。固体粉料由水泥、黏土及多种添加剂混合配制2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷3而成，具有粒径小、微膨胀、遇水渗透性强、粘度大等特点。这项技术的核心是将固体粉末输送到修复孔中。待修复孔施工完成后，将小口径的输送管伸入孔底，然后用透气棉纱封堵孔口。固体粉末输送的基本原理是：通过气体压缩设备压缩空气，使其进入环形腔后，在腔的中间形成一个低压区。在压差的作用下，大量的固体粉料及空气被吸入，二者汇合后形成高容量及高速的固气两相流从空气增强器中流出，通过输送管进入维修孔。高速空气将固体粉末通过输送管输送到钻孔底部后，通过修复孔流出钻孔。此时，大量固体粉料颗粒附着在孔壁上，剩余的少量固体粉料颗粒流到孔外，如图 6 所示。图 5固体粉料二次封孔示意图图 6修护孔孔口封堵示意图在瓦斯含量极低、煤岩体破碎的区域，采用该封孔技术可以提高瓦斯抽放浓度，具有一定的优势。然而，这项技术还不成熟，井下实测中仅少部分的钻孔瓦斯浓度得到提升，技术效果尚未达到预期水平。从目前技术水平来看，可行性较差。3.3聚氨酯-固体粉二次封孔聚氨酯-固体粉二次封孔基本原理：该封孔方法分两阶段进行：第一阶段中，在巷道松动圈以外用泡沫聚合物材料进行封堵，如图 7 所示。图 7第 1 次封孔阶段示意具体工艺为:将发泡聚合材料随抽放管绑在一块，随后一同送入钻孔封孔段，发泡聚合材料发生化学反应体积膨胀并密封钻孔，然后用速凝水泥将钻孔口封堵固定 22。封孔的关键是确定适当的密封长度，以确保密封段避开松散带，防止空气从破裂带渗入钻孔。抽放一段时间后，煤层的变形和位移会导致钻孔周围缝隙的延伸和发育，外部空气通过裂缝进入孔内，致使瓦斯抽放浓度迅速下降，即进入第二阶段的封孔。该封孔过程是以一定压力的高压空气将微膨胀粉吹入钻孔，待其充满钻孔时用速凝水泥封堵孔口，第二次封孔结束，如图 8 所示。微膨胀粉由水泥、石灰粉、工业强度粉和石膏粉等按一定比例配制而成，在抽放负压作用下，渗透到钻孔周围的裂隙并将其充填，有效地防止了外部空气的进入抽采系统，进而提高钻孔瓦斯抽放浓度 20。图 8第 2 次封孔阶段示意该技术具有良好的密封效果，能有效降低后期瓦斯浓度衰减率，延长有效抽采时间；实用性强，适用于不同变质程度的煤层钻孔。但密封过程复杂，人为因素多，操作时间长，密封成本高。3.4立体式“二次封孔”立体式“二次封孔”主要是在原有废孔的基础上进行 21-22。在废孔周围施工 3 个一定深度的钻孔，分别向孔内注入膨胀水泥，待其膨胀固化后，形成立体式密封，见图 9。立体式“二次封孔”能有效封闭废孔周围的裂缝，并在孔周围形成一个加固圈，防止空气从已发育的裂隙进入孔内。高强水泥材料不仅起到良好的加固作用，而且避免了裂缝的二次发育。图 9立体式“二次封孔”示意采用立体式“二次封孔”技术能有效封堵瓦斯抽放孔周围的裂缝，提高瓦斯抽放孔的密封性能，大大提升了单孔平均瓦斯浓度，延长了有效抽放时间，是一种防止抽采钻孔串孔的有效手段。该技术具有显2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷4著的经济效益，即节省时间和成本。二次封孔技术不仅能有效地封堵瓦斯抽放前钻孔周围的裂缝，而且能有效地封堵新生裂缝，进一步提高瓦斯抽放的密封性能，从而长期地保证了封孔质量，有利于延长钻孔瓦斯抽采衰减周期，提高瓦斯抽放浓度及流量，能实现连续高效地抽采瓦斯。然而，二次封孔技术存在密封工序复杂、人为因素多、操作时间长、密封成本高等问题。4结语1）一次封孔技术主要解决抽采前煤层破碎、松软、瓦斯抽采钻孔周围煤岩体裂隙发育、钻孔周边裂隙密封效果差等问题，可以有效地保证前期封孔质量。但是不能对抽采过程中在产生的新生裂隙进行再次封堵，从而导致瓦斯抽采浓度下降快，不能实现持续且高效地抽采瓦斯。2）二次封孔技术相较于一次封孔技术虽能有效地封堵新生裂隙，延长钻孔的服务时间，保证连续高效地抽采瓦斯等优势，但仍存在密封工序复杂、人为因素多、操作时间长、密封成本高等问题亟需解决。3）研究漏气失效钻孔的修复和再处理技术，延长钻孔服务时间将成为我国煤矿瓦斯抽采技术的关键环节。4）紧随井下瓦斯智能化抽采的步伐，钻孔封孔技术将趋向自动化、无人化、智能化，钻孔智能探测技术、钻孔围岩智能识别技术、封孔智能控制技术、封孔智能执行技术的研发将成为我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔技术的主要研究方向。参考文献：1 刘忠全，陈殿赋，孙炳兴，李健威.高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术J.煤炭科学技术，2021，49（5）：120-126.2 杨正凯，程志恒，刘彦青，王宏冰，杨鹏，孙福龙.突出煤层群多次采动对底板穿层钻孔瓦斯抽采的影响J.中国安全科学学报，2020，30（5）：66-73.3 连洪全.基于覆岩采动裂隙发育规律的高位抽采钻孔定位及封孔技术研究D.中国矿业大学，2020.4 程志恒，卢云，李海涛，王宏冰，浦仕江，孙福龙，娄亚辉.高位钻孔不同封孔方法质量检测及其优选J.中国安全生产科学技术，2020，16（6）：61-67.5 马智会，潘荣锟，马智勇，等.顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究J.煤炭科学技术，2020，48（8）：90-966 刘建海，张长远.新型封孔工艺在乌兰矿的应用J.煤炭技术，2011，30（7）：97-99.7 王帅.新型瓦斯抽采钻孔保压封孔技术 J.煤矿安全，2021，52（7）：61-66.8 汤红枪，程健维，王文滨，郝明跃，赵刚，施宇，张加齐.瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液封孔技术应用研究 J.煤炭工程，2019，51（2）：45-48.9 吕有厂，王玉杰，张建华，仝艳军.井下水力压裂钻孔封孔技术研究与实践J.煤矿现代化，2010（6）：33-34.10 张泽敏.固体粉料二次封孔技术应用 J.现代矿业，2016，32（7）：269-270，276.11 陈学习，张亮，毕瑞卿，张凯，徐永.聚氨酯-胶囊二次注浆封孔测压技术 J.华北科技学院学报，2016，13（2）：1-6.12 郭书明，荆炜琛.瓦斯抽采钻孔立体式“二次封孔”技术研究J.煤炭科技，2020，41（3）：64-66.13 周福宝，李金海，昃玺，等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究J.中国矿业大学学报，2009，38（6）：764-768.14 刘志强.平煤股份六矿远距离下保护层开采卸压增透消突效果考察及技术研究D.华北科技学院，2018.15 范付恒.回采工作面浅孔抽放快速封孔器的研制与应用J.煤矿开采，2006（4）：89-91.16 孟键，白鹏.“两堵一注”囊袋式带压注浆封孔工艺试验及效果分析J.中国煤炭工业，2017（4）：65-67.17 王兆丰，武炜.煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析J.煤炭科学技术，2014，42（6）：31-34，103.18 谷峰，赵庆红.顺层抽采钻孔粘液裂隙充填封孔技术研究J.内蒙古煤炭经济，2018（13）：3-5.19 孙玉宁，卢卫永.三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术研究J.中国安全生产科学技术，2015，11（3）：6869.20 张泽敏.固体粉料二次封孔技术应用 J.现代矿业，2016，32（7）：269-270，276.21 周福宝，夏同强，等.二次封孔粉料颗粒输运特性的气固耦合模型研究J.煤炭学报，2011，36（6）：953-958.22 周福宝，李金海，昃玺，等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究J.中国矿业大学学报，2009，38（6）：764-768.23 郭书明，荆炜琛.瓦斯抽采钻孔立体式“二次封孔”技术研究J.煤炭科技，2020，41（3）：64-66.24 高保彬，任闯难，等.煤层瓦斯抽采失效钻孔管底二次注浆技术研究J.煤炭科学技术，2021，49（5）：151-158.作者简介：李桂明（1990-），男，贵州贵阳人，硕士研究生，采矿工程师。（收稿日期：2022-9-20）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷5