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1、1 非带压封孔技术1.1 水泥砂浆封孔适用性：水泥浆封孔一般用于钻孔长度较长、倾角较大的情况；对近水平、 缓倾斜煤层钻孔密封，水泥浆靠自然下沉凝固，容易形成月牙形的孔隙，效果不 佳。作用原理： 为避免水泥浆凝固后收缩， 常在水泥中添加膨胀剂制成膨胀不收 缩水泥封孔材料，孔周围的裂隙得到充填，封堵开孔时形成的孔裂隙漏气通道； 另一方面能够对钻孔封孔段形成支撑作用， 保证钻孔稳定， 钻孔周围不会在后期 产生新的漏气通道，避免后期钻孔漏气。应用情况： 膨胀不收缩水泥强度、气密性明显优于化学材料，比化学材料具 有更好的封孔效果，但是由于其封孔质量总体较差，目前已被逐步淘汰。1.2 高分子发泡材料封孔适
2、用性：高分子发泡材料固化后具有可塑性，微小压力下不易变形，与煤岩 体牢固粘结，操作简单，封孔快，早强性好；但这种材料难以抵抗煤层在地应力 采掘活动干扰下产生的蠕变， 抗压能力有限， 不能对钻孔周围形成有效的支护作 用。作用原理：高分子发泡材料封孔使用 A，B 双组份高分子有机材料，在封孔 时通过 A，B 两种组分材料混合发生化学反应膨胀而填充抽采钻孔裂隙。应用情况： 高分子发泡材料在前几年较广泛使用， 由于近年来对封孔质量要 求更高，高分子发泡材料封孔技术已逐步被“两堵一注”封孔技术、二次封孔技 术取代。1.3 机械式封孔机械式封孔一般使用可以重复利用的封孔器密封煤层瓦斯抽采钻孔， 主要有 机
3、械弹性膨胀体封孔器、水力膨胀式封孔器、充气式封孔器。实用性： 水力膨胀式封孔器和充气式封孔器在使用过程中需要另外专门敷设一条水 管或气管，使得工作量加大，并且会使装置重量增大，操作不便。机械弹性膨胀体封孔器，利用留在钻孔外面的机械机构使得内外管相对运动，挤压封孔器前端的橡胶可膨胀圈，使之在径向方向膨胀进而将钻孔严密封堵。 该装置适用于岩柱比较完整致密的地质条件，优点是封孔工艺操作过程简单，封 孔器可以重复多次使用，能够应用在短时间内的快速封孔。不适用于松软破碎煤 岩钻孔和深度较大钻孔，封孔距离短，封孔质量差，瓦斯抽采效率低下，不能保 证长效的封孔效果。2 “两堵一注”带压封孔技术2.1有机一无
4、机材料组合封孔抽垂育柠制闻抽釆筲!:t无粗村料抽釆花讦-I- - - :- r有札材料图2-1有机一无机材料组合封孔工艺使用有机材料固化速度快且封孔工艺简单， 但有机材料发泡后内部产生孔隙 较大的蜂窝多孔状结构，形成相互导通的腔体阵列，有机材料与钻孔壁的结合面 不稳定，会在材料与孔壁之间形成漏气通道。使用无机材料比如水泥浆封孔时，由于材料分子较小，与煤层有很好的亲和 力，比较容易进入并充填孔壁裂隙且改变煤层结构，能够提高煤体的抗压强度， 对煤体产生加固作用，但水泥浆凝固后会与煤壁之间形成一层黏结层，且黏结层 与钻孔壁会产生裂隙，使得结合面渗透性变差。通过有机材料与无机材料组合，能够克服各自单独
5、使用时的缺点，既能充填 原有裂隙又能防止产生新的漏气通道，从而有效提高瓦斯抽采浓度与效率。2.1.1径向膨胀渗透封孔技术（2013）封孔材料采用膨胀封孔剂为封孔材料，该材料具有初凝时间和强度可调、凝固后不析水、膨胀系数高和膨胀后致密性强、成本较低等特点 封孔深度合理封孔深度的设定原则就是最大限度地抽采煤体瓦斯和使煤体卸压，范围为超过巷道松动圈且小于应力集中峰值点。该技术主要通过钻屑量变化来作为确 定范围的依据。封孔工艺钻孔施工完成后先注入聚氨酯使其在钻孔中形成封孔空腔；将膨胀封孔剂和水按1 : 1混合倒入注浆泵中，搅拌均匀使之无沉淀；连接注料管，以23 MPa 的压力将浆液注入封孔空腔，注满后
6、维持注料压力1015 min。瓦斯,聚氮酯封孔段膨胀封孔剂抽冬管. /注料管LAJL图2-2径向膨胀渗透封孔技术原理示意效果采用径向膨胀渗透封孔技术的钻孔瓦斯抽采体积分数提高21%32%,平均瓦斯抽采流量提高0. 016 m3 /min。2.2赛瑞封孔剂带压封孔材料及其特性：赛瑞封孔剂属于聚氨酯类高分子聚合材料， 是在聚氨酯材料 中加入微膨胀颗粒，从而增加其膨胀性与渗透性，比聚氨酯材料具有更强的可塑 性与抗压强度，能够与钻孔壁紧密粘结。工艺：将赛瑞封孔剂涂抹在棉纱上使其在钻孔两端形成封堵段，然后利用用手动注浆泵将赛瑞封孔剂压入密闭空间。适用性：通过带压注浆使浆液更好的渗入钻孔周围裂隙。赛瑞封孔
7、剂固化后 不能保持柔性状态，难以抵抗采动影响产生的钻孔变形，后期容易产生漏气通道。 操作过程复杂，工作量大，可能对员工身体有害。2.3囊袋式封孔技术朮泥注桨封礼段詹袋汴哦管逼桨背貴使抽朵巻处掘2 性浆皆 注浆泵图2-3囊袋式注浆圭寸孔工艺示意图工艺：封孔时使用一个预先制好的成品囊袋，囊袋中有注浆阀，中间有爆破 阀，利用高压泵向囊袋注入水泥浆封堵围岩漏气通道并且能减缓钻孔变形速度， 减小封孔段岩体的透气性。实用性：囊袋式封孔比聚氨酯具有更强的支护作用，能够实现任意角度的注 浆且封堵效果良好，现场操作简单封孔方便。但使用囊袋封孔时操作可靠性较差， 囊袋材料难以回收，且不适用于具有较丰富的裂隙和缝隙
8、的煤层卸压带。2.3.1气囊延时膨胀带压注浆封孔技术工艺：气囊延时膨胀带压注浆圭寸孔时利用两端气密性良好的气囊圭寸堵钻孔两 端形成密闭空间，气囊中提前加入药剂送入钻孔后药剂与水反应膨胀封堵钻孔周 围裂隙，反应时间可通过药剂量控制，药剂成本低且无毒。向密闭空间注入SNZQ -P型无机封孔材料，该材料能够高水灰比的情况下快速凝固，且固化后致密性 良好，形成高强度致密体。良好的流动性和渗透性使材料能快速填充裂隙，充分 覆盖钻孔周围的松动圈。实用性：气囊延时膨胀带压封孔技术在神华宁煤集团汝箕沟煤矿、国投河南新能开发有限公司王行庄煤矿等推广使用，瓦斯抽采浓度比原有工艺提高近 5060%,且瓦斯抽采浓度衰
9、减速度明显降低，瓦斯抽采周期明显延长。气囊延 时对地质条件适应性差，操作过程瓦斯抽采钻孔需要提前准确计算合适的封孔深 度、封孔长度、封孔半径和注浆压力等相关参数，否则就会影响瓦斯抽采浓度。2.3.2钻屑回填封孔技术爆破阀注浆管原理：该装置的原理是在离孔口位置 1m内有1个1m长的囊袋，在离花管 位置1m处有1个1m长的囊袋，2个囊袋所包裹的注浆管段均有1个出浆口。 在注浆管中部有1个爆破阀，其作用是在2个囊袋充满浆液固料后，随着注浆管 内浆液压力增大而爆破，进而使浆液充满整个抽放钻孔。2.3.3新型囊袋式封孔装置图2-5囊袋式注浆封孔器示意图组成：囊袋式注桨封孔装置组件有囊袋、后堵头、前堵头、
10、中部支撑件、出 浆控制阀、逆止阀等。工艺：在前堵头上开管孔，管孔用来穿套瓦斯抽采管，管孔内安装有密封装 置，并通过销钉使囊袋式封孔装置与瓦斯抽采管连作一体；出浆控制阀安装在中部支撑件上，出浆控制阀的作用是控制囊袋内浆液向囊袋外出浆的最小出浆压 力，保证出浆控制阀出浆之前，囊袋能够充分膨胀并接触钻孔壁； 前堵头设有管 孔和注浆孔，管孔用来穿套抽采管， 注浆孔用来插接注浆管，并在注浆孔内安装 逆止阀，注浆管与注浆孔之间采用易剪断注浆压力控制销联结，当注浆压力达到设定数值时，注浆压力控制销自动剪断，注浆管自动与注浆孔脱离。实用性：囊袋式注浆封孔经过长期抽采还可以保持较高的瓦斯浓度， 比聚氨 酯有持久
11、高效抽采效果，证明囊袋式注浆封孔技术适合长时间的瓦斯抽采，减少 瓦斯抽采周期，加快工作面回采，并对工作面安全高效生产提供了技术支持。2.3.4 基于 PD 密封材料的钻孔封孔技术材料：PD密封材料以微胶囊化技术为技术基础，胶囊平均粒径为15 000卩m,为平滑的球状，体积膨胀倍数为 1.29。PD材料是将膨胀水泥与高水材料 配方有机结合并加入若干种增稠、 保水材料而形成的新型无机膨胀材料， 其具有 水泥砂浆的强度，同时又具有聚氨酯的膨胀性能。PD 在初成时溶液稀释，容易注浆。浆液注入钻孔后向钻孔周边裂隙高强度 地渗透，使得材料与煤体或岩体紧密粘合在一起， 1 2 h 后逐渐变稠，体积不 断膨胀
12、，强度逐渐增加， 4 8 h 后浆液凝固为具有一定韧性的柔软固体，因而 能够避免钻孔密封后密封材料因自身原因或者在地压作用下产生新的裂隙， 并在 此状态上能够保持较长时间工艺： 封孔时，先将封孔器两端的囊袋充满聚氨酯或者其他浆液，利用其膨 胀固化效应，在钻孔两端起到暂时封堵作用，然后对中间段实施 2 次带压注水 泥砂浆充填封堵。使用专用封孔囊袋将封孔管前后端套住并各自密闭绑扎， 使用自制的压风充 填容器将混合后的聚氨酯液先充填至封孔段的两端， 使其在密闭的封孔囊袋内发 泡膨胀，将两端充填并固定。 接着使用注浆泵将混合好的水泥砂浆向封孔段中间 部位进行充填。返浆后，停止注浆，间隔约 2h,待水泥
13、浆沉淀收缩，再加注第2 次，保持注浆压力在 46MPa,此时暂时密闭返浆管口，在泵压作用下浆液不 断地渗透到钻孔周围煤、岩层的各个裂隙里面，同时含 PD 材料的浆体强度不断 增加至柔软的固体程度，并与煤、岩紧密结合，形成一体，泵压稳定在6MPa直至注浆结束。实用性：基于 PD 密封材料的“两堵一注”二次带压加注水泥砂浆封孔技 术的实质是在传统“两堵一注”水泥砂浆封孔工艺中增加了 PD 密封材料，带 压注浆，同时增加了一次带压注浆过程，强化了裂隙封堵效果。2.3.5 预制粉料充填封孔技术图2-6封孔系统构成示意图原理：预制充填具有“封-固”二重功效颗粒。预制充填封孔技术主要基 于裂隙分级条件对应
14、的粉料贝雷法级配。 根据煤岩结构中的孔隙-裂隙分布， 选 取材料级配设计方案，完成孔隙-裂隙的有效填充 ；为保证充填封闭完整性，采 用膨胀材料完成裂隙内颗粒的混合固结， 实现结构重构，将材料颗粒与煤岩融为 一体，实现高效密封，并有效加固钻孔结构。工艺：填充材料粒度级配选取是根据具体的煤岩特性和钻孔施工条件配制， 填充材料为混合物，主要包含具备膨胀、黏结特性的无机材料和支撑剂。在施工 钻孔后，完成封孔系统安装，采用聚氨酯完成固定封闭后，开启高压风管和抽放 泵的“高压吹送 -负压抽采”联合模式，将预制粉料输入目标孔段 ；继而将浓 度适当的泥浆泵泵入，当抽采孔反水，或抽采负压显著提高后，封孔技术达标
15、。固化区固化区粉料水泥水泥砂集合固化復 控制区粉料-水泥尔混砂聚iZ合囲化区 控制医图2-7封孔效果示意图注入压力计痒1 煤岩结构分析抽采负压 评估血职於収Wi机械扰动计算IN1-地槪力信息注入粉料预测4隔走咚求粉料洽进速型一刑粉料吹达：忙浆卄孔度满融対孔成功压力梯般图2-8封孔流程示意图实用性：可以进一步提高封孔效果，尤其对于孔外漏气难题具有较好的适用 性。预制充填式封孔较传统水泥砂浆封孔效果明显提高，可有效提高瓦斯抽采浓度，降低煤层损害。2.3.6钻孔自适应动态密封技术s AM *：*.直M尊址；2.兼肝誠-图2-9封孔器设计原理示意图原理：该技术以“固封液”和“液封气”系统为基础，充分利用封孔器固体封孔段壁面良好的柔软性、弹性和充胀后的承压性，使封孔器不但能适应钻孔表面各凹凸不平的形状，而且对钻孔后续发生形变、缩径与塌孔都具有很好的自适应带压密封效果，保证空腔内注入的高压密封液向周围煤体内渗入，从而在钻孔径向方向形成渗流圈，充填各应力作用形成的漏风圈裂隙， 达到单个钻孔的最佳 密封效果
