基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法

摘要

基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法，包括以下步骤:（1）、确定封孔位置和封孔深度；（2）、确定具有自身致密性好、强度高、高膨胀性和强渗透性四个特点的封孔材料；（3）、安装径向强力膨胀抽采封孔装置；（4）、将径向强力膨胀抽采封孔装置插入到钻孔内膨胀封孔；（5）、待聚氨酯混合液包膨胀完毕，将孔口管与瓦斯抽采管连接，进行瓦斯抽采。本发明采用的装置结构简单，封孔速度快，操作简便，能使工人很快的熟练。本发明很好地提高了抽采钻孔的有效封孔长度，且由于封孔材料的致密性，完全能够承担钻孔与外界巷道的压力差，防止巷道内空气通过封孔材料自身可能存在的裂隙进入钻孔内。

权利要求

1.基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法，该方法采用径向强力膨胀抽采封孔装置，径向强力膨胀抽采封孔装置包括瓦斯抽采管，瓦斯抽采管外部由前到后依次设有均为圆环形的前固定挡板、前移动挡板、后移动挡板和后固定挡板，前固定挡板位于瓦斯抽采管前端，瓦斯抽采管外部在前固定挡板和前移动挡板之间设有前橡胶变形筒体，瓦斯抽采管外部在后移动挡板和后固定挡板之间设有后橡胶变形筒体，其特征在于：包括以下步骤：（1）、应用RFPA-3D数值模拟软件，分析巷道两帮与钻孔孔壁四周煤体裂隙情况，预测巷道两帮塑性变形区和钻孔环形卸压圈的范围，进而根据孔壁四周煤体的裂隙情况及封孔长度应不低于巷道两帮裂隙发育范围，确定封孔位置和封孔深度；

（2）、根据钻孔孔壁裂隙发育情况与孔壁裂隙特点，以及原有抽采瓦斯钻孔封孔技术及工艺存在的影响抽采瓦斯浓度与效果因素，确定具有自身致密性好、强度高、高膨胀性和强渗透性四个特点的封孔材料；

（3）、安装径向强力膨胀抽采封孔装置：径向强力膨胀抽采封孔装置还包括瓦斯抽采花管，瓦斯抽采花管后端与瓦斯抽采管前端连接，前移动挡板后表面设有前橡胶垫，后移动挡板前表面设有后橡胶垫，瓦斯抽采管外部在前橡胶垫和后橡胶垫之间设有聚氨酯混合液包；前橡胶垫的外边沿向后折弯形成盘状结构，后橡胶垫的外边沿向前折弯形成盘状结构；

（4）、将径向强力膨胀抽采封孔装置插入到钻孔内，瓦斯抽采花管距离钻孔孔口处6-8m后停止；具有鼓胀性、粘结性的聚氨酯混合液包位于前橡胶垫和后橡胶垫之间，待聚氨酯膨胀，轴向推动前移动挡板和后移动挡板分别沿瓦斯抽采管向前和向后移动，在前固定挡板和后固定挡板的阻挡下，前移动挡板和后移动挡板分别推动前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体产生径向变形，前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体径向膨胀封堵注浆段两端；聚氨酯混合液继续膨胀，由于前固定挡板和后固定挡板的封堵，聚氨酯充填、渗透到煤体裂隙中，形成一段聚氨酯充填煤体，达到密封抽采钻孔及周围孔壁煤体扰动裂隙的目的；

（5）、待聚氨酯混合液包膨胀完毕，将孔口管与瓦斯抽采管连接，进行瓦斯抽采。

2.根据权利要求1所述的基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（3）中的前固定挡板和后固定挡板分别焊接在瓦斯抽采管上，前移动挡板和后移动挡板穿套并滑动连接在瓦斯抽采管上。

3.根据权利要求1所述的基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（3）中聚氨酯混合液包捆绑在前橡胶垫和后橡胶垫之间的瓦斯抽采管上。

说明书

基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤层瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法。

背景技术

[0002] 矿井瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要因素之一。瓦斯爆炸和瓦斯突出是当今煤矿的灾害之最，每年造成许多的人员伤亡和巨大的财产损失。因此，预防瓦斯灾害是对降低煤矿事故、保质煤炭工业健康持续发展，具有重要意义。

[0003] 瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸事故和防治煤与瓦斯突出灾害的重要措施。此外，瓦斯是优质的环保能源，抽采的瓦斯可作为燃料，用于民用和发电，同时也是重要的化工原料。因此瓦斯抽采具有重要的意义。

[0004] 目前，我国矿井瓦斯抽采的封孔方式主要有水泥砂浆封孔和聚氨酯封孔。水泥砂浆封孔的成本虽低，但是水泥砂浆封孔的周期较长，封孔速度极慢。水泥凝固之后会收缩变形，会在孔壁与抽放孔之间形成裂隙。且水泥砂浆对于煤壁的裂隙填补效果不好，难以重填裂隙。在负压抽采下，造成大量的空气进入抽采管道。封孔效果不好。聚氨酯封孔，其具有很好的粘合力，发泡速度快，而且发泡倍数高，其凝固速度快，膨胀后变成坚硬的材料。聚氨酯凝固后防潮，耐老化。目前聚氨酯封孔在瓦斯抽采上得到了广泛的应用。

[0005] 上述传统的封孔方法还具有以下缺陷:首先，没有系统分析和预测巷道两帮与钻孔孔壁煤岩体裂隙发育情况，科学地确定封孔长度和封孔深度，而是根据经验或相关规定确定封孔长度和封孔深度。受封孔工艺限制，易出现两个极端：要么将封孔材料在孔口，封孔深度浅，封堵了煤体比较松软的孔口部分，无法保证有效封孔长度，导致封孔深度浅、预抽瓦斯浓度低；要么，封孔深度和封孔长度过大，造成封孔材料浪费，封孔成本提高，封孔速度慢。其次，没有一个合适的标准来判断封孔材料本身性质的适应性，多数封孔材料受钻孔周边破碎区内瓦斯压力、水锁效应、注浆压力和材料本身的性质等因素的影响，不易渗透到钻孔壁裂隙中，钻孔周边煤、岩体依然存在各种微裂隙和孔洞，巷道内空气依然会通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入抽采管路中。最后，传统的封孔技术，封孔材料在钻孔内自由膨胀，不受钻孔轴向约束，没有径向压力，难于保证封孔材料自身的致密性，造成封孔不严。

发明内容

[0006] 本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、封孔深度深、封孔效果好的基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法，包括以下步骤：

[0008] （1）、应用RFPA-3D数值模拟软件，分析巷道两帮与钻孔孔壁四周煤体裂隙情况，预测巷道两帮塑性变形区和钻孔环形卸压圈的范围，进而根据孔壁四周煤体的裂隙情况及封孔长度应不低于巷道两帮裂隙发育范围，确定封孔位置和封孔深度；

[0009] （2）、根据钻孔孔壁裂隙发育情况与孔壁裂隙特点，以及原有抽采瓦斯钻孔封孔技术及工艺存在的影响抽采瓦斯浓度与效果因素，确定具有自身致密性好、强度高、高膨胀性和强渗透性四个特点的封孔材料；

[0010] （3）、安装径向强力膨胀抽采封孔装置：径向强力膨胀抽采封孔装置包括瓦斯抽采管和瓦斯抽采花管，瓦斯抽采花管后端与瓦斯抽采管前端连接，瓦斯抽采管外部由前到后依次设有均为圆环形的前固定挡板、前移动挡板、后移动挡板和后固定挡板，前固定挡板位于瓦斯抽采管前端，瓦斯抽采管外部在前固定挡板和前移动挡板之间设有前橡胶变形筒体，瓦斯抽采管外部在后移动挡板和后固定挡板之间设有后橡胶变形筒体，前移动挡板后表面设有前橡胶垫，后移动挡板前表面设有后橡胶垫，瓦斯抽采管外部在前橡胶垫和后橡胶垫之间设有聚氨酯混合液包；前橡胶垫的外边沿向后折弯形成盘状结构，后橡胶垫的外边沿向前折弯形成盘状结构；

[0011] （4）、将径向强力膨胀抽采封孔装置插入到钻孔内，瓦斯抽采花管距离钻孔孔口处6-8m后停止；具有鼓胀性、粘结性的聚氨酯混合液包位于前橡胶垫和后橡胶垫之间，待聚氨酯膨胀，轴向推动前移动挡板和后移动挡板分别沿瓦斯抽采管向前和向后移动，在前固定挡板和后固定挡板的阻挡下，前移动挡板和后移动挡板分别推动前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体产生径向变形，前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体径向膨胀封堵注浆段两端；聚氨酯混合液继续膨胀，由于前固定挡板和后固定挡板的封堵，聚氨酯充填、渗透到煤体裂隙中，形成一段聚氨酯充填煤体，达到密封抽采钻孔及周围孔壁煤体扰动裂隙的目的；

[0012] （5）、待聚氨酯混合液包膨胀完毕，将孔口管与瓦斯抽采管连接，进行瓦斯抽采。

[0013] 步骤（3）中的前固定挡板和后固定挡板分别焊接在瓦斯抽采管上，前移动挡板和后移动挡板穿套并滑动连接在瓦斯抽采管上。

[0014] 步骤（3）中聚氨酯混合液包捆绑在前橡胶垫和后橡胶垫之间的瓦斯抽采管上。

[0015] 采用上述技术方案，本发明根据以下原理进行设计：首先，分析和预测巷道两侧与钻孔四周的孔壁煤体裂隙情况，孔壁煤体裂隙发育是地应力叠加作用的结果。地质历史时期，煤层经过多次构造运动，产生大量原生裂隙。巷道掘进过程中煤层中原岩应力重新分布，巷道围岩出现应力集中现象。当围岩应力小于煤体强度时，煤层不发生破坏并处于弹性状态；当围岩应力大于煤体强度时，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展，到一定范围出现塑性变形区。其次，封孔主要目的是使抽采管路与钻孔壁形成的空间内能够起到有效的填充和密封作用，并且能渗入钻孔煤壁的裂隙中，更好地起到严密封堵效果，以及根据孔壁煤体裂隙特点，可得出封孔材料需要满足几个主要的性质特征：1、致密性好，材料内部结构严实、无微观孔洞和裂隙。2、强度高，材料受到到较大应力作用时不易被压缩或产生裂隙。3、高膨胀性，能够高倍地膨胀，在轴向约束下能充满钻孔，并产生径向压力。4、强渗透性，在煤体内容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、水锁效应的阻挡作用，向钻孔周围裂隙内逐渐渗透，实现封堵裂隙效果最大化。最后，运用径向强力膨胀的封孔技术，在封孔材料两端设计了轴向约束装置，使封孔材料轴向膨胀受阻，产生很大的径向压力，使封孔材料发生强力径向膨胀，充分渗入孔壁煤体裂隙内，达到良好的封孔效果。

[0016] 本发明中的前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体均为软质橡胶，受挤压容易变形。前移动挡板和后移动挡板可受轴向压力而移动。前移动挡板、后移动挡板、前固定挡板和后固定挡板均为圆环形，瓦斯抽采管从其中间穿出。且前移动挡板、后移动挡板、前固定挡板和后固定挡板的直径略小于钻孔直径。在前移动挡板和后移动挡板上分别固定有圆环形的前橡胶垫和后橡胶垫，前橡胶垫和后橡胶垫的直径略大于钻孔的直径，以防聚氨酯流出。

[0017] 本发明采用聚氨酯作为封孔材料对煤矿瓦斯抽采装置进行封孔。由于聚氨酯具有发泡速度快、粘度大，且凝固之后具有很好的致密性。本发明能够很好的约束聚氨酯的轴向膨胀。由于聚氨酯膨胀效果十分明显，聚氨酯在前固定挡板和后固定挡板被封堵下，自身膨胀可以进入劈裂、扩展孔壁内煤体裂隙，充填孔隙和煤体凹凸面。待聚氨酯充分的径向膨胀固化后与钻孔周围煤体紧密结合，最终彻底封堵瓦斯裂隙通道。在负压抽采下，由于聚氨酯的致密性，可以很好的封堵在钻孔有效作用半径区域内的煤层形成大量微观裂隙、孔隙通道，且不会随着抽采裂隙进一步发育。

[0018] 与之前所使用的封孔法相比，本发明具有以下优点：

[0019] 1、根据煤岩体孔裂隙结构及力学性质、矿山压力显现规律、煤矿抽采瓦斯技术及工艺，结合RFPA-3D数值模拟研究结果，分析和预测巷道两侧与钻孔四周的孔壁煤体裂隙情况，确定巷道两侧塑性变形区和钻孔环形卸压圈的范围。根据孔壁煤体的裂隙情况及封孔长度应不低于孔壁裂隙发育范围，确定其封孔长度和封孔深度。越过巷道两侧发育的严重煤岩塑性变形区范围，仅在钻孔孔壁裂隙带封孔，既能提高封孔的效果又能节约封孔材料。

[0020] 2、根据封孔材料需满足的主要性质特征，可判断不同封孔材料的封孔效果，有助于选择更合适的封孔材料，使其能更好地进入并封堵住孔壁煤、岩体裂隙，达到更好的封孔效果。

[0021] 3、封孔材料在钻孔内受钻孔轴向约束，产生径向压力，使封孔材料发生强力径向膨胀，既能够保证封孔材料充分渗入孔壁煤、岩体裂隙内，取得良好的封堵煤岩裂隙效果，又能保证封孔材料自身的致密性，达到良好的封孔效果。

[0022] 综上所述，前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体在受到轴向力后径向变形膨胀，能够很好对聚氨酯充填煤体的两端进行封堵。聚氨酯在前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体的轴向制约下，可充分的填充瓦斯裂隙通道。并保证聚氨酯的径向膨胀，彻底封堵瓦斯裂隙通道。本发明能很好的重填裂隙。在负压抽采下，本发明不会由于抽采而使裂隙进一步的发育。

[0023] 本发明采用的装置结构简单，封孔速度快，操作简便，能使工人很快的熟练。本发明很好地提高了抽采钻孔的有效封孔长度，且由于封孔材料的致密性，完全能够承担钻孔与外界巷道的压力差，防止巷道内空气通过封孔材料自身可能存在的裂隙进入钻孔内。

附图说明

[0024] 图1为本发明的结构示意图；

[0025] 图2为图1中A-A向剖视图；

[0026] 图3为本发明聚氨酯膨胀封孔后的示意图；

[0027] 图4为图3中B-B向剖视图。

具体实施方式

[0028] 本发明的基于径向强力膨胀瓦斯抽采封孔方法，包括以下步骤：

[0029] （1）、本次试验地点选在鹤壁煤业集团三矿四水平北翼辅助回风巷。该区域属煤与瓦斯突出危险区，平均煤厚6.8m，煤层倾角23°～26°；钻孔控制煤层底板标高在-580与-620 m之间，地面标高为+138.8m，埋藏深度718.8m～758.8m。垂直煤层透气性系数为3.60～7.15m2/MPa2•d，瓦斯含量为12～15m3/t。

[0030] 首先，分析现场巷道煤壁存在的裂隙发育范围以确定封孔深度，采用RFPA-3D数值模拟方法，根据现场实际数据，分析巷道煤壁的裂隙发育范围。模型试件为长方体，尺寸长×宽×高为26×4×10m，单元格325×50×125，共2031250单元格。泊松比0.27，均值度m=2.5，抗压强度取15MPa，弹性模量=11000MPa，煤体密度1.41×10-5g/mm3。模型四周和底部采用位移约束，位移量为0（即边界上的单元不发生移动），上部为自由边界，采用均布载荷加载，竖直方向上施加载荷10MPa模拟埋深约500m的垂直地应力。最初为完整围岩，应力平衡下开挖巷道（在模型中间位置有一个贯穿的拱形巷道，宽2m，高3m），周边卸压稳定后，在一侧开挖抽放钻孔，再次计算出卸压情况。可以得出，由于巷道的开挖和抽放孔的钻进，破坏了原始应力场，周边围岩中应力要发生变化，最小主应力的变化尤为明显。从彩图中可以看出巷道四周有明显变化的范围大概在1-2m，抽放孔的开挖使得该侧应力进一步减小，但是围岩卸压范围没有明显的扩大，明显卸压区为2m左右。同时，在抽放孔四周有明显的应力降低，但是影响范围很小。由于巷道的开挖和抽放孔的钻进，3个主应力都发生明显变化，最小主应力的变化最大。在靠近巷道4-6m的范围内，应力都有明显变化；随着距离的增大，围岩应力逐渐恢复为原始应力。开挖对围岩应力扰动的影响范围最大可达8-10m。应力分布图中
8m以外的区域，围岩应力值与原始应力值基本重叠。巷道开挖对于围岩应力的有效卸压范围为4-6m，2m内卸压效果最为显著，变化最为明显的是最小主应力值（特别是靠近巷道附近位置）。从以上图中发现，巷道开挖对于卸压范围有控制作用，基本决定了卸压范围的大小，而抽放孔的开挖能进一步降低围岩中的应力，对于应力起到一个整体降幅的作用，对于卸压范围的增大无明显作用。综合上述分析，卸压范围的大小主要由巷道开挖过程控制，抽放孔的开挖对于卸压范围变化的影响不大，但是在抽放孔范围内可以造成应力的整体下降，巷道煤壁卸压范围一般在4-6m，应力扰动范围可达8m左右。由此可以确定封孔长度应不低于8m的孔壁裂隙发育范围；

[0031] （2）、根据钻孔孔壁裂隙发育情况与孔壁裂隙特点，以及原有抽采瓦斯钻孔封孔技术及工艺存在的影响抽采瓦斯浓度与效果因素，确定具有自身致密性好、强度高、高膨胀性和强渗透性四个特点的封孔材料；

[0032] （3）、安装径向强力膨胀抽采封孔装置：如图1-图4所示，径向强力膨胀抽采封孔装置包括瓦斯抽采管1和瓦斯抽采花管2，瓦斯抽采花管2后端与瓦斯抽采管1前端连接，瓦斯抽采管1外部由前到后依次设有均为圆环形的前固定挡板3、前移动挡板4、后移动挡板5和后固定挡板6，前固定挡板3位于瓦斯抽采管1前端，瓦斯抽采管1外部在前固定挡板3和前移动挡板4之间设有前橡胶变形筒体7，瓦斯抽采管1外部在后移动挡板5和后固定挡板6之间设有后橡胶变形筒体8，前移动挡板4后表面设有前橡胶垫9，后移动挡板5前表面设有后橡胶垫10，瓦斯抽采管1外部在前橡胶垫9和后橡胶垫10之间设有聚氨酯混合液包11；前橡胶垫9，前橡胶垫9的外边沿向后折弯形成盘状结构，后橡胶垫10的外边沿向前折弯形成盘状结构；

[0033] （4）、将径向强力膨胀抽采封孔装置插入到钻孔内，瓦斯抽采花管2距离钻孔孔口处6-8m后停止；具有鼓胀性、粘结性的聚氨酯混合液包11位于前橡胶垫9和后橡胶垫10之间，待聚氨酯膨胀，轴向推动前移动挡板4和后移动挡板5分别沿瓦斯抽采管1向前和向后移动，在前固定挡板3和后固定挡板6的阻挡下，前移动挡板4和后移动挡板5分别推动前橡胶变形筒体7和后橡胶变形筒体8产生径向变形，前橡胶变形筒体7和后橡胶变形筒体8径向膨胀封堵注浆段两端；聚氨酯混合液继续膨胀，由于前固定挡板3和后固定挡板6的封堵，聚氨酯充填、渗透到煤体裂隙中，形成一段聚氨酯充填煤体，达到密封抽采钻孔及周围孔壁煤体扰动裂隙的目的；

[0034] （5）、待聚氨酯混合液包11膨胀完毕，将孔口管与瓦斯抽采管1连接，进行瓦斯抽采。

[0035] 步骤（3）中的前固定挡板3和后固定挡板6分别焊接在瓦斯抽采管1上，前移动挡板4和后移动挡板5穿套并滑动连接在瓦斯抽采管1上。

[0036] 步骤（3）中聚氨酯混合液包11捆绑在前橡胶垫9和后橡胶垫10之间的瓦斯抽采管1上。

[0037] 前橡胶变形筒体7和后橡胶变形筒体8均为软质橡胶，受挤压容易变形。前移动挡板4和后移动挡板5可受轴向压力而移动。前移动挡板4、后移动挡板5、前固定挡板3和后固定挡板6均为圆环形，瓦斯抽采管1从其中间穿出。且前移动挡板4、后移动挡板5、前固定挡板3和后固定挡板6的直径略小于钻孔直径。在前移动挡板4和后移动挡板5上分别固定有圆环形的前橡胶垫9和后橡胶垫10，前橡胶垫9和后橡胶垫10的直径略大于钻孔的直径，以防聚氨酯流出。

[0038] 本发明采用聚氨酯作为封孔材料对煤矿瓦斯抽采装置进行封孔。由于聚氨酯具有发泡速度快、粘度大，且凝固之后具有很好的致密性。本发明能够很好的约束聚氨酯的轴向膨胀。由于聚氨酯膨胀效果十分明显，聚氨酯在前固定挡板3和后固定挡板6被封堵下，自身膨胀可以进入劈裂、扩展孔壁内煤体裂隙，充填孔隙和煤体凹凸面。待聚氨酯充分的径向膨胀固化后与钻孔周围煤体紧密结合，最终彻底封堵瓦斯裂隙通道。在负压抽采下，由于聚氨酯的致密性，可以很好的封堵在钻孔有效作用半径区域内的煤层形成大量微观裂隙、孔隙通道，且不会随着抽采裂隙进一步发育。

[0039] 本发明的封孔工作过程如下：步骤（1）：将适量的聚氨酯混合液包11，捆绑在前橡胶变形筒体7和后橡胶变形筒体8之间的瓦斯抽采管1上。步骤（2）：将本发明由前向后放入裂隙煤体13的钻孔14内，大约深入6～8m后停止。步骤（3）：待聚氨酯混合液包11膨胀完毕，将孔口管与瓦斯抽采管1连接，进行瓦斯抽采即可。

[0040] 本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。