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本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究鉴定材料之二 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 研研 究究 报报 告告 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 河 南 理 工 大学 二八年十月 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 1 目目 录录 1 引言引言.3 2 国内外本煤层瓦斯抽采封孔技术现状国内外本煤层瓦斯抽采封孔技术现状.5 2.1 国内本煤层钻孔普遍采用的封孔方法及评述 5 2.2 国内其它封孔方法及评述 7 2.3 国外瓦斯抽采封孔技术现状11 3 本煤层瓦斯抽采钻孔封孔理论研究本煤层瓦斯抽采钻孔封孔理论研究14 3.1 现行发泡材料封孔法的缺陷14 3.2 主动支护式封孔原理的提出15 3.3 主动支护式封孔原理的理论基础 15 3.4 关于主动支护式封孔原理的数值模拟分析 19 4 新型封孔方法配套封孔器材的研究新型封孔方法配套封孔器材的研究.25 4.1 囊袋式注浆封孔法的结构原理25 4.2 囊袋式注浆封孔法的封孔机理31 5 新型封孔方法配套注浆材料的研究新型封孔方法配套注浆材料的研究32 5.1 注浆材料的要求 32 5.2 注浆材料原料介绍 33 5.3 注浆材料性能的测定方法 34 5.4 注浆材料配方研究与性能测试 35 6 相似材料模拟试验相似材料模拟试验.43 6.1 封孔材料的基本力学性能测试43 6.2 试验装置的设计 45 6.3 试验设计 48 6.4 试验过程 51 6.5 试验数据采集及结果分析 55 7 工业性试验情况工业性试验情况.58 7.1 封孔试验时间地点及基本情况说明58 7.2 钻孔浓度测试58 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 2 7.3 试验过程存在的问题和对策63 8 结论结论.64 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 3 1 引言 我国煤炭产量占世界煤炭产量的三分之一，是世界第一采煤大国。我国 50%左 右的煤矿属于“高瓦斯矿井”和“煤与瓦斯突出矿井” ，国家规定：“高瓦斯矿 井”和“煤与瓦斯突出矿井”必须建立抽采（抽放）系统，采取先抽后采的方 针。所以，瓦斯抽采（抽放）在我国相当一部分煤矿是普遍面临的问题。 瓦斯对于煤炭开采而言是一种灾害源，采掘过程可引发瓦斯窒息、瓦斯爆 炸、瓦斯燃烧、煤与瓦斯突出等事故。我国是世界上瓦斯灾害最严重的国家， 每年瓦斯事故造成大量人员伤亡，这不仅给国家和人民的生命财产带来了重大 的损失，也造成了不良的社会和政治影响，已引起国际舆论的不良评价，也引 起了中央政府的高度重视。 瓦斯对于地球环境而言是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的 20 多 倍，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的 7 倍，而且排放到大气中的瓦斯中还混 杂有甲烷的同系物（H、HS、CO、NO、 NH、SO）等放射性物质，这不仅污 染大气，而且对人体健康也有害。国际公约中所谓的温室气体“减排”包含煤 矿瓦斯气体的减排。 瓦斯做为一种可燃气体是一种洁净能源，我国瓦斯（煤层气）资源相当丰 富，据 2000 年煤科总院西安分院的“全国煤层气资源评价”报告，我国（瓦斯） 煤层气资源量为 32-35 万亿 m3，发热量相当于 450 亿吨标准煤，多于我国常规 天然气的资源量(29 万亿 m3)。纯瓦斯的热值大于 33000kJ/m3，同常规天然气相 当，是通用煤气的 3 倍左右，且燃烧后很少产生污染物，属优质洁净气体能源。 因此开发利用煤层瓦斯资源，对于充分利用洁净能源，优化我国能源结构，改 善煤矿安全生产条件以及减少大气污染，都具有重大的经济和社会效益。所以， 国家对瓦斯（煤层气）的利用非常重视，这对环境保护和建立“节约型”社会 具有重要意义。 瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的根本措施和主要途径，可以使瓦斯变害为宝 （发电、供应煤气公式、汽车燃料等） ，对于煤矿安全、环境保护和资源利用均 具有重要的意义。 然而，由于我国煤层地质条件多变、煤层透气性差、封孔效果不良等原因， 使得我国的瓦斯抽采利用存在诸多问题，主要表现在：钻孔漏气现象严重，瓦 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 4 斯抽采浓度过低。由于钻孔漏气现象严重，使得很多矿区的瓦斯抽采浓度达不 到可以利用浓度，使瓦斯利用成为困难，不得不将低浓度瓦斯排放到大气之中， 这不仅造成瓦斯资源的巨大浪费，而且造成对大气的污染，后者已经引起国际 舆论的指责。 国内有些矿区，为了追求瓦斯利用，而人为的降低抽采负压、缩短钻孔抽 采时间，甚至过早的关闭低浓度钻孔的抽采，这些被动的方法虽然能够提高瓦 斯抽采浓度，但降低了抽采效果和抽采纯量，对煤矿安全生产是十分有害的。 众所周知，煤是一种多孔介质，煤中包含着从直径几埃的微孔到肉眼可见的孔 隙和裂隙（10-2cm）各种不同的孔隙，而瓦斯在煤中的赋存状态又包括游离 和吸附两种状态，在一定的瓦斯压力时，仅是游离瓦斯可以流动，吸附瓦斯只 是在瓦斯压力降低时解吸转为游离瓦斯后才参与流动，钻孔瓦斯流动时，必须 具有一定的能量（抽采负压） ，用以克服瓦斯气流所产生的阻力，预抽煤层瓦斯 时只有经历较长的时间才能达到预期的目的。 理论上讲，如果钻孔不漏气，钻孔的瓦斯抽采浓度应当接近 100%，而实 际情况是：平煤瓦斯抽采平均浓度低于 10%、郑煤瓦斯抽采平均浓度低于 5%，阳泉瓦斯抽采平均浓度 10%左右，透气性较好的晋煤个别矿在三个月以后 浓度将为 20%左右（很多钻孔将为 10%以下） 。这些情况说明，瓦斯抽采过程 中大量的空气漏进了抽采管路，目前国内瓦斯抽采的封孔难题没有得到解决， 是一个有待解决的重大难题。瓦斯抽采的封孔问题事关瓦斯抽采效果、瓦斯资 源利用和煤矿安全生产等重大问题。所以，研究瓦斯抽采技术具有重要意义。 本项目针对瓦斯抽采封孔问题，进行了深入细致的研究，从封孔器材和注 浆材料入手，提出了一种全新的封孔方法，并经工业性试验，取得了良好的效 果。 （备注：本项目主要研究本煤层瓦斯抽采钻孔的封孔技术，本煤层钻孔占 井下瓦斯抽采钻孔的绝大多数，90%以上；岩石钻孔、采煤工作面临时抽采钻 孔的封孔不是本项目的研究内容。因为岩石钻孔封孔容易，采煤工作面临时抽 采钻孔的抽采时间短，要求较低。 ） 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 5 2 国内外本煤层瓦斯抽采封孔技术现状 2.1 国内本煤层钻孔普遍采用的封孔方法及评述 2.1.1 高分子发泡材料封孔方法介绍 目前，国内本煤层钻孔普遍采用“高分子发泡材料” ，其中以聚氨酯材料 为主要材料，根据配方配料的差异又有很多名称的叫法。封孔时将双组分“高 分子发泡材料”混合搅拌后，用棉纱、棉布、毛巾等织物浸泽缠绕在封孔管的 某个长度上，然后插入钻孔 10 米左右的深处， “高分子发泡材料”发泡膨胀， 将钻孔封堵，如下图 2-1。 图 2-1 高分子发泡材料封孔法 1-发泡膨胀前的高分子材料 2-发泡膨胀后的高分子材料 3-封孔抽采管 高分子发泡材料封孔是我国煤层钻孔普遍采用封孔方法，河南、山西、安 徽、山东等主要矿区主要以这种封孔方法为主。 2.1.2 高分子发泡材料封孔方法的缺陷 高分子发泡材料封孔法具有操作使用简单的优点，但这种封孔方法在煤层 钻孔中不能取得理想的封孔效果，钻孔漏气现象严重，瓦斯抽采浓度低，因为 没有更好的封孔方法，所以国内仍然普遍采用。 高分子发泡材料需要有较高的发泡倍数才能将钻孔封闭，高分子发泡材料 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 6 发泡之后具有两个致命缺陷：第一，抗压强度低；第二，可压缩量很大。高瓦 斯矿井和煤与瓦斯突出矿井往往采深较大，相应的地应力也较大，加之煤层强 度普遍较低，井下煤层钻孔在地应力作用下将逐渐蠕变，钻孔在蠕变的过程中， 钻孔周围的煤体将会产生松动裂隙（漏气通道） 。由于高分子发泡材料抗压能力 低、可压缩量大，其力学性能无法阻挡钻孔的蠕变和裂隙漏气通道的形成，如 图 2-2 所示。 图 2-2 高分子发泡材料封孔法漏气通道扩张示意图 1-封孔时发泡材料体积膨胀 2-封孔初期钻孔周围裂隙漏气通道 3-封孔抽采管 4-封孔后期发泡材料压缩体积变大 5-封孔后期钻孔周围裂隙漏气通道变大 目前，国内普遍采用的高分子发泡材料封孔法之所以抽采浓度太低，主要 是原因可归结为： 高分子发泡材料不能充填钻孔周围的原始裂隙。 在高分子材料在发泡膨胀的过程中，封孔段钻孔处于开放状态，发泡材料 不能形成足够的膨胀力，不能使发泡高分子材料挤入封孔段钻孔周围的裂隙， 这些裂隙将成为漏气通道（初期漏气通道） 。 高分子发泡材料强度低可压缩量大、对钻孔没有足够的支护作用，不 能维护钻孔的稳定性。 煤层钻孔可视为一个小型全煤巷道，在地应力和采掘干扰情况下必然发生 变形和蠕变，高分子发泡材料抗压能力低、可压缩量大（例如发泡后的聚氨酯 的硬度远远小于煤层硬度硬度，相差一个数量级） ，对钻孔形不成有效支护作用， 导致封孔段钻孔周围在封孔之后持续产生裂隙（后期漏气通道） ，见图 2-3。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 7 图 2-3 钻孔漏气示意图 1-瓦斯气体 CH4流 2-漏入空气流 3-高分子发泡体 4-封孔抽采管 2.2 国内其它封孔方法及评述 2.2.1 采煤工作面浅孔（临时）抽采封孔法介绍与评述 由于采煤工作面存在抽采盲区（有些矿区称之为空白带） ，抽采盲区是由 于钻孔深度受限引起的，因为高瓦斯突出煤层深孔钻进困难是目前尚未解决的 技术难题。如图 2-4 所示，采煤工作面浅孔（临时）抽采封孔，是为了抽出采 煤工作面前方可能影响采煤安全的部分瓦斯，钻孔在工作面内施工，钻孔的深 度一般较浅（十几米） ，主要抽采工作面前方卸压带的瓦斯，抽采的时间很短 （仅仅数小时） 。 图 2-4 采煤工作面常见的抽采钻孔布局图 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 8 1-采煤工作面开切眼 2-抽采盲区 3-本煤层抽采钻孔 4-浅孔抽采钻孔 5-回采巷道 采煤工作面浅孔（临时）抽采封孔的封孔方法一般采用可复用的封孔器材， 种类较多，效果基本一样。下面就常用的几种加以介绍。 机械弹性胀体式封孔器 常用的机械弹性胀体式封孔器有两种：螺旋弹性胀圈式封孔器、弹性串球 式封孔器，这两种封孔器的结构如图 2-5 和图 2-6 所示，其工作原理都是在外 加力的挤压作用下，迫使弹性胶桶或者弹性串球膨胀，贴紧钻孔内壁，达到封 孔的目的；当外加力取消后，胶桶或串球在自身的弹性力作用下恢复原状，即 可从钻孔中取出，重复使用。 图 2-5 螺旋式封孔器示意图 1-接头；2-螺母；3-手柄；4-垫板；5-定向销；6-套管；7-螺杆；8-传力垫；9-外套；10-内 管；11-托盘；12-胶桶；13-螺帽；14-手柄 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 9 图 2-6 串球式封孔器 1-内套；2-橡胶球；3-挤压板；4-挤压外套 上述两种封孔器，用在采煤工作面临时性封孔，钻孔深度浅（5-10 米） ， 主要抽采工作面前方松动区内的瓦斯，在距离孔口 1-2 米封孔，它们对钻孔的 密封性能很差，漏气很严重，根本不能用于本煤层长效抽采钻孔的封孔。 充气式封孔器 充气式封孔器主要有两种，一种是免充气气囊式，另一种是充气气囊式。 前者将气体封闭在一个橡胶囊里，气囊中部有一根抽采管，利用气体的可压缩 性将气囊塞进钻孔里实现封孔，主要在孔口 1 米范围内封孔；后者的气囊里没 有封闭空气，气囊中部有一根抽采管，将囊带塞进钻孔之后，然后再向囊带充 气。两者的效果几乎是一样的，只能做为临时性封孔。 水力膨胀式封孔器 水力膨胀式封孔器的原理是：压力水进入封孔器后，通过在膨胀器内部所 形成的水压升高来促使封孔器胶管膨胀，从而达到封堵钻孔的目的。膨胀胶管 可以是钢丝复合胶管，向胶管内的注水压力可以达很高的压力，对钻孔具有很 好的封闭效果。这种封孔器在煤层注水方面用的较多，但对于本煤层长效抽采 来讲是不可行，原因有二：第一，成本较高；第二，封孔器的微泄漏不能保证 长效封孔的效果。 2.2.2 倾斜钻孔水泥砂浆封孔方法 在仰斜穿层封孔技术中，目前最常用的封孔方式是水泥砂浆封孔方法、压 气封孔和泥浆泵封孔方法，现分别叙述如下： 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 10 （1）人工装捣物实法 当封孔长度较短（不超过 5m）时，煤层倾角不太大，可用这种方法。其 做法是用高水材料或水泥掺入一定量的沙子，加入少量水揉成炮泥状，同装填 炮泥一样，或用铲式工具送入孔内，为增加填入后的密实性，每送一段距离 （0.51m）装入木锲用力捣实，以保证封孔质量。该法较费工，劳动强度也较 大。 （2）压气封孔 该方法主要适用于上向孔，该法是利用压风罐或井下压风管网的压力气体， 将水泥砂浆装入混浆罐内，当达到容积的 2/3 左右时，然后把上盖旋紧、打开 压风管阀门、向孔内压入砂浆，直至注满钻孔为止，压气封孔如图 2-7 所示。 （3）泥浆泵封堵法 该方法适用于上向封孔，向孔内注浆前 12d，先在孔口用水泥固定一个 木塞，木塞上有一个孔，用于安装注浆接头，注浆时，用夹布胶管将注浆接头 与专用封孔水泥砂浆泵连接起来，如图 2-8 所示。 图 2-7 压气封孔 1-注浆罐；2-压风管；3-水管；4-胶管；5-抽放管； 6-砂浆；7-钻孔；8-木塞（挡盘） 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 11 图 2-8 泥浆泵封孔 1-钻孔；2-抽放管；3-水泥砂浆；4-注浆管；5-封孔口水泥；6-木塞 （4）水泥砂浆灌注法 这种方法简单，主要用于钻孔倾角大、封孔深度浅的下向孔封孔。先在抽 采管首端距管口 100 mm 处焊一比扩孔直径略小的圆盘，在管前端 100 mm 位 置捆扎少量棉纱等物，并将抽采管插入孔内，以固定抽采管和防止漏浆，将 1：（23）的水泥、砂浆倒入抽采管和钻孔之间的环形空间即可封孔，待砂浆 凝固后即可进行抽采，在砂浆中加入少量速凝剂，可加速凝固。 2.3 国外瓦斯抽采封孔技术现状 国外煤矿井下同样有本煤层瓦斯抽放，也曾经使用过国内现行的封孔方法， 但目前已经放弃采用我们现在仍在采用的发泡材料封孔方法。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 12 图 2-9 澳大利亚封孔抽放过程图 为了切实保证本煤层瓦斯抽放效果，保证瓦斯抽放的长效性和可靠性，国 外采用了“注管封孔法” ，见图 2-9，并研发了一些配套的较大型装备用来拆除 回收注管，从而保证了“高负压、高浓度、长时效”瓦斯抽采。如图所示为澳 大利亚煤层钻孔的封孔，必须在采煤之前回收铜管，对配套装备和井下空间环 境有特殊要求。其封孔方法步骤如下： 第一步：在煤壁上首先钻出一个深度 10 米-15 米的钻孔，钻孔直径大于正 常钻进时的钻孔； 第二步：将金属管插入钻孔，金属管的内孔直径不小于正常钻进时钻头的 直径； 第三步：利用注浆的方法，采用专用的注浆装置将金属管锚注到钻孔内， 使金属管外壁与钻孔壁之间充满浆液； 第四步：钻头通过金属管内孔，开始正常钻进； 第五步：在金属管内部进行封孔。 显然国外抽放钻孔的封孔方法是十分可靠的，但是代价高（澳大利亚要求 金属管是铜管） 、投资大、操作工艺复杂。另外，为了采煤需要必须在采煤之前 回收注管，对配套装备和井下空间环境有特殊要求。所以，国外的封孔方法并 不能适应国内的情况。这种封孔方法在澳大利亚、日本、美国等国采用。我们 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 13 需要根据中国煤矿的井下情况，借鉴国外的经验，研制开发适合中国国情的瓦 斯抽放孔的封孔技术与装备器材。 值得说明的是，国内采用国外的“千米钻机”时，所采用的封孔方法同国 外的封孔方法一样，例如晋煤集团成庄矿千米钻机队采用的就是这种封孔方法。 总之，在本煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术方面，国外多使用注管封孔法，封 孔可靠性高，但成本较高，且不适合国内井下条件。国内目前广泛使用聚氨酯 封孔法，操作简单，施工速度快，但存在严重缺陷，封孔质量差，瓦斯抽采浓 度偏低。除聚氨酯封孔法外，机械封孔法、水泥砂浆封孔法、胶圈压力黏液 封孔法在国内也有应用，但这些封孔法有各自适用条件，不适合本煤层瓦斯抽 采长效封孔。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 14 3 本煤层瓦斯抽采钻孔封孔理论研究 3.1 现行发泡材料封孔法的缺陷 国内普通采用的聚氨酯封孔法具有质量轻、发泡率高、操作简单等优点， 但这种封孔方法在煤层钻孔中不能取得理想的封孔效果，钻孔漏气现象严重， 瓦斯抽采浓度低。据调查，平顶山、焦作、郑煤等矿区抽采一个月之后的抽采 浓度仅 35，调低负压后 10左右；晋城矿区 23 个月后抽采浓度 25 左右，还是调低负压的结果。聚氨酯封孔法之所以封孔质量差、抽采浓度低， 主要原因可归结为： 聚氨酯不能充填钻孔周围的原始裂隙。在聚氨酯材料在发泡膨胀的过 程中，封孔段钻孔处于开放状态，发泡材料不能形成足够的膨胀力，不能使聚 氨酯材料挤入封孔段钻孔周围的裂隙，这些裂隙将成为漏气通道（初期漏气通 道） 。 聚氨酯材料强度低可压缩量大、对钻孔没有足够的支护作用，不能维 护钻孔的稳定性。煤层钻孔可视为一个微型全煤巷道，在地应力和采掘干扰情 况下必然发生变形和蠕变。聚氨酯封孔材料需要有较高的发泡倍数才能将钻孔 封闭，聚氨酯发泡之后抗压强度低、可压缩量大（例如发泡后的聚氨酯的抗压 强度远远小于煤层的抗压强度，相差一个数量级） ，对钻孔形不成有效支护作用， 导致封孔段钻孔周围在封孔之后持续产生裂隙，形成后期漏气通道，见图 3- 1、3-2。 图 3-1 聚氨酯封孔法漏气通道扩张示意图 1-封孔时发泡材料体积膨胀 2-封孔初期钻孔周围裂隙漏气通道 3-封孔抽采管 4-封孔后期发泡材料压缩体积变小 5-封孔后期钻孔周围裂隙漏气通道变大 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 15 图 3-2 钻孔漏气示意图 1-瓦斯气体 CH4流 2-漏入空气流 3-聚氨酯发泡体 4-封孔抽采管 3.2 主动支护式封孔原理的提出 瓦斯抽采钻孔可视为微型圆形巷道，为防止因钻孔变形破坏而影响抽采效 果，钻孔封孔段同普通巷道一样需要有效的支护。基于这一认识作者提出了主 动支护式封孔原理，其基本思想是：在封孔段对钻孔施加主动支护，可压实钻 孔周围煤体（压密初始裂隙） ，阻止钻孔变形，使钻孔长期保持稳定（防止新裂 隙生成和扩展） ，从而使钻孔周围煤体长期保持低透气性状态，为长效封孔创造 有利条件。 3.3 主动支护式封孔原理的理论基础 下面运用岩石力学相关理论对上述原理作简要分析。 钻孔成孔后，由于应力重新分布，钻孔周围煤岩中可能形成塑性区和弹性 区，见图 3-3。弹塑性支护理论将“支护围岩”作为一个共同体系，通过对围 岩的弹塑性分析，获得围岩应力、变形、支护阻力和塑性区半径的弹塑性解答。 弹塑性支护理论的基本假设有：应力、位移是是连续的，围岩变形满足 变形协调方程；所求解的是平面应变问题；围岩是均质和各向同性的，原 岩应力各向等压；围岩是理想弹塑性体，体积不变，塑性条件为莫尔库仑 准则；围岩和支架的变形是协调的。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 16 4321 P r 图 3-3 钻孔周围应力状态 1、2塑性区；3、4弹性区 1松动区（松动圈） ；2、3承载区；4初始应力区 假定、值不变，轴对称条件下围岩应力及变形的弹塑性解答为：C 塑性区应力： （3-1） Cctg r r Cctgq p r sin1 sin2 0 （3-2） Cctg r r Cctgq p sin1 sin2 0 sin1 sin1 塑性区位移： （3-3） 2 0sin cos 2 p p PCR u Gr 塑性区半径： （3-4） sin2 sin1 0 0 sin1)( Cctgq CctgP rRp 弹性区应力： 2 00 2 (sincos ) pe r R PPC r （3-5） r 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 17 2 00 2 (sincos ) pe R PPC r （3-6） 式中， 塑性区半径； 塑性区位移； p R p u q 封孔支护力，MPa； 地应力，MPa； 0 P 粘聚力，MPa； 钻孔半径，mm；C 0 r 内摩擦角； 剪切模量，MPa；G o P r r0 图 3-4 无支护和有支护时钻孔周围的应力变化图 、有支护时应力分布（实线） ；、无支护时应力分布（虚线） ； r r 、有支护和无支护时的塑性区半径 p R p R 根据公式 3-1、3-2、3-5、3-6 作出无支护和有支护时钻孔周围应力变化图， 如图 3-4 所示。结合图 3-4 及上述公式分析知：在封孔支护力作用下，钻孔周q 围由两向应力状态转入三向应力状态，应力随封孔支护力增大而增大，从低q 应力状态转入高应力状态（图 3-4 中表现为莫尔圆内移） ，钻孔周围煤体透气性 随应力升高而降低，部分初始裂隙也被压密；同时，塑性区半径和塑性位移 p R 随封孔支护力增大而减小，钻孔稳定性提高，延缓或防止新裂隙的生成和扩 p u 展。以上分析表明有效支护钻孔对封孔有利。 由于钻孔漏气主要发生在钻孔周围塑性区内，因此从封孔角度分看，塑性 区可视为漏气区。钻孔周围漏气区呈圆环状，这里称圆环状漏气区为漏气圈， 漏气圈的面积为： r r p R p R 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 18 （3-7） 1 sin sin 0222 00 () 1 sin ()1 p PCctg SRrr qCctg 假定钻孔半径 0.05m、地应力 12.5MPa、封孔支护力 0.54.55MPa、粘聚 力 1.5-3.5MPa，内摩擦角 2070，由公式 3-7 可绘出漏气圈截面积 S 和、q 、三者的关系曲线，如图 4-5 所示。 C S与q之间的关系图 0.005 0.007 0.009 0.011 0.013 0.015 0.017 0.019 0.50.91.31.72.12.52.93.33.74.14.5 q(MPa) S(m*m) S与C之间的关系图 0.008 0.0085 0.009 0.0095 0.01 0.0105 0.011 0.0115 0.012 0.0125 1.51.71.92.12.32.52.72.93.13.33.5 C(MPa) S(m*m) S与内摩擦角之间的关系图 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 0.011 0.012 0.013 20242832364044485256606468 内摩擦角(degree) S(m*m) 图 3-5 漏气圈截面积 S 和、三者的关系曲线qC 结合公式 3-7 和图 3-5 分析知，漏气圈截面积 S 同地应力成正变关系， 0 P 说明煤层埋藏深度越大，封孔越困难；漏气圈截面积 S 同封孔支护力成反变q 关系，说明提高封孔支护力可提高封孔质量，减少钻孔漏气；漏气圈截面积 S 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 19 同粘结力、内摩擦角成反变关系，说明煤层强度越低封孔越困难。显然，C 地应力难以改变，我们可通过提高封孔支护力和改变钻孔周围的煤体强度来提 高封孔质量。对钻孔施加封孔支护力，可减小漏气圈截面积；在封孔段对钻q 孔壁进行注浆加固，提高钻孔周围煤岩强度（） ，也可减小漏气圈截面积。C、 因此，采用主动支护式封孔，并对钻孔壁实施注浆加固，是煤层钻孔的封孔方 向。 3.4 关于主动支护式封孔原理的数值模拟分析 瓦斯抽采钻孔周围的煤岩赋存和力学特性很复杂，直接对其进行分析比较 困难，因此钻孔周围煤体作适当的假设和简化，建立有限元数值分析模型，确 定边界条件，借助大型的有限元程序进行数值分析和解算，对钻孔周围煤岩体 的位移进行定量的研究。 3.4.1 计算模型的建立 煤层开采后，应力重新分布，围岩应力由三向应力状态转变为二向应力状 态。当煤柱周边的应力超过煤体本身的强度极限时，煤柱发生破坏。煤柱破坏 后仍具有一定的残余强度，随着塑性变形的增加，等随之减少，呈现应变、C 软化的特性。因此，采用应变软化模型进行模拟分析。 模型建立的原则 建立数学和力学模型是数值分析的首要任务，模型设计的正确与否，是能 否获得数值分析准确结果的前提条件。模型的设计，必须遵循下列原则： 影响瓦斯抽采钻孔周围的煤岩赋存和力学特性的因素很多，而煤体是 复杂多变的，设计模型时，要完全考虑各种影响因素是不可能的，因此，模型 的设计，必须突出影响钻孔周边稳定的主要因素，并尽可能多地考虑其它次要 影响因素。 模型是由实体简化而不失真，模型的设计必须能够很好地反映材料的 物理力学性态，如材料的不均匀性、不连续性、各向异性、非线性、低抗拉等 特性。 地下工程实际上是半无限域问题，但数值模拟只能是在有限的范围内 进行。模型的设计，必须考虑其边界效应，选择适当的边界条件以消除边界效 应。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 20 任何地下工程问题都具有时空特性，模型的设计应考虑钻孔开挖后围 岩内应力应变的动态变化，充分考虑钻孔开挖后现场的仿真效果。 计算区域的确定 晋煤集团成庄矿位于晋城西北部，是一座年产 800 万吨的现代化矿井，井 田内主要采 3 号及 9 号煤层。本次试验是在 3209 巷道，巷深 300350m；采 9 号煤层，煤体的单轴抗压强度为 13.5Mpa；煤层顶板为老顶和直接顶；老顶： 细砂岩，厚 2.50m，深灰色，中厚层状，含植物化石，夹薄层状细砂岩；直接 顶：泥岩，厚 3.90m，黑色，厚层状，局部含少量砂质，水平层理发育，植物 化石丰富。煤层底板为直接底和老底；直接底：砂质泥岩，厚 3.42m，黑色， 中厚层状，水平层理发育，中夹薄层细砂岩；老底：泥岩，厚 7.70m，黑色， 中厚层状，富含植物化石局部含砂质。 沿煤层底板掘进，煤层总厚度 5.98m，煤层倾角 20-70（4.50） ；根据通风科 2 月份在相邻巷道 3209 巷正常生产时连续观测一个月，取月平均瓦斯涌出量， 为 3.6m3/min；煤尘无爆炸危险，煤层无自燃倾向；地温：120-160C；最大涌水 量：60m3/h，正常涌水量：2-15 m3/h。 参考该矿3号煤层得到该条件下煤岩体物理参数见表3-1： 表 3-1 煤层物理力学参数 Table.3-1 Physical mechanics parameters of coal seal 煤层 密度/ Kg/m3 体积模量K /GPa 剪切模量 G/GPa 粘结力 C/MPa 内摩擦角 /（） 抗拉强 度/MPa 泊松比 3号煤14502.9171.3772.5250.940.3 钻孔（巷道）开挖后，周围煤（岩）原始应力要发生变化，产生变形、移 动乃至破坏。根据理论分析可知，煤体的局部开挖仅仅对一定的有限范围有明 显的影响，在距开挖部位稍远一些的地方，其应力变化是微不足道的。 一般认为计算区域的边界到钻孔周边的距离大于钻孔半径的35倍后，由 计算区域的大小而引起的计算误差就可以达到工程允许的范围之内。由于在成 庄矿采用的钻头为89 mm，扩孔后能达到100 mm，但因此钻孔直径取100 mm。 由于在封孔时采用三段式封孔装置，封孔长度为1.5米。因此，综合考虑模型单 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 21 元数量与钻孔围岩应力影响范围两方面的因素，最终确定计算区域尺寸为1.5 m 1 .0m 1.0 m。 单元网格的划分 为了研究钻孔周围煤体在不同注浆压力的钻孔的变化情况，对钻孔周围的 煤体进行网格划分；为了保证计算的必要精度，采用了等间距与不等间距相结 合的方法划分网格，即钻孔附近的网格划分密集，离钻孔较远的岩体网格划分 得相对稀疏，如图 3-12 所示。 图 3-6 网格划分与边界条件 、边界条件和载荷模式 模型采用的加载方式为先加载后开挖，模型四周边界均施加水平位移约束， 底边界均施加水平位移及垂直位移约束，上部边界为自由面，上部边界以上的 岩层作为外荷载施加在模型的上边界，见图3-6。 模型的左、右边界0.5 m，前部边界0 m，后面边界1.5 m为位移约束边界， 约束水平方向的位移；模型的上面边界0.5 m为应力边界面，上部边界为自由面， 主要承受垂直应力是以上覆岩层的重力为主，即，其中为上覆岩层的Hq 平均容重，为钻孔上边界至地表的深度，模型下面边界0.5 m为位移约束边界，H 约束水平和竖直方向的位移，模型水平方向施加的应力方向及其量值的大小按 侧向应力系数为1的情况计算。 根据现在的设备、装置及材料等因素，主动支护力（注浆压力）设为 FLAC3D 2.10 Itasca Consulting Group, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1 M odel Perspective 09:18:06 Sat Sep 01 2007 Center: X: 9.087e-002 Y: 7.500e-001 Z: 1.131e-002 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 15 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: Surface M agfac = 0.000e+000 Exaggerated Grid Distortion 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 22 0.8MPa，1.0 MPa、1.2 MPa、1.5 MPa。 3.4.2 模拟结果分析 塑性区变化规律 由图 3-7 中 a、b、c 可知，当采用主动支护力为 0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa 时，在这个区域内塑性区范围基本保持不变，其塑性区范围 58.5mm；虽然其塑 性区相同，但是其受力程度不同，并且在不同的时刻，受力状态也不同。当注 浆压力继续增加，达到 1.5MPa 时，钻孔周围的塑性区范围明显的减小，其范 围为 35.4mm，相对于 1.2MPa，其塑性区范围减小了 23.2mm，可见，在一定的 范围内提高注浆压力，能使钻孔周围的塑性区范围减小，使钻孔周边的稳定， 有利于瓦斯的抽放。但是现在结合发明的装置的技术条件及对塑性区的分析可 知：注浆压力采取 1.5MPa 是合理的。 FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 09:59:38 Sat Aug 27 2005 Center: X: 6.001e-003 Y: 7.500e-001 Z: -2.840e-003 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: B lock State None shear-n shear-p shear-p FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:15:27 Sat Aug 27 2005 Center: X: 2.465e-003 Y: 7.500e-001 Z: -1.072e-003 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: B lock State None shear-n shear-p shear-p a 注浆压力为 0.8MPab 注浆压力为 1.0MPa FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:26:29 Sat Aug 27 2005 Center: X: -2.840e-003 Y: 7.500e-001 Z: 6.966e-004 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: B lock State None shear-n shear-p shear-p FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:36:16 Sat Aug 27 2005 Center: X: 2.465e-003 Y: 7.500e-001 Z: 6.001e-003 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: B lock State None shear-n shear-p shear-p c 注浆压力为 1.2MPad 注浆压力为 1.5MPa 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 23 图 3-7 塑性区分布图 位移变化规律 FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:00:02 Sat Aug 27 2005 Center: X: 6.001e-003 Y: 7.500e-001 Z: -2.840e-003 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: C ontour of X -D isplacem ent M agfac = 1.000e+000 -2.7966e-003 to -2.5000e-003 -2.5000e-003 to -2.0000e-003 -2.0000e-003 to -1.5000e-003 -1.5000e-003 to -1.0000e-003 -1.0000e-003 to -5.0000e-004 -5.0000e-004 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.0000e-004 5.0000e-004 to 1.0000e-003 1.0000e-003 to 1.5000e-003 1.5000e-003 to 2.0000e-003 2.0000e-003 to 2.5000e-003 2.5000e-003 to 2.7966e-003 Interval = 5.0e-004 FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:15:50 Sat Aug 27 2005 Center: X: 2.465e-003 Y: 7.500e-001 Z: -1.072e-003 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: C ontour of X -D isplacem ent M agfac = 1.000e+000 -2.6253e-003 to -2.5000e-003 -2.5000e-003 to -2.0000e-003 -2.0000e-003 to -1.5000e-003 -1.5000e-003 to -1.0000e-003 -1.0000e-003 to -5.0000e-004 -5.0000e-004 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.0000e-004 5.0000e-004 to 1.0000e-003 1.0000e-003 to 1.5000e-003 1.5000e-003 to 2.0000e-003 2.0000e-003 to 2.5000e-003 2.5000e-003 to 2.6274e-003 Interval = 5.0e-004 a 注浆压力为 0.8MPab 注浆压力为 1.0MPa FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:27:53 Sat Aug 27 2005 Center: X: -2.840e-003 Y: 7.500e-001 Z: 6.966e-004 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: C ontour of X -D isplacem ent M agfac = 1.000e+000 -2.4726e-003 to -2.0000e-003 -2.0000e-003 to -1.5000e-003 -1.5000e-003 to -1.0000e-003 -1.0000e-003 to -5.0000e-004 -5.0000e-004 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 5.0000e-004 5.0000e-004 to 1.0000e-003 1.0000e-003 to 1.5000e-003 1.5000e-003 to 2.0000e-003 2.0000e-003 to 2.4736e-003 Interval = 5.0e-004 FLAC3D 2.10 Itasca Consulting G roup, Inc. M inneapolis, M N USA Step 1101 M odel Perspective 10:36:32 Sat Aug 27 2005 Center: X: 2.465e-003 Y: 7.500e-001 Z: 6.001e-003 Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000 Dist: 5.000e+001M ag.: 18.8 Ang.: 22.500 Job Title: 力力力力力力力力力力 View Title: C ontour of X -D isplacem ent M agfac = 1.000e+000 -1.7590e-003 to -1.7500e-003 -1.5000e-003 to -1.2500e-003 -1.0000e-003 to -7.5000e-004 -5.0000e-004 to -2.5000e-004 0.0000e+000 to 2.5000e-004 5.0000e-004 to 7.5000e-004 1.0000e-003 to 1.2500e-003 1.5000e-003 to 1.7500e-003 1.7500e-003 to 1.7587e-003 Interval = 2.5e-004 c 注浆压力为 1.2MPad 注浆压力为 1.5MPa 图 3-8 X 方向位移分布图 由图 3-8 可知，对于单个图来看，X 方向的位移在钻孔两边是基本对称的， 说明了在注浆过程中就给钻孔周边施加了一个均匀的支护力。从整个模拟过程 来看，在一定的范围内所施加的支护力越大，则钻孔周边所受到的支护力就越 大，同时钻孔左右两帮的变形量就越小，可以看到，当注浆压力由 0.8MPa 提 高到 1.5MPa 时，钻孔两帮的变形量由 2.8mm 减小到 1.8mm，由此，可以推断： 在一定的范围内提高主动支护力，能使钻孔两帮的变形量继续减小，可能不再 产生塑性区。 由于钻孔的开掘，煤体原有的应力平衡被打破，煤体中的应力重新分布， 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 24 引起应力集中现象，当应力值接近或超过围岩的破坏强度时，钻孔周围煤体将 破坏，随着煤体破坏程度加剧，煤岩体应力向深部转移。为了控制钻孔周边煤 体的过大变形或失稳破坏，不再产生新的漏气通道，必须对钻孔进行及时有效 的支护或处理，要取得较好的控制效果，应该对围岩提供适时的足够大的支护 力或者改变煤体的应力状态。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 25 4 新型封孔方法配套封孔器材的研究 国内本煤层瓦斯抽采封孔，主要采用高分子发泡材料封孔法，前面已经分 析说明，这种封孔方法是不可能取得良好效果的，也是国外放弃采用的原因。 考虑到国内现行封孔技术的缺陷和国外封孔技术的经验。我们结合国内情 况提出了一种成本适中、抽放效果能够得到显著改善的封孔技术装备和器材。 本项目在大量的前期研究的基础上，提出“囊袋式注浆封孔法” ，该方法 改变了过去人们普遍认为的“瓦斯抽采钻孔难以实现注浆封孔的问题” 。 这种 封孔方法，一方面能使钻孔周围的裂隙得到充填，消除开孔时形成的漏气通道 （裂隙） ，即消除初期漏气通道；另一方面能使钻孔得到可靠的支护，保证钻孔 的稳定，使钻孔周围不再产生新的漏气通道（裂隙） ，即避免后期漏气通道的产 生和发展。 4.1 囊袋式注浆封孔法的结构原理 囊袋式注浆封孔法的关键技术是一个孔内一次性囊袋注浆装置。该装置通 过两个囊袋封堵一段钻孔，两个囊袋之间有一段塑料管，塑料管上开设有钻孔 注浆口，通过钻孔注浆口向两个囊袋之间的钻孔注浆，并形成注浆压力使浆液 向钻孔壁渗透。结构原理如图 4-1。 图 4-1 囊袋式注浆封孔法原理图 1-复合囊袋 2-塑料出浆管 3-钻孔注浆阀 4-囊袋注浆阀 5-注浆管 6-塑料堵头件 7-封孔抽采管 8-浆液渗透区 下面结合图 3-1 对囊袋注浆封孔法的原理加以说明： 复合囊袋是由筒状螺纹布与筒状橡胶复合而成。筒状螺纹布与筒状橡 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告 26 胶一样具有伸缩性，即筒