囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝材料的自主創(chuàng)新與應(yīng)用

沈 浩

（鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大隆礦，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 問(wèn)題提出

鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大隆礦始建于1966 年9 月，2019 年6 月礦井核定生產(chǎn)能力為210萬(wàn)t/a。大隆井田處于曉明背斜和大興向斜之間，形成一個(gè)北高南低的單斜構(gòu)造，并有輕微的褶曲。地層走向以北西向?yàn)橹?，傾角一般為6°～10°。井田走向長(zhǎng)（東西）4.43 km，傾斜寬（南北）3.58 km，面積13.55 km2。大隆井田有9 個(gè)可采煤層，其中4、7、15、16 層為主要可采煤層。

2010 年5 月大隆礦鑒定為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯含量普遍在8 m3/t,瓦斯治理方面堅(jiān)持“抽采為主、風(fēng)排為輔”，主要通過(guò)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，需要施工的瓦斯抽采鉆孔數(shù)量多，所使用的封孔工藝材料也隨之增多，存在材料費(fèi)用消耗大的問(wèn)題。為節(jié)省材料費(fèi)用支出，降低成本，對(duì)囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]。

2 封孔工藝材料的選取與設(shè)計(jì)

2.1 封孔工藝材料的組成

囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝主要用在煤礦井下抽采鉆孔施工完畢后對(duì)鉆孔進(jìn)行封閉工作，封閉后使鉆孔周圍存在的裂隙通過(guò)注漿料得到充填，同時(shí)消除鉆孔漏氣現(xiàn)象發(fā)生，從而提高鉆孔密封效果。封孔時(shí)主要是通過(guò)利用注漿泵進(jìn)行加壓注漿，達(dá)到改變鉆孔周圍煤體特性和密度使鉆孔口20 m 范圍內(nèi)得到可靠的支護(hù)保證，即避免中后期鉆孔漏氣和塌孔現(xiàn)象的發(fā)生，也提高了瓦斯抽采濃度。囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔材料主要由囊袋、注料管、注漿泵、封孔料四部分組成，結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便、封孔快捷，封孔效果好。囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝原理如圖1。

圖1 囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝原理示意圖

2.2 封孔工藝囊袋的選取設(shè)計(jì)

囊袋的主要作用是通過(guò)囊袋將封孔料中的水分篩出留下封孔料，按設(shè)計(jì)的封孔長(zhǎng)度將鉆孔兩側(cè)密封并固定抽采管路。囊袋布采用的是丙綸長(zhǎng)纖維材質(zhì)，布面光滑，透氣性能好，用于制作囊袋比較耐酸、耐堿、耐水解、抗氧化、抗毒變。

囊袋布的厚度在0.85～1.35 mm 之間，質(zhì)量420 g/cm3，融化點(diǎn)142～146 ℃，正常使用溫度小于90 ℃，有效過(guò)濾精度最小可達(dá)到1 μm 左右。礦內(nèi)女工將囊袋布裁剪成全長(zhǎng)為580 mm、寬度為460 mm 長(zhǎng)方形布?jí)K，再使用縫紉機(jī)加密縫合3 次，縫合后保證外徑為150 mm、內(nèi)徑為145 mm 空心圓柱形。前置囊袋在縫合過(guò)程中需要在一側(cè)留出1個(gè)20 mm圓孔，后置囊袋在兩側(cè)位置各留出1 個(gè)20 mm 圓孔，便于注料管的穿插和囊袋與注料管路連接?？p合后達(dá)到斷裂伸長(zhǎng)率為28%～76%、斷裂強(qiáng)度2608～2050 N，適用于直徑范圍在150 mm 以內(nèi)的抽放管路。

2.3 封孔工藝注料管的選取設(shè)計(jì)

注料管的主要作用是在注漿泵的壓力作用下將封孔料輸送到囊袋和鉆孔內(nèi)完成注漿封孔工作。注料管采用的是聚乙烯管材（PE100），抗壓耐用不易破裂，堅(jiān)固耐磨，韌性強(qiáng)，耐高溫，抗凍性強(qiáng)，彎曲半徑可小到管徑的20～50 倍，正常使用溫度-30～50 ℃，選用外徑為20 mm、壁厚為2.3 mm，可承受18 kg 壓力，約為1.8 MPa。注料管長(zhǎng)度選擇22 m，其中有效封孔長(zhǎng)度選擇20 m，鉆孔外留余2 m 與注漿泵連接。使用手電鉆在注料管有效封孔長(zhǎng)度20 m 內(nèi)鉆削3 個(gè)Φ8 mm 圓孔，用于封孔料流入囊袋和鉆孔內(nèi)。3 個(gè)圓孔分別用牛筋管進(jìn)行掩護(hù)，使用2 個(gè)單耳無(wú)極卡箍將牛筋管固定在注料管中間的圓孔處，通過(guò)牛筋管將圓孔密封，只有注漿泵給到一定的壓力，達(dá)到牛筋管工程壓力值時(shí)，牛筋管破裂封孔料流入鉆孔內(nèi)完成封孔工藝。兩側(cè)的圓孔使用膠帶將牛筋管固定，兩側(cè)的牛筋管主要的作用是防止封孔料逆流。使用的牛筋管柔軟性好、顏色透亮、韌性好、有彈力，正常使用溫度在-5～65 ℃之間，牛筋管公稱壓力為0.63 MPa。使用Φ18 mm 封管木楔將注料管前端堵嚴(yán)，防止封孔料從注料管的另一端流出。囊袋與注料管的連接和注料管中間孔與牛筋管的連接均采用的是單耳無(wú)極卡箍，采用的是304 不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕、不生銹，壓緊力為2.4 MPa，管表面360°均勻受力壓縮保障密封性。

2.4 封孔工藝注漿料和注漿泵的選取

1）注漿料主要作用是將前置囊袋和后置囊袋之間的鉆孔、鉆孔壁裂隙進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)鉆孔密實(shí)封孔。采用具有膨脹作用的水泥砂漿，流動(dòng)性、膨脹性和密實(shí)性良好，封孔成本較低，瓦斯抽采效果良好。注漿料無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)腐蝕性、阻燃等性能良好。

2）注漿泵的主要作用是在排漿壓力作用下將注漿料通過(guò)注料管往復(fù)注入鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)封孔。注漿泵以井下壓縮空氣為動(dòng)力，工作氣壓為0.63 MPa，排漿壓力為1.5 MPa，排漿流量為27 L/min，整機(jī)質(zhì)量16 kg，注漿泵體積小，使用可靠。

2.5 封孔裝置的組裝

進(jìn)行囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置組裝，首先選取完好的注料管，并用封管木楔將注料管前端堵嚴(yán)；然后使用2 個(gè)單耳無(wú)極卡箍將牛筋管固定在注料管中間注料口位置處，使用膠布將牛筋管固定在兩個(gè)囊袋注料口處；再將后置囊袋套入注料管上，使用2 個(gè)單耳無(wú)極卡箍將囊袋與注料管固定牢固；最后將前置囊袋套入注料管上，使用2 個(gè)單耳無(wú)極卡箍將封管木楔、囊袋、注料管一起固定牢固。組裝完成后形成一套囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置。

2.6 封孔工藝原理

1）準(zhǔn)備工作。首先將注漿泵接設(shè)完好試運(yùn)轉(zhuǎn)，然后根據(jù)要求接設(shè)一定長(zhǎng)度的抽采管路，再在規(guī)定位置處使用鐵線將抽采管路與前置囊袋和注料管路捆綁牢固，防止安裝時(shí)移動(dòng)，最后采用壓風(fēng)清掃鉆孔，排除鉆孔中殘余煤（巖）細(xì)屑。

2）安裝工作。首先將抽采管路及安裝封孔裝置的抽采管路送入鉆孔，兩囊袋之間的注料管可用膠布或細(xì)鐵線將其與抽采管路捆綁固定，再將后置囊袋用鐵線固定在抽放管路上，按要求將前置囊袋送入規(guī)定深度即可。抽采管路進(jìn)入鉆孔設(shè)定位置后，可利用鐵絲固定好抽采管路，防止抽采管路及封孔裝置移動(dòng)。

3）注漿封孔。按比例向攪拌桶裝入封孔材料，啟動(dòng)攪拌器，將封孔料攪拌均勻。將注漿泵出口與注料管相連，啟動(dòng)注漿泵開(kāi)始注漿。封孔料通過(guò)注料管路從后置囊袋注料口和前置囊袋注料口流入兩個(gè)囊袋內(nèi)，隨著封孔料的增多兩個(gè)囊袋逐漸鼓起，達(dá)到封閉鉆孔的作用。注漿泵繼續(xù)注漿加壓增大，當(dāng)排漿壓力達(dá)到0.63 MPa 時(shí)，注料管中間位置的牛筋管受壓力的作用破裂，封孔料從注料口流入鉆孔內(nèi)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa 時(shí)持續(xù)3 min 將鉆孔周邊裂隙充填密實(shí)，即可停止注漿。鉆孔注漿24 h后，可以連接瓦斯抽采系統(tǒng)，進(jìn)行抽采瓦斯。

3 封孔工藝的使用效果分析與研究

1）封孔工藝材質(zhì)能夠滿足井下現(xiàn)場(chǎng)的使用條件，在注入封孔料時(shí)，達(dá)到了預(yù)期的使用效果，沒(méi)有出現(xiàn)封孔料流動(dòng)性差、牛筋管無(wú)法破裂的情況，能夠很好地密封瓦斯抽采鉆孔。

2）通過(guò)井下定向鉆孔、本層預(yù)抽鉆孔、穿層鉆孔、高位鉆孔等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝和使用，實(shí)現(xiàn)了鉆孔高濃度的瓦斯抽采，提高了瓦斯抽采濃度。

3）密封完好的鉆孔隨著抽采瓦斯時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)緩慢降低。

4）大隆礦通過(guò)自主選取材料，經(jīng)礦內(nèi)女工利用閑余時(shí)間進(jìn)行囊袋的縫合加工，創(chuàng)新出新型的囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝裝置。裝置總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，封孔快捷，取得了良好的封孔效果。自主加工1 個(gè)囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置需要的材料費(fèi)用是43.12 元，據(jù)統(tǒng)計(jì)大隆礦2021 年井下施工定向鉆孔9 個(gè)、深度4505 m，本層預(yù)抽鉆孔173 個(gè)、深度22 890 m，穿層鉆孔252 個(gè)、深度18 244 m，高位鉆孔792 個(gè)、深度75 232 m，共計(jì)1226 個(gè)鉆孔，全長(zhǎng)120 871 m。購(gòu)買一個(gè)囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置需要500 元，大隆礦一年購(gòu)買封孔裝置所使用的材料費(fèi)為613 000 元，通過(guò)自主加工封孔裝置可以節(jié)省材料費(fèi)560 134元。自主創(chuàng)新加工比購(gòu)買封孔裝置節(jié)省了91%的材料費(fèi)用支出，為大隆礦節(jié)資降耗做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝裝置材料的選取和優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作出新型的囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔裝置，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和井下的使用達(dá)到了預(yù)期的使用效果，提高了瓦斯抽采率。

2）通過(guò)自主創(chuàng)新加工的囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝裝置節(jié)省了91%材料費(fèi)用支出，為煤礦安全生產(chǎn)提供穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。此方法能夠在其他礦井進(jìn)行推廣和應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。