基于钻孔围岩裂隙结构提高封孔效果的方法与流程

本发明属于煤层钻孔抽采瓦斯的封孔技术领域，尤其涉及一种基于钻孔围岩裂隙结构提高封孔效果的方法。

背景技术：

目前，煤矿井下钻孔预抽煤层瓦斯是区域瓦斯治理主要技术，但是存在钻孔抽采瓦斯浓度偏低，严重影响煤层瓦斯抽采效果。分析其原因在于，大量原生裂隙受到巷道应力集中区以及钻孔破碎区的共同影响，进一步发育，同时产生大量的新生裂隙。孔壁煤体裂隙发育是煤岩体存在大量原生裂隙及巷道掘进产生的应力叠加作用综合作用的结果。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，到一定范围出现应力集中区。生产实际中应力集中区变化范围一般为5～12m。应力集中区促进了煤体裂隙的发育，施工抽采钻孔时加剧了煤壁破坏，钻孔四周形成环形卸压圈，钻孔对煤壁产生径向裂隙，进一步促进裂隙发育。瓦斯抽采钻孔对煤体扰动破坏范围一般为孔径的5～10倍。随后，在抽采瓦斯过程中，随着大量瓦斯气体从煤体抽出，煤层瓦斯压力和瓦斯含量下降，煤体中的瓦斯弹性潜能得以释放，并由此引发煤层产生变形、位移、卸压(地应力减小)、煤层透气性增大等现象，在钻孔有效作用半径区域内的煤层形成大量微观裂隙及孔隙通道。因此预抽煤层瓦斯后，裂隙发育程度更高。当这些因应力扰动产生的裂隙与外界大气沟通时，如果封孔不严或者封孔段短，未超过裂隙显著发育范围时，在抽采负压作用下空气就由煤帮和抽采钻孔周边进入钻孔及抽放管路，使抽采系统瓦斯浓度下降。另外，在瓦斯抽采过程中，由于煤体内含有较多的水，瓦斯抽采管上的抽采孔容易被煤浆堵塞，导致抽采效率大大降低。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种便于操作、改善封孔效果、避免空气进入由煤帮和抽采钻孔周边进入钻孔内、安全可靠、能提高瓦斯抽采效率的基于钻孔围岩裂隙结构提高封孔效果的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于钻孔围岩裂隙结构提高封孔效果的方法，包括以下步骤：

1） 首先确认受巷道掘进影响产生的U型卸压煤体区域，由钻孔的各项参数得出钻孔钻进产生的环形卸压煤体区域，进而得到受钻孔钻进集中应力影响产生的破碎带与巷道掘进产生的应力集中带共同影响的煤体裂隙区域；

2） 根据煤田地质特征，分析煤体构造原生裂隙的发育，考虑围岩应力大于煤体强度以及施工抽采钻孔时裂隙的进一步发育状况，同时考虑瓦斯抽采过程中引发的煤体变形，煤层透气性增大所形成的微观裂隙及孔隙通道；

3） 根据巷道两帮和钻孔周围煤体形成的裂隙发育范围，考虑抽采过程中随着瓦斯的抽出因压力下降形成的微观裂隙及孔隙通道,封孔长度应大于受钻孔钻进影响产生的破碎带与巷道掘进产生的应力集中带共同影响的煤体裂隙区域，确定适宜的封孔深度；

4） 使用流动性好、致密性好、强度高、高粘结性、强渗透性、有自我膨胀性的封孔材料密封抽采管与环形卸压煤体区域之间的环形空间，并使封孔材料注入到微观裂隙及孔隙通道内，进行有效的封孔；为了保证封孔效果，防止封孔材料进入封孔范围之外的煤裂隙，在封孔装置两端采用阻挡结构限位，确保抽采管上设置的抽采孔的通透性；

5） 待钻孔内的封孔材料固化完毕，在抽采管的外圆上穿套上一个限位盘，限位盘上设有充填孔，限位盘的外边缘上固定设置一个套筒，套筒的一端圆周边缘设有一圈尖锐结构，采用人力或巷道内压缩空气推动限位盘沿抽采管向巷道壁移动，套筒端部的一圈尖锐结构扎入到巷道壁内，然后在抽采管上设有与限位盘顶压接触的限位环，接着通过充填孔向套筒、抽采管外壁、限位盘和巷道壁之间形成的空间内充填步骤4 ）中所使用的封孔材料；

6）待套筒内的封孔材料固化完毕后，将抽采管与瓦斯抽采支管连接，进行正常瓦斯抽采；

7）根据抽采瓦斯浓度、抽采纯量的变化来分析检验封孔效果。

在封孔前预先在抽采管内设置有抽采防堵塞装置，并在抽采管上的抽采孔处设置一块网板，步骤6）中在瓦斯抽采过程中，出现煤浆堵塞网板时，启动抽采防堵塞装置，将网板上堵塞的煤浆吹开，从而确保瓦斯抽采作业的正常连续进行。

抽采防堵塞装置包括设在抽采管抽采端的堵板和同轴向设在抽采管内的一根疏通管，疏通管的一端与堵板内壁固定连接，疏通管外侧与抽采管内壁之间设有连接支撑杆，疏通管侧部设有与每块网板一一对应设置的喷气嘴，疏通管的另一端通过一个弯头连接有一根送风管，送风管垂直穿过抽采管伸入到巷道内，送风管与抽采管外壁连接处设有密封圈，送风管上套设有压紧套，送风管上螺纹连接有将压紧套紧压密封圈外圆周的锁紧螺母，送风管上设有单向阀，送风管的进风口连接井下的高压送风机。

抽采防堵塞装置将将网板上堵塞的煤浆吹开的具体操作过程为：当煤层内的水与煤形成煤浆将网板堵塞时，设置在抽采管道上的流量计或压力表监测到瓦斯流量变小，启动高压送风机，高压风由送风管进入到疏通管，最后由喷气嘴喷向网板，网板外的煤浆被吹散，网板疏通，从而使瓦斯抽采作业正常进行。

采用上述技术方案，本发明采用以下原理：根据孔壁煤体裂隙对封孔效果影响可知，由于巷道掘进形成的围岩应力集中区和抽采钻孔四周形成的环形卸压圈，而使巷道两帮煤体和钻孔四周煤体形成一定的裂隙发育范围。巷道煤壁卸压范围一般在4-6m，应力扰动范围可达8m左右；施工抽采钻孔时加剧了煤壁破坏，钻孔四周形成环形卸压圈，钻孔对煤壁产生径向裂隙，进一步促进裂隙发育。瓦斯抽采钻孔对煤体扰动破坏范围一般为孔径的5-10倍。封孔段必须超过钻孔破碎带与巷道应力集中带共同影响的煤体裂隙区域，由此可以确定封孔长度应不低于8m的孔壁裂隙发育范围；同时采用具有致密性好，材料内部结构严实；强度高，材料受到到较大应力作用时不易产生裂隙；高粘结性，能够和钻孔壁面结合成一体；强渗透性，在煤体内容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、水锁效应的阻挡等作用的封孔材料，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。

本发明还在巷道内壁外设置了一道封孔结构，即在钻孔周围的套筒、抽采管外壁、限位盘和巷道壁之间形成的空间封孔材料进行密封，这样充分提高了密封效果，进一步避免空气由煤帮和抽采钻孔周边进入钻孔及抽放管路。

本发明还在抽采管内设置了抽采防堵塞装置。在抽采管上的抽采孔被煤浆堵塞时，及时将抽采孔处设置的网板吹开，充分提高瓦斯抽采效率。由于送风管上设有单向阀，这样就避免在抽采瓦斯过程中出现漏气情况（即由送风管进入空气）。密封圈、压紧套和锁紧螺母的设置，确保密封的可靠性。连接支撑杆与堵板起到固定疏通管的作用。

本发明在对钻孔漏气的主要因素进行分析，提出可行的封孔方法，采用合适封孔材料填充于瓦斯抽采钻孔对煤壁产生的径向裂隙，彻底封堵瓦斯裂隙通道，防止巷道空气从煤层裂隙进入钻孔及抽放管路，并可及时疏通抽采孔被堵塞。本发明得出基于钻孔围岩裂隙结构的提高封孔效果的方法，为改善当前瓦斯抽采封孔装置漏气严重、抽采体积分数低的被动局面提供有效的技术途径。

附图说明

图1是本发明中抽采管和抽采防堵塞装置的结构示意图；

图2是本发明中封孔区域的示意图；

图3是钻孔封孔区域在封孔前的剖面图；

图4是钻孔封孔区域在封孔后的剖面图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明的基于钻孔围岩裂隙结构提高封孔效果的方法，包括以下步骤：

1） 首先确认受巷道掘进影响产生的U型卸压煤体区域5，由钻孔的各项参数得出钻孔钻进产生的环形卸压煤体区域6，进而得到受钻孔钻进集中应力影响产生的破碎带与巷道掘进产生的应力集中带共同影响的煤体裂隙区域7；图1中标号4为没有受到巷道掘进影响及钻孔钻进影响的煤体；

3） 根据煤田地质特征，分析煤体构造原生裂隙的发育，考虑围岩应力大于煤体强度以及施工抽采钻孔时裂隙的进一步发育状况，同时考虑瓦斯抽采过程中引发的煤体变形，煤层透气性增大所形成的微观裂隙及孔隙通道9；

3） 根据巷道1两帮和钻孔2周围煤体形成的裂隙发育范围，考虑抽采过程中随着瓦斯的抽出因压力下降形成的微观裂隙及孔隙通道9,封孔长度应大于受钻孔2钻进影响产生的破碎带与巷道1掘进产生的应力集中带共同影响的煤体裂隙区域7，确定适宜的封孔深度；

4） 使用流动性好、致密性好、强度高、高粘结性、强渗透性、有自我膨胀性的封孔材料3密封抽采管8与环形卸压煤体区域6之间的环形空间，并使封孔材料3注入到微观裂隙及孔隙通道9内，进行有效的封孔；为了保证封孔效果，防止封孔材料3进入封孔范围之外的煤裂隙，在封孔装置两端采用阻挡结构（采用限位挡板26）限位，确保抽采管8上设置的抽采孔的通透性；

5） 待钻孔2内的封孔材料3固化完毕，在抽采管8的外圆上穿套上一个限位盘10，限位盘10上设有充填孔11，限位盘10的外边缘上固定设置一个套筒12，套筒12的一端圆周边缘设有一圈尖锐结构13，采用人力或巷道1内压缩空气推动限位盘10沿抽采管8向巷道1壁移动，套筒12端部的一圈尖锐结构13扎入到巷道1壁内，然后在抽采管8上设有与限位盘10顶压接触的限位环14，接着通过充填孔11向套筒12、抽采管8外壁、限位盘10和巷道1壁之间形成的空间内充填步骤4 ）中所使用的封孔材料3；

6）待套筒12内的封孔材料3固化完毕后，将抽采管8与瓦斯抽采支管连接，进行正常瓦斯抽采；

7）根据抽采瓦斯浓度、抽采纯量的变化来分析检验封孔效果。

在封孔前预先在抽采管8内设置有抽采防堵塞装置，并在抽采管8上的抽采孔处设置一块网板15，步骤6）中在瓦斯抽采过程中，出现煤浆堵塞网板15时，启动抽采防堵塞装置，将网板15上堵塞的煤浆吹开，从而确保瓦斯抽采作业的正常连续进行。

抽采防堵塞装置包括设在抽采管8抽采端的堵板16和同轴向设在抽采管8内的一根疏通管17，疏通管17的一端与堵板16内壁固定连接，疏通管17外侧与抽采管8内壁之间设有连接支撑杆18，疏通管17侧部设有与每块网板15一一对应设置的喷气嘴19，疏通管17的另一端通过一个弯头20连接有一根送风管21，送风管21垂直穿过抽采管8伸入到巷道1内，送风管21与抽采管8外壁连接处设有密封圈22，送风管21上套设有压紧套23，送风管21上螺纹连接有将压紧套23紧压密封圈22外圆周的锁紧螺母24，送风管21上设有单向阀25，送风管21的进风口连接井下的高压送风机。

抽采防堵塞装置将将网板15上堵塞的煤浆吹开的具体操作过程为：当煤层内的水与煤形成煤浆将网板15堵塞时，设置在抽采管8道上的流量计或压力表监测到瓦斯流量变小，启动高压送风机，高压风由送风管21进入到疏通管17，最后由喷气嘴19喷向网板15，网板15外的煤浆被吹散，网板15疏通，从而使瓦斯抽采作业正常进行。

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。