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瓦斯抽采設備鉆孔過程中漏氣問題分析與優化

文檔作者：解文匯文檔來源：陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2025年10月03日
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DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.05.035
總第193 期
2019 年第5 期
機械管理開發
MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
Total 193
No.5，2019
引言
利用瓦斯抽采設備抽采鉆孔是治理煤礦瓦斯災
害最有效的方法之一，由于抽采設備所形成的負壓
環境可將煤層之中處于游離態或吸附態的瓦斯氣體
抽出并尋求其合理再利用，所以鉆孔封孔技術成為
了影響到抽采設備抽采效果的重要因素，封孔質量
則是評判瓦斯抽采設備運行效果的核心指標。但在
實際瓦斯抽采設備運行的過程中，鉆孔漏氣問題卻
廣泛地存在，本文將針對不同的漏氣原因進行分析，
并提出相應的改善措施。
1 封孔深度設置不當導致漏氣及其優化方式
瓦斯抽采設備在鉆孔過程中，其實質是應力平
衡被打破并重新分布的過程，在距離鉆孔孔口較近
的范圍內，煤體由于極限應力的作用出現了大量相
互貫穿的裂縫，巷道的這一區域為泄壓區，此區間內
滲透率極大。如果封孔深度較淺而不能完全覆蓋泄
壓區時，即使封孔的密封性能良好，鉆孔泄壓區也構
成了空氣滲入鉆孔的主要通道，降低了抽采負壓，嚴
重影響了瓦斯抽采濃度[1]。圖1 為封孔深度淺導致
漏氣的示意圖，自鉆孔孔口沿向煤層方向，即鉆孔的
軸向方向，煤體按照應力狀態的不同依次分為卸壓
區、塑性區和彈性區。
處于彈性區的煤體，鉆孔沒有引發其內部裂隙
的發展，且煤巖整體處于壓縮狀態[2]，煤巖滲透率與
應力之間的關系式為：
K=K0·e
-茁滓
3 . （1）
式中：K 和K0 分別代表煤巖的滲透率及其未受開掘
影響時的原始值；茁是一個值為正數的常數；滓為煤
體所承受的總應力，從式（1）可得，此過程中煤巖的
滲透率與應力之間有明確的反向關系。
在塑性區內，煤巖體承受的應力超過自身強度
極限，應力不再隨應變發生變化，但內部產生大量微
裂隙，煤巖出現了擴容現象，雖然煤巖內部裂隙受到
壓密，但由于裂隙相互交叉、連接貫通，滲透率開始
緩慢增大。
在巷道卸壓區內，煤體由于極限應力的作用出
現了大量相互貫穿的裂縫，離巷道壁較近的地方由
于應力集中，導致煤巖體呈現破壞狀態，孔隙率升
高，煤巖滲透率急劇增大。
煤巖處于塑性區和泄壓區時，煤體變形程度對
其滲透率的影響可以通過式（2）來確定：
K=
K0（1+ 著V n0
）3
（1+著V）3 . （2）
式中：著V代表煤體的體積應變，n0則為煤體孔隙率在
未受開掘影響時的原始值。
可以看出，不管在塑性區還是泄壓區，隨著煤體
內部裂隙開始擴展和發育，甚至破裂和擴容，滲透率
都隨體積應變增大而增大，只是滲透率的變化速率
在兩區域內會有所不同。
基于以上的分析可知，巷道的泄壓區作為會引
起空氣進入鉆孔的潛在漏氣區域，當鉆孔密封段因
長度不足而未完全覆蓋此區域時，會導致抽采效率
的急劇降低。通常來說，加大封孔深度可以降低由于
封孔深度過淺導致的漏氣[3]，為此采用實驗驗證此改
進方法的效果，在實驗煤層的初始滲透率、孔隙度、
收稿日期：2018-12-24
作者簡介：解文匯（1970—），男，本科，通風工程師，研究方向
為通風。
瓦斯抽采設備鉆孔過程中漏氣問題分析與優化
解文匯
（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西晉中045400）
摘要：針對瓦斯抽采設備鉆孔過程中廣泛存在的漏氣問題，從封孔深度設置不當、封孔材料性能不佳而未能
與鉆孔孔壁緊密黏結、鉆孔失穩變形三個主要原因進行深入分析，并提出相應的優化措施以驗證實際的改善
效果。
關鍵詞：瓦斯抽采設備鉆孔漏氣優化
中圖分類號：TD712.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-773X（2019）05-0078-03
圖1 封孔深度淺導致漏氣示意圖
漏風風流
堵頭
抽放負壓
風孔硬化材料
煤層裂縫
泄壓區塑性區彈性區
煤層
煤層
瓦斯
機械分析與設計
鉆孔半徑等基本參數不變的情況下，嘗試設定不同
的封孔深度，通過測量其對應的漏氣量以評判封孔
深度對瓦斯抽采設備抽采效果的影響，所獲得的具
體實驗數據繪制在圖2 中。
由實驗可知，封孔段長度對鉆孔漏氣量的影響
顯著，后者隨前者的加長而逐漸減小。在封孔長度
增長的初期，漏氣量減小比例非常大，但是超過一
定限度后，增加封孔長度已不再是影響漏氣量大小
的主要因素，因此后期收效甚微。基于此，為使瓦斯
抽采設備達到良好的效果并考慮成本因素，應增加
封孔段長度直至密封段涉及卸壓區以后的塑性區。
2 封孔段密封材料性能不佳導致漏氣及其優化方式
瓦斯抽采設備在鉆孔工作時，密封材料的性能
對抽采效果的影響有著不容忽視的作用，因為鉆孔
密封質量會直接導致漏氣率和抽采負壓等發生顯著
變化。所以，當出現封孔材料和鉆孔孔壁黏結不緊密
的情況或者密封材料出現收縮現象時，封孔材料和
孔壁之間存在縫隙，鉆孔未被密封材料充滿，導致外
部空氣與抽采鉆孔之間可能存在連接通道而使漏氣
率升高，密封材料性能不佳而導致漏氣出現的問題
在近水平鉆孔密封中更為突出。
封孔材料與孔壁之間的漏氣通道可以簡化為環
形漏氣通道，由牛頓摩擦定律和力學平衡可知，通過
此漏氣通道的漏氣量Q 與鉆孔半徑r0、封孔材料半
徑r 之間的關系為：
Q≈仔·r0Δp
6滋L （r0-r）3 . （3）
式中：滋為氣體的動力黏度，Pa·s；Δp 為封孔段兩端
的壓力差，kPa；L 代表封孔段長度，m。
由式（3）可得，漏氣通道的寬度（即r0-r）對漏氣
量的影響很大，因此，可以通過選用穩定且具有膨脹
性的材料作為密封材料，以減少漏氣通道出現的可
能性[4]。利用硅酸鹽水泥、石膏、膨潤土、纖維素等原
料按一定比例配置成自膨脹封孔材料，其最終膨脹
率為8%左右，將其與普通封孔材料的封孔效果進行
對比，實驗共進行了五組，瓦斯的抽采濃度如圖3 所
示。可以看出，采用自膨脹封孔材料進行封孔后，由
于材料本身會產生膨脹，因此能有效地減小抽采時
的漏風，保證鉆孔的抽采效果。
3 鉆孔變形導致漏氣及其優化方式
鉆孔是否失穩變形是影響瓦斯抽采設備抽采效
果好壞的關鍵因素，鉆孔會導致其周圍煤體中應力
的調整改變，再加上地應力的持續作用，其附近煤體
中裂隙會發育、發展從而致使鉆孔失穩變形，進而加
大了漏氣圈出現的概率。根據彈塑性力學原理可以
得到漏氣區的半徑RL與煤體內聚力C 等煤層基本
參數的關系為：
RL=r0[（p0+C·cot漬
q+C·cot漬）（1-sin漬
1+sin漬）]
1-sin漬
1+sin漬. （4）
式中：p0 為煤巖體原始應力，MPa；q 是封孔支護力，
MPa；r0為鉆孔半徑，m；漬為煤體內摩擦角，°。
鉆孔圍巖漏氣區大小影響因素較多，它的破壞
半徑隨著鉆孔圍巖原始應力P0的增大而增大，完全
相反于其與煤體內摩擦角漬、內聚力C 的關系。
根據式（4），易得出漏氣區截面積SL的表達式：
SL=仔r0
2[（p0+C·cot漬
q+C·cot漬
1-sin漬
1+sin漬）
1-sin漬
sin漬-1] . （5）
公式（5）說明鉆孔周圍環形漏氣區截面積在其
他參數一定時，SL的大小與封孔支護力q 相關，隨著
封孔支護力q 增大，漏氣圈面積可相應減小，因此在
封孔時應選用能提供支護作用的封孔方法，這樣可
使鉆孔穩定性提高，延緩或防止新裂隙的生成和擴
展。基于這個原理，采用囊袋法主動施加支護力可達
到穩定鉆孔的目的，囊袋法是向兩個囊袋中間的鉆
孔加壓注漿，會對鉆孔壁提供主動支護力。對囊袋法
和聚氨酯封孔法的封孔效果進行比較，記錄相應的
鉆孔瓦斯濃度，如下頁圖4 所示，由于聚氨酯無法為
鉆孔提供足夠的支護作用，所以囊袋法較傳統的聚
氨酯封孔法而言，平均瓦斯抽采濃度明顯更高，這說
明囊袋法密封性能更好，施加支護力有利于煤層瓦
斯的抽采。
4 結論
通過對以上幾種瓦斯抽采設備在鉆孔過程中通
道漏氣原因的分析，可以從以下幾方面來考慮改進。
1）設定適當的封孔深度。設定封孔深度時，要根
據不同封孔地點的特征來設定封孔深度，為達到良
圖2 封孔段長度與漏氣量之間的關系
圖3 自膨脹封孔材料與普通封孔材料的封孔效果對比圖
0.000 005
0.000 010
0.000 015
0.000 020
0.000 025
0.000 030
0.000 035
0.000 040
0.000 000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
封孔長度/m
10
20
30
40
50
60
70
0
1 2 3 4 5
自膨脹封孔材料普通封孔材料
2019 年第 5 期 解文匯：瓦斯抽采設備鉆孔過程中漏氣問題分析與優化 ·79·
好的密封效果，合理的封孔深度要大于卸壓區深度。
2）選用穩定而且具有膨脹性材料作為封孔介
質，以減小漏氣通道產生的可能性或使其面積縮小。
3）選用能提供支護作用的封孔方法，如囊袋法
等，使密封材料可進入煤體裂隙，維持鉆孔的穩定，
這樣有利于煤層瓦斯的抽采。
參考文獻
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2016.
[2] 孫志東.本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔技術研究[D].貴陽：貴州大
學，2017
[3] 王振鋒.瓦斯抽采濃度控制機理及管路濃度自動調控預警系統
研究[D].焦作：河南理工大學，2014.
[4] 王娟.礦用自膨脹封孔材料的制備及性能研究[D].淮南：安徽理
工大學，2017.
（編輯：趙琳琳）
圖4 囊袋封孔法與聚氨酯封孔法的封孔效果對比圖
10
20
30
40
50
60
70
80
0
0 5 10 15 20 25
聚氨酯法囊袋法
抽采時間/d
Analysis and Optimization of Gas Leakage in Drilling Process of Gas
Extraction Equipment
Xie Wenhui
（Kaiyuan Mining Co., Ltd., Jinzhong Shanxi 045400）
Abstract: In view of the gas leakage problem widely existing in the drilling process of gas extraction equipment, this
paper makes a deep analysis from three main reasons: improper setting of sealing depth, poor performance of sealing
material, failure to bond closely with borehole wall, and borehole instability deformation. And put forward the
corresponding optimization measures to verify the actual improvement effect.
Key words: gas extraction equipment; drilling hole; gas leakage
到了攻克，達到了改造效果，具有一定的推廣價值。
參考文獻
[1] 孫國勛.斜面網紋齒盤車加工夾具設計研究[J].機械工程師，
2018（12）：69-70.
[2] 李錦棠.探究多工序加工系統的數控夾具設計應用[J].科技與
創新，2018（2）：153-154.
[3] 吳桂洪.氣動頭活塞孔加工夾具設計技巧[J].內燃機與配件，
2017（20）：77-78.
（編輯：王慧芳）
Defect Analysis and Optimization Reform of Machining Fixture for
Automobile Gearbox Input Shaft
Li Lei
（China Heavy Automobile Group Datong Gear Co., Ltd., Datong Shanxi 037305）
Abstract: The machining fixture is often used in the grinding operation of the transmission input shaft inside and
outside the circle. In view of the fact that the workpiece can not be relaxed normally after the workpiece grinding is
completed, it is believed that the machining fixture is caused by the defect of the machining fixture. In order to solve
the defects of the fixture for automobile gearbox input shaft machining, the causes of the fixture defect are analyzed in
detail. On the basis of this, a relaxed cylinder structure is developed to optimize the original fixture. According to the
field inspection results, the optimized fixture can meet the production requirements, and the original defects have been
well solved.
Key words: gearbox; gear shaft; fixture fault; optimization; application
（上接第47 頁）
機械管理開發 第 34 卷
·80· jxglkfbjb@126.com

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