0 引 言

瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理与利用的根本措施和主要途径，顺层瓦斯抽采钻孔是最主要的抽采方式之一[1-3]。目前，我国煤矿瓦斯抽采总体效果不佳，钻孔密封质量直接影响着瓦斯的抽采效果。据有关统计，我国约有2/3的瓦斯抽采矿井封孔长度短且密封质量差，约有65%的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%，反映出我国瓦斯抽采钻孔密封性差的现状[4-5]。

众多学者对抽采钻孔封孔工艺进行了大量研究与探索，按封孔方式可分为机械式封孔器封孔、“两堵一注”封孔及高效综合注浆封孔[6-9]。封孔器封孔距离较短且适用性差，仅作为临时瓦斯抽采钻孔封孔[10]；“两堵一注”封孔包括水泥砂浆带压封孔、囊袋式封孔[11]等，由于带压注浆能够使封孔材料很好地渗入钻孔周边裂隙，达到较好的封孔效果，是煤矿应用最广泛的封孔方式。但水泥砂浆易产生月牙形空隙并且凝固后易收缩产生裂隙等漏气通道，囊袋式封孔装置可靠性低易造成注浆不足、封堵不严等问题[12]；高效综合注浆封孔即在传统封孔工艺基础上，结合聚氨酯[13]、PD材料[14]及延时膨胀材料[15]等高分子聚合材料进行改良的封孔方法。周福宝[16]提出了二次封孔方法并建立了微细膨胀粉料颗粒在孔隙裂隙中运动的数学模型。张超[17]提出了“强弱强”带压封孔技术，选用PD 浆液、弱强度的果冻状胶体，以及高强度的吸水高分子材料对抽采钻孔实施3层封堵。陈学习[18]提出了瓦斯抽采钻孔气囊延时膨胀带压注浆封孔技术，研制了相应的延时膨胀气囊、封孔注浆材料等。上述工艺在应用过程中取得了较好的封孔效果，但操作流程复杂、封孔材料成本较高。因此，探索合理高效的封孔工艺对煤矿瓦斯抽采降本增效具有重要意义。

其中：为常数；G为桩周土体的剪切模量；r0为桩的半径；rm为桩的影响半径，Randolph[17]研究得到，rm可用桩长l和泊松比表示v，rm=l(1-2.5v)。

综上，笔者通过分析顺层瓦斯抽采钻孔周边煤体应力分布特征和漏气通道，提出“封隔一体化”封孔工艺并进行现场封孔试验，以期提高瓦斯抽采钻孔封孔效果。

1 钻孔周边应力分析

依据岩石力学可知，钻孔开挖后处于巷道围岩应力及钻孔周边应力重新分布所产生的二次应力影响范围内，易出现应力集中导致周边煤体失稳破坏产生裂隙，从而造成钻孔漏气，如图1所示。

  

x—钻孔轴向方向；P0—初始应力；σθ—切向应力；σr—径向应力；Ⅰ—破碎区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区；Ⅳ—原岩应力区图1 钻孔应力分布示意Fig.1 Stress distribution of borehole

钻孔在轴向上主要受巷道掘进产生的围岩应力影响，在径向上受开挖所引起应力重新分布影响。分析钻孔周边煤体的应力分布特征，为确定合理的封孔参数提供依据[19-22]。

1.1 理论基础

假设钻孔周边煤体为连续均质的各向同性体、服从Mohr-Coulomb强度准则，所受应力为各向等压。基于理想弹塑性软化模型，将钻孔周边煤体应力分布转化为轴对称的平面问题分析，如图2所示。

由上述分析可知，在Ⅰ区域周边煤体所受应力超过峰值极限强度，煤体发生破坏产生大量裂隙形成破碎区。此区域内煤体为破碎块体单元，极易造成垮孔等现象；分布在Ⅱ区的煤体所受应力超过了煤体的屈服极限，产生塑性变形。煤体内的微裂隙发育拓展形成宏观裂缝，裂隙、裂缝相互贯通，易形成漏气通道；分布在Ⅲ区的周边煤体的应力没有达到强度极限，处于弹性变形阶段，煤体受压致密程度增高，内部微裂隙稳定拓展；Ⅳ区为原岩应力区，煤体未受采掘活动影响，受力状态为原岩应力，其内部裂隙发育情况取决于煤体的原生裂隙分布。同理，钻孔径向方向上的应力分布可参考钻孔轴向应力分析确定其破坏特征及卸压范围。

 

(1)

几何方程：

应力：

 

(2)

 

(3)

平面应变方程：

在Ⅰ破碎区，边界条件

 

(4)

 

(5)

依据公式(13)，根据现场排渣量确定缝槽深度。其缝槽最小深度应大于钻孔自身的围岩塑性区半径，即

  

σ—应力；R0—开挖半径；Rs—破裂区半径；Rp—破裂区半径；Re—弹性区半径图2 围岩应力分布示意Fig.2 The stress distribution of surrounding rocks

1.2 应力及卸压范围

钻孔成孔过程中，在轴向方向上依次经过巷道围岩应力的卸压带、应力集中带、原岩应力带，其煤体力学特征为破裂-塑性破坏-弹性变形-初始应力，分别对应图1中Ⅰ破碎区、Ⅱ塑性区、Ⅲ弹性区、Ⅳ原岩应力区。在理论假设基础上，分析轴对称情况下的巷道周边围岩应力的分布状态及卸压范围。

据报道，南京市高淳区桠溪镇“慢城小镇”是政府近年来重点打造的一处商业综合体项目。但自从2016年下半年完工后，这里的建筑全都闲置。当地管委会负责人承认，招商过程是有些曲折，因为定位是做“高端”，但他同时表示，“有时候，要守得住寂寞。”从2016年建成到现在，已经空置了两年，还要“守”多久？且不说建筑闲置本身就意味着巨大的资源浪费，在这个过程中，机会成本的丧失也绝不是一个小数目。而此类“小镇”很多受到冷遇，也以昂贵的代价验证了之前规划决策的粗疏。可见今后有必要对此类决策过程的合理性进行重新评估。

混合式教学引起学生学习与思维方式变革，其学习环境和传统的学习环境相比，发生巨大变化。线上互联网所营造的学习环境最重要的特点是学习资源丰富，学生之间、教师与学生之间以及学生和学习资料之间的交互性大大增强，这是传统教室教学所不具备的。这样的学习环境不仅有利于学习路径与学习方式的多样化，更为重要的是促使学生的学习与思维方式发生积极改变。

在Ⅲ弹性区，外边界条件则有，

吸入性糖皮质激素还可恢复慢性阻塞性肺疾病患者气流流速，改善其呼吸困难、喘息等临床症状，解决肺功能障碍，降低多个炎性因子水平。有学者研究发现，吸入性糖皮质激素的应用可改善稳定期慢性阻塞性肺疾病患者肺功能、生命质量、6 min步行试验距离检测结果等[31]。此外，相较于口服、全身给药，吸入性糖皮质激素所致不良反应较小。其在肺部可产生有效抗感染作用，减轻慢性阻塞性肺疾病患者临床症状，避免病情恶化。因此，可认为吸入性糖皮质激素在稳定期慢性阻塞性肺疾病的治疗中效果肯定，值得推荐。

 

(6)

破碎区半径：

 

(7)

在Ⅱ塑性区，外边界条件则有，

应力：

 

(8)

 

(9)

塑性区半径：

产教融合就是要将产业与教学进行深度融合，强调应用型专业教育要有实践情境，探索专业与行业、企业间的深层次合作，区别于传统的人才培养教育模式，产教融合意在努力实现从教学到行业发展的全方位紧密结合，从而使职业院校的人才培养与企业、行业发展融为一体，打破传统的封闭式办学模式。这对职业院校、行业、企业都提出了新的要求，职业院校在烹饪专业发展设置上要紧紧围绕行业的发展特征，立足于区域社会的经济发展，以职业特征为基础设置专业，充分依托区域行业的产业背景确定专业建设目标，使专业能更好的与行业、企业进行对接。

 

(10)

r=R0,σr=0，r→,σ+Pi=c+f。则有，

应力：

(2) 鞍山道站分析:该站雷达图各项指标除评论数外均较高，所以该站的相对评价值达到0.71。但该站出站客流量明显低于其前后的两座车站，造成这种现象的因素可能是：①鞍山道站与东侧客流最大的营口道站间距仅为850 m，而本文采用的车站服务半径为600 m，两车站服务范围重合较大，这导致车站的各指标相互影响。②鞍山道站距天津总医院较近，周边的兴趣吸引点主要为医院配套的相关服务业，进出该站周边区域的多为就医患者及陪同人员，本身使用地铁出行的比例就较低；而且鞍山道站为侧式站台，进出站较为不便，导致就医人员多采取其他交通方式。

(11)

弹塑性区边界位移分析：

 

(12)

式中：Pi为支护抗力；c为黏聚力；f为摩擦力；φ为内摩擦角；σs为破裂区应力；为塑性区切向应力；为塑性区径向应力；为弹性区切向应力；为塑性区切向应力。

平衡方程:

综上所述，钻孔在轴上方向上合理的封孔深度H应当不低于裂隙发育范围长度，不超过弹性区范围，即Re>H>Rp。若封孔长度较短，则不能有效地封堵钻孔周边煤体裂隙，造成钻孔漏气；封孔长度较长，则会产生抽采盲区，降低瓦斯抽采率。径向方向上封孔材料的注浆扩散半径H′应超过钻孔周边的裂隙较为发育的塑性区半径即因此，确定合理的封孔深度及浆液扩散范围是保证封孔质量的关键因素。

1.1.2 “喜新厌旧”，旧房遗弃空置。在受调查的647户农户中，有107户农户新房是在耕地基础上建设的，约占总户数的16.54%。占耕地建新房往往会出现两房、三房共存的局面，旧房常年空置浪费建设用地资源，而新房的建设又占用了宝贵的耕地资源。由于旧房往往位于村庄内部，新房的建设向外发散，形成了所谓的“空心村”。调研过程中发现，部分村庄由于原址地势低洼，于1998年长江流域重大洪灾中受灾严重，因而自1999年起在政府的政策支持和财政补贴下，占用大量耕地实行整村搬迁。搬迁后的村庄称为新村，而旧村已无人居住却没有及时拆除，形成了新旧两村共存状况［1］。

2 钻孔漏气分析

瓦斯抽采钻孔抽采一段时间后，钻孔漏气是造成抽采瓦斯浓度降低、抽采衰减速度过快等问题的主要原因之一。如图3所示，钻孔封孔段主要存在以下3类漏气通道。

  

A、B、C为漏气通道图3 钻孔轴向漏气通道示意Fig.3 The types of air leakage passages of borehole

A类：钻孔成孔过程中，钻孔周边围岩发生破碎形成漏气圈，如图4所示。当封堵距离较短或者封孔材料渗透扩散性能较弱时，不能完全封堵钻孔周边裂隙。在孔内负压作用下，巷道内的空气沿漏气圈进入钻孔，降低瓦斯抽采浓度。

B类：由于封孔材料未能与孔壁紧密贴合或者抽采过程中孔壁煤体发生变形收缩产生空隙，导致封孔材料与孔壁之间产生漏气通道。

夏国忠和战士们看到眼前血腥的一幕，牙齿咬得咯咯响，都恨不得立刻钻出去，把鬼子的飞机打散架。只可惜，狡猾的鬼子此时飞得高，扔了一阵炸弹后，摇摇尾巴就飞走了。

C类：封孔材料性能存在一定缺陷性，在材料固结或抽采过程中发生收缩，内部产生裂隙，形成漏气通道。

1.1.2 仪器设备 6CST-40型滚筒杀青机、6CH-1型烘干机和6CR-30型名优茶揉捻机，均产自浙江衢州高山茶机厂；TAINA 350远红外测温计(-20～500℃)，上海精密仪器厂生产；700 mm篾质簸箕、手工套筛(自制)；干湿度计和茶叶专用审评茶具等。

护肝剂样品（液体制剂），由天津市第一中心医院重点实验室自行研制，批号分别为20160823（S1）、20160919（S2）、20160927（S3）、20161027（S4）、20161116（S5）、20161129（S6）、20161219（S7）、20170329（S8）、20170419（S9）、20170427（S10）。

  

图4 钻孔径向破裂示意Fig.4 The radial fracture of borehole

3 封隔一体化封孔工艺

基于“两堵一注”水泥砂浆带压封孔工艺，结合超高压水力割缝技术，笔者提出“封隔一体化”封孔工艺，即在封孔段采用割缝的方式进行辅助封孔。在打孔施工钻头与钻杆之间连接安装转换割缝器，尾部连接超高压水力割缝设备。退钻时，在封孔段进行高压水射流割缝。如图5所示，在钻孔封孔段对周边煤体切割小范围缝槽空间，贯穿钻孔周边的离层裂隙，以便于封孔材料注入，填充封闭钻孔周边裂隙。待封孔材料完全填充缝槽空间后，在封孔段形成“封堵隔板”，封堵钻孔漏气通道，提高钻孔的密封性。

对于事业单位而言，要想形成人力资源开发的动力必须从两个方面入手：①培养员工自我开发意识，积极上进的员工不断将自己的开发动机付诸实际，但是消极的员工总是被动产生镜像动力后方开发自身潜力，而对于顽固保守的员工安于现状，直接拒绝人力资源开发活动；②增强组织管理人员对人力资源开发的重视程度，组织管理人员应积极引导员工开发个人潜力，表扬积极开发员工、鼓励不积极员工，通过相关宣传、培训工作量员工意识到人力资源开发对自身职业发展的重要性。

  

图5 封隔一体化封孔工艺示意Fig.5 The sealing-isolation sealing technology

式中：r为距中心的距离；u为径向位移；εr为径向应变；εθ为切向应变；E为煤体的弹性模量；μ为煤体的泊松比。

M=πL′2Khγ

(13)

式中：M为割缝后排出煤屑量，t；L′为割缝后缝隙的半径，m；h为割缝后缝隙的宽度，取0.03～0.05 m；K为割缝后煤的损失率，取0.85～0.95；γ为煤的密度，t/m3。

在试验钻孔封孔段切割缝槽后，向钻孔内插入具有一定支承强度的抽采管，两端选用聚氨酯高分子材料进行封堵，形成有限的封堵空间。利用压风增压注浆设备将预先配制好的水泥砂浆通过注浆管输送至封孔段，水泥砂浆在注浆压力下向钻孔周边渗透扩散并封堵裂隙，待注浆压力达到2 MPa时完成封孔，将抽采管连接至抽采系统。

4 现场试验

4.1 矿井概况

山西一缘煤业位于和顺县西义兴镇凤台村北，主采15号煤层，原始瓦斯压力为0.68～2.00 MPa，煤层平均瓦斯含量为11.82 m3/t，瓦斯吸附常数a=42.644 m3/t，b=0.828 MPa-1，煤层透气性系数λ=0.096～4.595 m2/(MPa2·d-1)，软分层普氏系数为0.2左右，正常情况煤层普氏系数为0.45～1.25。此次试验地点选取150112工作面运输巷进行顺层长钻孔封孔试验。

4.2 试验方案

在150112工作面运输巷道掘进工作面布置近水平抽采钻孔对煤层进行瓦斯预抽，本次试验选取6、7、8、9号瓦斯抽采钻孔进行封孔试验对比。其中6号和8号钻孔采用常规“两堵一注”封孔工艺，7号和9号钻孔采用封隔一体化封孔工艺。2组对比试验钻孔封孔深度和封孔长度为20 m，孔径113 mm，钻孔倾角-2°，两端堵头材料为矿用聚氨酯，注浆液为水泥砂浆。其中，7号和9号在封孔段距孔口15 m处割缝槽深度为0.8 m，见表1。

 

4.3 试验结果及分析

对试验钻孔抽采瓦斯数据连续考察25 d，试验钻孔瓦斯抽采流量及浓度对比结果， 如图6、图7所示。

由图6可知，6、8号钻孔瓦斯抽采流量平均为0.82、1.33 m3/min，7、9号钻孔瓦斯抽采流量平均为0.54、0.97 m3/min。采用常规封孔的钻孔抽采瓦斯流量是试验钻孔的1.4倍左右。

由图7可知，6、8号钻孔抽采瓦斯体积分数平均为11.09%、10.42%，7、9号钻孔抽采瓦斯体积分数平均为49.15%，30.75%。采用封隔一体化封孔的钻孔抽采瓦斯体积分数比常规封孔的钻孔抽采体积分数高25%～30%。

  

图6 瓦斯抽采流量对比Fig.6 The comparison diagram of gas drainage quantity

  

图7 瓦斯抽采浓度对比Fig.7 The comparison diagram of gas drainage concentration

综上，采用常规“两堵一注”封孔的钻孔抽采流量大、浓度低，说明存在漏气现象。而采用封隔一体化封孔的钻孔则有效保证了钻孔密封质量，维持较高的抽采瓦斯浓度。根据抽采瓦斯浓度变化曲线可以看出，采用封隔一体化封孔的钻孔抽采瓦斯体积分数在25 d内衰减速率较慢，而采用常规封孔的钻孔抽采瓦斯浓度衰减较为明显。此外，本次试验抽采45 d后，达到煤层消突要求，完成对煤层瓦斯抽采工作。相较于以往采用传统封孔方式的瓦斯抽采钻孔需要抽采60 d左右达标，采用“封隔一体化”封孔方式的钻孔能够保持较高的瓦斯抽采率，缩短了瓦斯抽采时间。

5 结 论

1)依据钻孔周边应力及漏气形式分析，提出封隔一体化封孔工艺。在封孔段切割缝槽，有利于封孔注浆材料的扩散，封堵钻孔周边裂隙。待封孔浆液固结后，形成的“隔板”能够有效阻隔漏气通道，提高钻孔密封性。

2)现场试验结果表明，采用封隔一体化封孔工艺的抽采钻孔瓦斯体积分数可提高25%～30%，减小了瓦斯体积分数衰减速率，取得了较好的封孔效果。并能够保持较高的瓦斯抽采率，缩短瓦斯抽采时间，为顺层瓦斯抽采钻孔提供了一种良好的封孔方法。由于煤层赋存条件复杂，封隔一体化封孔在封孔深度、缝槽数目等工艺参数方面仍需进行深入研究。

参考文献(References):

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[2] 程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2009,2(2):127-139.

CHENG Yuanping,FU Jianhua,YU Qixiang.Development of gas extraction technology in coal mines of China [J].Journal of Mining and Safety Engineering,2009,2(2):127-139.

[3] 袁 亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[4] 王兆丰.我国煤矿煤层气抽采存在的问题及对策探讨[J].焦作工学院学报,2003(22):242-246.

WANG Zhaofeng.The problems and countermeasures of coal seam gas extraction in China's coal mines [J].Jiaozuo Institute of Technology,2003(22):242-246.

[5] 林柏泉,崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

[6] 马龙军.单一低渗煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术研究[J].煤,2017(11):64-66.

MA Longjun.Research on the sealing technology of gas extraction drilling in single low permeability coal seam [J].Coal,2017(11):64-66.

[7] 成艳英.本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术研究[D].徐州：中国矿业大学,2014.

[8] 刘 春.松软煤层瓦斯抽采钻孔塌孔失效特性及控制技术基础[D].徐州：中国矿业大学,2014.

[9] 姚振东,杨 栋.抽采钻孔漏气机理及钻孔密封技术研究[J].煤炭技术,2017(10):137-139.

YAO Zhendong,YANG Dong.Study on leakage mechanism of extraction borehole and sealing technology [J].Coal Technology,2017(10):137-139.

[10] 刘延保,熊 伟.顺层瓦斯抽采钻孔封孔提浓技术及应用[J].煤矿安全,2017,48(1):63-66.

LIU Yanbao,XIONG Wei.Hole-sealing and gas concentrating technique for bedding gas extraction drilling hole and its application [J].Safety in Coal Mines,2017,48(1):63-66.

[11] 孙玉宁,黄小明,丁立培.中心分流囊袋式注浆封孔器的研制[J].中州煤炭,2015(2):89-90.

SUN Yuning,HUANG Xiaoming,DING Lipei.Development of center shunt pouch grouting hole-sealing device [J].Zhongzhou Coal,2015(2):89-90.

[12] 周 俊.煤矿井下瓦斯抽采钻孔封堵技术的研究现状及发展方向[J].矿业安全与环保,2017,44(6):74-78.

ZHOU Jun.Research status and development direction of plugging technology for gas drainage hole in coal mine [J].Mining Safety & Environmental Protection,2017,44(6):74-78.

[13] 李国法,郑化安,付东升,等.煤矿瓦斯抽采钻孔封孔聚氨酯材料研究进展[J].洁净煤技术,2014(2):94-98.

LI Guofa,ZHENG Huaan,FU Dongsheng,et al.Research progress of polyurethane for coal mining bore hole sealing engineering [J].Clean Coal Technology,2014(2):94-98.

[14] 张连军,常刚政,林柏泉,等.新型PD材料在瓦斯抽采钻孔封孔中的应用[J].煤炭工程,2013(1):43-45.

ZHANG Lianjun,CHANG Gangzheng,LIN Boquan,et al.Application of new PD materials in gas extraction drilling seal holes [J].Coal Engineering,2013(1):43-45.

[15] 王小婷.延迟膨胀型钻孔密封材料的实验研究[D].淮南：安徽理工大学,2015.

[16] 周福宝,李金海,昃 玺,等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究[J].中国矿业大学学报,2009,38(6):764-768.

ZHOU Fubao,LI Jinhai,ZE Xi,et al.A study of the second hole sealing method to improve gas drainage incoal seams [J].Journal of China University of Mining and Technology,2009,38(6):764-768.

[17] 张 超,林柏泉,周 延,等.本煤层近水平瓦斯抽采钻孔“强弱强”带压封孔技术研究[J].采矿与安全工程学报,2013,30(6):935-939.

ZHANG Chao,LIN Boquan,ZHOU Yan,et al.Strong-weak-strong borehole pressurized sealing technology for horizontal gas drainage borehole in mining seam [J].Journal of Mining & Safety Engineering,2013,30(6):935-939.

[18] 陈学习,李 琦,常忠乾,等.瓦斯抽采钻孔气囊延时膨胀带压注浆密封新技术[J].煤矿安全,2014,45(6):61-64.

CHEN Xuexi,LI Qi,CHANG Zhongqian,et al.New sealing technology of airbag delayed expansion with pressure grouting for gas drainage borehole [J].Safety in Coal Mines,2014,45(6):61-64.

[19] 巴全斌,赵旭生,刘延保.松软煤层顺层钻孔带压注浆封孔技术研究应用[J].煤炭工程,2017,49(7):61-63.

BA Quanbin,ZHAO Xusheng,LIU Yanbao.Research and application of hole sealing technology with pressurized grouting in soft coal seam bedding drilling [J].Coal Engineering,2017,49(7):61-63.

[20] 郝志勇.材料复合技术及其在钻孔密封中的应用研究[D].徐州：中国矿业大学,2010.

[21] 胡胜勇.瓦斯抽采钻孔周边煤岩渗流特性及粉体堵漏机理[D].徐州：中国矿业大学,2014.

[22] 王振锋,周 英,孙玉宁,等.新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方法及封堵机理[J].煤炭学报,2015,40(3):588-595.

WANG Zhenfeng,ZHOU Ying,SUN Yuning,et al.Novel gas extraction borehole grouting sealing method and sealing mechanism [J].Journal of China Coal Society,2015,40(3):588-595.