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瓦斯抽采设备钻孔过程中漏气问题分析与优化

文档作者：解文汇文档来源：阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司		点击数：	更新时间： 2025年10月03日
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DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.05.035
总第193 期
2019 年第5 期
机械管理开发
MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
Total 193
No.5，2019
引言
利用瓦斯抽采设备抽采钻孔是治理煤矿瓦斯灾
害最有效的方法之一，由于抽采设备所形成的负压
环境可将煤层之中处于游离态或吸附态的瓦斯气体
抽出并寻求其合理再利用，所以钻孔封孔技术成为
了影响到抽采设备抽采效果的重要因素，封孔质量
则是评判瓦斯抽采设备运行效果的核心指标。但在
实际瓦斯抽采设备运行的过程中，钻孔漏气问题却
广泛地存在，本文将针对不同的漏气原因进行分析，
并提出相应的改善措施。
1 封孔深度设置不当导致漏气及其优化方式
瓦斯抽采设备在钻孔过程中，其实质是应力平
衡被打破并重新分布的过程，在距离钻孔孔口较近
的范围内，煤体由于极限应力的作用出现了大量相
互贯穿的裂缝，巷道的这一区域为泄压区，此区间内
渗透率极大。如果封孔深度较浅而不能完全覆盖泄
压区时，即使封孔的密封性能良好，钻孔泄压区也构
成了空气渗入钻孔的主要通道，降低了抽采负压，严
重影响了瓦斯抽采浓度[1]。图1 为封孔深度浅导致
漏气的示意图，自钻孔孔口沿向煤层方向，即钻孔的
轴向方向，煤体按照应力状态的不同依次分为卸压
区、塑性区和弹性区。
处于弹性区的煤体，钻孔没有引发其内部裂隙
的发展，且煤岩整体处于压缩状态[2]，煤岩渗透率与
应力之间的关系式为：
K=K0·e
-茁滓
3 . （1）
式中：K 和K0 分别代表煤岩的渗透率及其未受开掘
影响时的原始值；茁是一个值为正数的常数；滓为煤
体所承受的总应力，从式（1）可得，此过程中煤岩的
渗透率与应力之间有明确的反向关系。
在塑性区内，煤岩体承受的应力超过自身强度
极限，应力不再随应变发生变化，但内部产生大量微
裂隙，煤岩出现了扩容现象，虽然煤岩内部裂隙受到
压密，但由于裂隙相互交叉、连接贯通，渗透率开始
缓慢增大。
在巷道卸压区内，煤体由于极限应力的作用出
现了大量相互贯穿的裂缝，离巷道壁较近的地方由
于应力集中，导致煤岩体呈现破坏状态，孔隙率升
高，煤岩渗透率急剧增大。
煤岩处于塑性区和泄压区时，煤体变形程度对
其渗透率的影响可以通过式（2）来确定：
K=
K0（1+ 着V n0
）3
（1+着V）3 . （2）
式中：着V代表煤体的体积应变，n0则为煤体孔隙率在
未受开掘影响时的原始值。
可以看出，不管在塑性区还是泄压区，随着煤体
内部裂隙开始扩展和发育，甚至破裂和扩容，渗透率
都随体积应变增大而增大，只是渗透率的变化速率
在两区域内会有所不同。
基于以上的分析可知，巷道的泄压区作为会引
起空气进入钻孔的潜在漏气区域，当钻孔密封段因
长度不足而未完全覆盖此区域时，会导致抽采效率
的急剧降低。通常来说，加大封孔深度可以降低由于
封孔深度过浅导致的漏气[3]，为此采用实验验证此改
进方法的效果，在实验煤层的初始渗透率、孔隙度、
收稿日期：2018-12-24
作者简介：解文汇（1970—），男，本科，通风工程师，研究方向
为通风。
瓦斯抽采设备钻孔过程中漏气问题分析与优化
解文汇
（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司， 山西晋中045400）
摘要：针对瓦斯抽采设备钻孔过程中广泛存在的漏气问题，从封孔深度设置不当、封孔材料性能不佳而未能
与钻孔孔壁紧密黏结、钻孔失稳变形三个主要原因进行深入分析，并提出相应的优化措施以验证实际的改善
效果。
关键词：瓦斯抽采设备钻孔漏气优化
中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1003-773X（2019）05-0078-03
图1 封孔深度浅导致漏气示意图
漏风风流
堵头
抽放负压
风孔硬化材料
煤层裂缝
泄压区塑性区弹性区
煤层
煤层
瓦斯
机械分析与设计
钻孔半径等基本参数不变的情况下，尝试设定不同
的封孔深度，通过测量其对应的漏气量以评判封孔
深度对瓦斯抽采设备抽采效果的影响，所获得的具
体实验数据绘制在图2 中。
由实验可知，封孔段长度对钻孔漏气量的影响
显著，后者随前者的加长而逐渐减小。在封孔长度
增长的初期，漏气量减小比例非常大，但是超过一
定限度后，增加封孔长度已不再是影响漏气量大小
的主要因素，因此后期收效甚微。基于此，为使瓦斯
抽采设备达到良好的效果并考虑成本因素，应增加
封孔段长度直至密封段涉及卸压区以后的塑性区。
2 封孔段密封材料性能不佳导致漏气及其优化方式
瓦斯抽采设备在钻孔工作时，密封材料的性能
对抽采效果的影响有着不容忽视的作用，因为钻孔
密封质量会直接导致漏气率和抽采负压等发生显著
变化。所以，当出现封孔材料和钻孔孔壁黏结不紧密
的情况或者密封材料出现收缩现象时，封孔材料和
孔壁之间存在缝隙，钻孔未被密封材料充满，导致外
部空气与抽采钻孔之间可能存在连接通道而使漏气
率升高，密封材料性能不佳而导致漏气出现的问题
在近水平钻孔密封中更为突出。
封孔材料与孔壁之间的漏气通道可以简化为环
形漏气通道，由牛顿摩擦定律和力学平衡可知，通过
此漏气通道的漏气量Q 与钻孔半径r0、封孔材料半
径r 之间的关系为：
Q≈仔·r0Δp
6滋L （r0-r）3 . （3）
式中：滋为气体的动力黏度，Pa·s；Δp 为封孔段两端
的压力差，kPa；L 代表封孔段长度，m。
由式（3）可得，漏气通道的宽度（即r0-r）对漏气
量的影响很大，因此，可以通过选用稳定且具有膨胀
性的材料作为密封材料，以减少漏气通道出现的可
能性[4]。利用硅酸盐水泥、石膏、膨润土、纤维素等原
料按一定比例配置成自膨胀封孔材料，其最终膨胀
率为8%左右，将其与普通封孔材料的封孔效果进行
对比，实验共进行了五组，瓦斯的抽采浓度如图3 所
示。可以看出，采用自膨胀封孔材料进行封孔后，由
于材料本身会产生膨胀，因此能有效地减小抽采时
的漏风，保证钻孔的抽采效果。
3 钻孔变形导致漏气及其优化方式
钻孔是否失稳变形是影响瓦斯抽采设备抽采效
果好坏的关键因素，钻孔会导致其周围煤体中应力
的调整改变，再加上地应力的持续作用，其附近煤体
中裂隙会发育、发展从而致使钻孔失稳变形，进而加
大了漏气圈出现的概率。根据弹塑性力学原理可以
得到漏气区的半径RL与煤体内聚力C 等煤层基本
参数的关系为：
RL=r0[（p0+C·cot渍
q+C·cot渍）（1-sin渍
1+sin渍）]
1-sin渍
1+sin渍. （4）
式中：p0 为煤岩体原始应力，MPa；q 是封孔支护力，
MPa；r0为钻孔半径，m；渍为煤体内摩擦角，°。
钻孔围岩漏气区大小影响因素较多，它的破坏
半径随着钻孔围岩原始应力P0的增大而增大，完全
相反于其与煤体内摩擦角渍、内聚力C 的关系。
根据式（4），易得出漏气区截面积SL的表达式：
SL=仔r0
2[（p0+C·cot渍
q+C·cot渍
1-sin渍
1+sin渍）
1-sin渍
sin渍-1] . （5）
公式（5）说明钻孔周围环形漏气区截面积在其
他参数一定时，SL的大小与封孔支护力q 相关，随着
封孔支护力q 增大，漏气圈面积可相应减小，因此在
封孔时应选用能提供支护作用的封孔方法，这样可
使钻孔稳定性提高，延缓或防止新裂隙的生成和扩
展。基于这个原理，采用囊袋法主动施加支护力可达
到稳定钻孔的目的，囊袋法是向两个囊袋中间的钻
孔加压注浆，会对钻孔壁提供主动支护力。对囊袋法
和聚氨酯封孔法的封孔效果进行比较，记录相应的
钻孔瓦斯浓度，如下页图4 所示，由于聚氨酯无法为
钻孔提供足够的支护作用，所以囊袋法较传统的聚
氨酯封孔法而言，平均瓦斯抽采浓度明显更高，这说
明囊袋法密封性能更好，施加支护力有利于煤层瓦
斯的抽采。
4 结论
通过对以上几种瓦斯抽采设备在钻孔过程中通
道漏气原因的分析，可以从以下几方面来考虑改进。
1）设定适当的封孔深度。设定封孔深度时，要根
据不同封孔地点的特征来设定封孔深度，为达到良
图2 封孔段长度与漏气量之间的关系
图3 自膨胀封孔材料与普通封孔材料的封孔效果对比图
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
封孔长度/m
10
20
30
40
50
60
70
0
1 2 3 4 5
自膨胀封孔材料普通封孔材料
2019 年第 5 期 解文汇：瓦斯抽采设备钻孔过程中漏气问题分析与优化 ·79·
好的密封效果，合理的封孔深度要大于卸压区深度。
2）选用稳定而且具有膨胀性材料作为封孔介
质，以减小漏气通道产生的可能性或使其面积缩小。
3）选用能提供支护作用的封孔方法，如囊袋法
等，使密封材料可进入煤体裂隙，维持钻孔的稳定，
这样有利于煤层瓦斯的抽采。
参考文献
[1] 党泉林.瓦斯抽采封孔漏气规律研究[D].焦作：河南理工大学，
2016.
[2] 孙志东.本煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术研究[D].贵阳：贵州大
学，2017
[3] 王振锋.瓦斯抽采浓度控制机理及管路浓度自动调控预警系统
研究[D].焦作：河南理工大学，2014.
[4] 王娟.矿用自膨胀封孔材料的制备及性能研究[D].淮南：安徽理
工大学，2017.
（编辑：赵琳琳）
图4 囊袋封孔法与聚氨酯封孔法的封孔效果对比图
10
20
30
40
50
60
70
80
0
0 5 10 15 20 25
聚氨酯法囊袋法
抽采时间/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，达到了改造效果，具有一定的推广价值。
参考文献
[1] 孙国勋.斜面网纹齿盘车加工夹具设计研究[J].机械工程师，
2018（12）：69-70.
[2] 李锦棠.探究多工序加工系统的数控夹具设计应用[J].科技与
创新，2018（2）：153-154.
[3] 吴桂洪.气动头活塞孔加工夹具设计技巧[J].内燃机与配件，
2017（20）：77-78.
（编辑：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 页）
机械管理开发 第 34 卷
·80· jxglkfbjb@126.com

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