高瓦斯突出煤层大孔径抽采及封孔技术改进实践.pdf

收稿日期２０１９ －０２ －１３ 作者简介侯森１９８４ － ꎬ男ꎬ辽宁辽阳市人ꎬ２００６ 年毕业于辽宁工程技术大学ꎬ工程师ꎬ现任铁法煤业集团有限责 任公司大兴煤矿生产副总工程师ꎮ 高瓦斯突出煤层 大孔径抽采及封孔技术改进实践 侯森 王春彪 张朝川 龚邦军铁法煤业集团有限责任公司 大兴煤矿ꎬ辽宁 铁岭 １１２７００ 摘 要针对高瓦斯煤层顺层钻孔预抽瓦斯浓度低、抽采钻孔封孔质量差、有效抽采周期短等技术难题ꎬ为了提高瓦 斯抽采钻孔的预抽浓度、封孔效果ꎬ通过增大施工顺层钻孔直径ꎬ采取封孔器封孔工艺ꎬ在 Ｎ２１２０３ 采场施工顺层钻孔期间 比较和研究了不同钻孔直径及封孔工艺对抽采瓦斯浓度及负压的影响ꎮ 结果表明ꎬ采取施工大孔径顺层钻孔同时ꎬ使用 专用封孔器封孔有效提高了钻孔的抽采负压及抽采浓度ꎮ 关键词大孔径ꎻ瓦斯抽采ꎻ封孔器ꎻ抽采效果 中图分类号Ｆ４０３. ７ꎻＴＤ７１２. ６ 文献标志码Ｂ 文章编号１００８ －０１５５２０１９０５ －０００１ －０３ 瓦斯抽采是大兴煤矿防治煤矿瓦斯灾害的根 本措施ꎬ是矿井的重中之重ꎬ不仅可以降低矿井瓦 斯涌出量ꎬ防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出ꎬ而且抽 出的瓦斯变废为宝ꎬ可供发电、供气等ꎮ 而钻孔施 工质量及封孔质量的好坏直接关系到瓦斯抽采效 果ꎮ 大兴煤矿顺层钻孔施工孔径 ９４ｍｍꎬ封孔方法 已经从原有的使用聚氨酯胶配合封孔管封孔ꎬ改 进为“两堵一注水泥封孔”ꎬ但由于水泥的凝固时 间较长且膨胀系数低ꎬ不能保证封孔段完全被水 泥注满ꎬ封孔段仍有裂隙和空间ꎬ影响封孔质量ꎮ 通过将施工钻孔孔径增加至 １１４ｍｍꎬ引进并使用 封孔器对顺层钻孔进行封孔ꎬ从现场实际考察效 果来看ꎬ瓦斯抽采纯量明显增加ꎬ利用封孔器封孔 后的钻孔漏气率低ꎬ瓦斯抽采浓度明显提高ꎬ钻孔 抽放周期更长ꎮ １ 封孔工艺介绍 １. １ 封孔器封孔原理 利用气动注浆泵以压缩空气为动力源ꎬ由于 气缸和注浆缸具有较大的作用面积比ꎬ从而以较 小的气压便可使注浆缸产生较大的注浆压力ꎮ 通 过压力差使两个囊袋及囊袋之间先后注浆ꎬ从而 实现带压注浆封孔ꎮ 封孔注浆料在一定的注浆压力作用下ꎬ能够 充填、胶结和封闭破碎煤体之间的裂隙ꎬ恢复其整 体性ꎬ可以劈裂、扩展煤体内的微小裂隙ꎬ充填孔 隙和煤体凹凸面ꎬ增大浆液扩散范围ꎬ密实充填钻 孔周边裂隙ꎮ 浆体凝固后ꎬ对钻孔产生支撑作用ꎬ 使钻孔得到可靠支护ꎬ增加钻孔稳定性ꎬ消除抽采 期裂隙通道的产生与发展ꎮ 该工艺避免了单纯聚 氨酯封孔工艺带来的封孔长度、封孔深度受限ꎬ不 能形成足够的膨胀力ꎬ不能充分挤入封孔段周围 钻孔裂隙ꎬ以及抗压能力低、支护作用差导致产生 后期裂隙和漏气通道的弊端ꎬ发挥了注浆料浆液 快速凝固的优势ꎬ在凝固后既充填钻孔周边裂隙、 又主动支护钻孔的优势ꎬ在抽采阶段不产生新漏 气通道ꎬ有效提高抽采浓度和纯流量ꎬ延长钻孔有 效抽采时间ꎬ提高瓦斯抽采率ꎮ １. ２ 封孔工艺流程 １封孔前准备①检查封孔器是否在运输途 中造成损伤ꎻ②检查囊袋是否破损ꎻ③检查爆破阀 是否完好ꎬ注浆管是否有断裂ꎬ折痕ꎻ④检查抽放 管路是否在运输途中造成损伤选择抗压达到 １. ６ＭＰａ以上的抽放管路ꎻ⑤检查接口、接头以及 管身是否完好ꎻ⑥检查注浆泵各配件是否配备齐 全且无损坏ꎻ⑦出浆总成、进气总成、泵体、搅拌器 要正确安装ꎻ⑧油雾器内加注润滑油ꎻ⑨连接风 源ꎬ向外拉出进气调节阀门并旋转ꎬ观测进气压 力ꎬ保证进气压力稳定在 ０. ３５ＭＰａꎬ下扣进气调节 阀门ꎬ稳定进气压力ꎻ⑩打开注浆泵ꎬ检查注浆泵 是否正常工作ꎻ将出浆口堵住ꎬ等待注浆泵自动憋 停ꎬ观 测 出 浆 口 压 力ꎬ 使 出 浆 口 压 力 稳 定 在 １. ５ＭＰａꎬ如有偏离ꎬ调节进气风压进气压力和出 浆压力呈正比关系ꎮ ２封孔器安装①将抽放管穿过封孔器囊 袋ꎻ②在囊袋末端 ３ｃｍ 处捆扎ꎬ以防止下孔过程中 囊袋与抽放管滑脱ꎬ不能将封孔器下到预定位置ꎻ ③捆扎过程中ꎬ要防止因用力过度、操作不当等人 为因素将囊袋扎破或损坏ꎻ④将封孔器连同抽放 管插入钻孔ꎬ推送至预设位置ꎮ ３注浆过程①按照 ０. ８∶ １ 的水灰比例将水 和注浆料加入搅拌桶搅拌桶中有标刻线ꎻ②开 启搅拌器ꎬ使浆液充分搅拌ꎻ③连接出浆口和封孔 器进浆口ꎬ启动注浆泵ꎬ开始注浆ꎻ④观测注浆压 力表ꎬ当浆液注满两个囊袋后ꎬ压力表开始缓慢升 压ꎬ当压力至 １. ２ＭＰａ 左右时ꎬ瞬间回零ꎬ表示爆破 １ 阀已 经 打 开ꎮ 等 压 力 表 再 次 缓 慢 升 压ꎬ 达 到 １. ５ＭＰａ时ꎬ注浆泵自动停止ꎬ封孔完成ꎮ ４拆卸及清洗①注浆完成后ꎬ需先打开出浆 口泄压阀ꎬ待压力释放后ꎬ方可拆卸出浆口与封孔 器注浆口的连接ꎻ②清理搅拌桶ꎻ③搅拌桶加注清 水ꎬ并开启注浆泵ꎬ直至注浆泵泵出清水ꎻ④连续开 启关闭出浆口泄压阀ꎬ防止泄压阀内凝固堵塞ꎮ ５注意事项①浆液应保持连续搅拌ꎬ避免 因浆液放置时间过久导致浆液在搅拌桶中初凝ꎻ ②注浆泵未工作且搅拌桶内有浆液的情况下ꎬ要 每隔 ５ｍｉｎ 启动一次注浆泵ꎬ防止泵体内部浆液初 凝ꎬ影响注浆泵的使用寿命或损坏ꎻ③抽放管连接 要安全可靠ꎮ 丝扣连接的抽放管在使用前应做连 接口处抗压测试ꎬ保证抗压强度在 １. ５ＭＰａ 以上ꎻ 快插式连接公头母头对接前应涂抹专用胶水ꎬ保 证连接不滑脱、不漏气ꎮ 图 １ 封孔注浆示意图 １ 注浆管ꎻ ２ 钻孔ꎻ ３ 水泥砂浆ꎻ ４ 爆破阀ꎻ ５ 测压管/ 抽采管ꎻ ６ 囊袋 图 ２ 注浆封孔后示意图 ２ 现场应用及效果分析 ２. １ Ｎ２１２０３ 工作面概况 本工作面煤岩形态总体为一单斜构造ꎬ煤层 产状 １９３ ２４３∠６ １０ꎮ 根据地质钻孔和工作面掘进实见资料ꎬ本工 作面断层构造复杂ꎮ 工作面东侧发育有 Ｆ１５ － １ 和 ｆＮ２ －３ 号断层ꎬ断层产状分别为 ２６８∠４０Ｈ ＝ ０ １４ｍ、１１２∠４５Ｈ ＝ ０ ７ｍꎬ其中 Ｆ１５ － １ 号断 层在回顺掘进至 ９８７ｍ 时实见ꎬ断层落差 ２. ７ｍꎬ对 工作面回采有一定影响ꎻ工作面西侧发育有 Ｆ４４、 ｆＮ２ －２、ｆＮ２ －９、ｆＮ２ －１０、ｆＮ２ －１１ 号断层ꎬ运顺掘 进至 ４７１ｍ 实见 Ｆ４４ 号断层ꎬ断层产状为７０∠５０ Ｈ ＝４０ｍꎬ未发育到工作面内ꎬ对回采无影响ꎬｆＮ２ －２、ｆＮ２ －９、ｆＮ２ －１０、ｆＮ２ －１１ 号断层为 Ｆ４４ 号断 层的分支断层ꎬ 分别在运顺 ７２８ｍ、８８４ｍ、８９６、 １１０８ｍ 实见ꎬ落差分别为 １. ０ｍ、３. ２ｍ、１. ８、２. ３ｍꎬ 这 ４ 条小断层对工作面回采有一定影响ꎻ工作面 北侧为 Ｆ１５ 号边界断层ꎬ断层产状 ２２２∠６０Ｈ ＝ ３０ ５０ｍꎬ工作面掘进期间未实见ꎬ但在回顺 ７３０ｍ 处实见其分支断层ꎬ产状 ２０９∠６３Ｈ ＝ ２. ０ｍꎬ预 计对工作面回采有一定影响ꎮ 根据工作面掘进实 际情况看ꎬ本工作面小断层较发育ꎬ预计回采过程 中可能还会有其他小断层出现ꎮ 本工作面煤的工业牌号为气煤ꎮ 煤层厚度 ３. ０２ｍ ５. １３ｍꎬ一般４. １２ｍꎮ 煤层呈黑色ꎬ以亮煤 为主ꎬ暗煤次之ꎬ局部煤层中夹薄层炭质泥岩ꎮ 根 据掘进期间选煤厂煤质化验结果ꎬ预计工作面原 煤全水分 ８. １％ꎬ灰分 ３５. ２７％ꎬ发热量为 ４２００ｃａｌ/ ｇꎮ 煤层自然发火期 １ ３ 个月ꎬ煤尘爆炸指数 ２３. ５９％ꎮ 根据中煤科工集团重庆研究院１２、１３、１４ －１ 煤层北二采区突出危险性鉴定报告结论ꎬ大兴煤 矿 １２ 煤层北二采区具有突出危险性ꎬ１２ 煤层为突 出煤层ꎮ 根据掘进期间实见ꎬ本工作面顶板裂隙发育ꎬ 裂隙中含水和瓦斯ꎬ回采过程中应加强瓦斯治理 工作ꎮ 中煤科工集团重庆研究院大兴煤矿南二、 北二、南五采区煤层安全开采基本参数测试研究 报告提供数据ꎬ预计回采期间瓦斯相对涌出量 １５. ０１ｍ３/ ｔꎬ绝对瓦斯涌出量 ４１. ６９ｍ３/ ｍｉｎꎮ ２. ２ 顺层钻孔设计 图 ３ Ｎ２１２０３ 回顺 ２８＃钻场设计钻孔平面图 ２ 图 ４ Ｎ２１２０３ 回顺 １９＃钻场设计钻孔平面图 ２. ３ 抽采效果 表 １ Ｎ２１２０３ 回顺本层钻孔预抽量统计对比 结果表明 图 ５ 不同封孔方式封孔瓦斯抽放流量对比曲线 图 ６ 不同封孔方式封孔瓦斯抽放浓度对比曲线 １采用施工 Φ１１４ｍｍ 孔径且使用封孔器封 孔的 １９＃钻场比采用施工 Φ９４ｍｍ 孔径且使用“两 堵一注水泥封孔”的 ２８＃钻场抽采纯量及抽采浓度 都有较大幅度的增加ꎮ ２经过 ７ 天的观察ꎬ采用封孔器封孔的抽采 钻孔流量及浓度衰减较为缓慢ꎬ采用“两堵一注水 泥封孔”的钻孔流量及浓度呈递减状态ꎮ ２. ４ 经济效益对比 表 ２ Ｎ２１２０３ 回顺不同封孔工艺经济效益对比 采用“两堵一注”封孔工艺封孔ꎬ聚氨酯封孔 胶每组能封 ５ 个钻孔ꎬ１ｔ 水泥能封 ２０ 个钻孔ꎬ其 余所需材料均为消耗材料ꎬ从长远来看ꎬ采用封孔 器封孔每封 １００ 个孔节省 ２６８８０ 元ꎮ ３ 结束语 采取施工大孔径顺层钻孔同时使用专用封孔 器封孔ꎬ有效提高了钻孔的抽采负压及抽采浓度ꎮ 下转第 ５４ 页 ３ ３. ４. １ 注浆孔布置 在巷道顶板均匀布置 ５ 个注浆钻孔ꎬ间距 １ｍꎬ两帮各布置 ２ 个注浆钻孔ꎬ间距 １. ２５ｍꎬ每排 施工 ９ 个钻孔ꎬ孔深 ７ｍ如巷道围岩破碎严重ꎬ根 据现场情况适当增加钻孔个数ꎬ加强注浆效果ꎬ 采用 Φ３８ｍｍ 钢管做注浆管ꎬ埋管长度 ２ｍ即每间 隔 ５ｍ 施工一轮注浆孔ꎬ注浆凝固时间 ２４ｈꎮ ３. ４. ２ 注浆参数 １使用钻头直径为 ４２ｍｍ 的锚杆钻机或手 持式风钻钻孔ꎮ ２注浆选用 ＦＫＬ － １ 型封孔剂与水泥混合 双液浆ꎬ封孔剂与水泥比例 １∶ １ꎬ封孔浆液水灰比 ２∶ １ ３∶ １ꎮ ３全长一次性注浆ꎬ钻 １ 孔ꎬ注 １ 孔ꎬ采用对 称注浆ꎬ注浆终止压力 ３ＭＰａꎮ ４钻孔均垂直于顶板或两帮打设ꎮ ５注浆作业循环为 ５ｍꎬ即该轮注浆结束后 方可前移 ５ｍ 进行下一个循环钻孔注浆ꎮ ３. ５ 喷浆封闭 注浆加固后对巷道进行喷浆封闭ꎬ喷射砼强 度等级为 Ｃ２５ꎬ喷厚１００ｍｍꎮ 使用 Ｐ. Ｃ３２. ５Ｒ 复合 硅酸盐水泥ꎬ砂为纯净的中粗河砂ꎬ石子为粒径 ５ｍｍ １０ｍｍ 的碎石ꎮ 速凝剂掺入量为水泥重量 的 ３％ ５％ꎬ需添加防水剂ꎬ加入量为水泥用量的 ８％ １０％ꎮ ４ 工程应用 为了监测 ４０１１０２ 工作面运输巷采用该支护 方案修复后巷道围岩变形活动规律ꎬ对 ４０１１０２ 工 作面运输巷修复后巷道进行了矿压观测ꎬ观测内 容主要是巷道修复后巷道表面位移ꎮ 通过观测以 检验修复方案对巷道围岩的控制效果及修复方案 的合理性ꎮ 巷道修复后采用十字布点法监测围岩表面位 移ꎬ巷道围岩变形量观测结果如图 ８ 所示ꎮ 图 ８ 巷道围岩变形量 通过图 ８ 可知ꎬ在帮部增加锚索的同时采用 “架棚 ＋ 注浆”支护技术后ꎬ巷道围岩变形趋势为 前期变形速度快ꎬ后期变形速度慢ꎮ 随着时间的 推移ꎬ巷道变形速度越来越小ꎬ区域稳定ꎮ 巷道两帮及顶底板变形量得到了有效控制ꎬ 至观测结束ꎬ两帮移近量为 １１０ｍｍꎬ顶底板移近量 为 １０５ｍｍꎮ 巷道围岩变形得到了有效控制ꎬ能够 确保巷道的安全生产ꎮ ５ 结论 １通过巷道破坏原因分析得知ꎬ主要原因包 括受盘区断层、最大水平应力、巷道支护强度不 足、超循环作业以及未知构造等ꎮ ２巷道修复方案主要为通过在帮部增加锚 索的同时采用“架棚 ＋ 注浆 ＋ 喷浆封闭”的支护方 式ꎬ能够有效控制巷道围岩变形ꎮ 采用注浆可以 有效提高破碎围岩的整体稳定性ꎬ采用锚网索ꎬ充 分发挥其主动支护作用ꎬ采用架棚被动支护ꎬ支护 效果良好ꎮ ３通过监测数据可以得出巷道两帮、顶底板 移近量分别达到 １１０ｍｍ 和 １０５ｍｍ 后趋于稳定ꎬ能 够满足矿井的安全生产需求ꎮ 参考文献 [１]张晨曦. 受断层构造影响下巷道围岩运移机理及 支护研究与应用[Ｊ]. 煤炭与化工ꎬ２０１７ꎬ８５０ －５３. [２]陶文斌ꎬ马海峰. 大断面巷道过大落差逆断层破碎 带支护技术[Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２０１６ꎬ１５６ －５８. [３]万首强. 深水平断层破碎带巷道支护施工技术 [Ｊ]. 煤炭技术ꎬ２０１２ꎬ５６０ －６１. [４]史文豹ꎬ等. 断层影响下巷道围岩的力学特征及支 护研究[Ｊ]. 中国煤炭ꎬ２０１６ꎬ８３５ －４２. [５]郭李刚. 锚网索、注浆、Ｕ 型棚复合支护在掘进巷 道过断层影响区域的应用[Ｊ]. 煤ꎬ２０１８ꎬ１３０ －３４. [６]蔡文涛ꎬ等. 掘进巷道过断层施工加固技术应用研 究[Ｊ]. 河南科技ꎬ２０１４ꎬ１１２９ －３０. [７]张凯. 华乐煤矿复杂地质条件软岩巷道过断层技 术研究[Ｄ]. 徐州中国矿业大学ꎬ２０１４. [８]王巍. 煤矿近断层巷道支护方式研究[Ｊ]. 煤ꎬ ２０１８ꎬ６７ －９.责任编辑陈凌霄 􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌 上接第 ３ 页 以往利用聚氨酯胶及 ４、６ 分铁管采用“两堵 一注”的方式水泥封孔ꎮ 缺点是 １由于聚氨酯胶反应时间较快ꎬ大多数钻孔 达不到要求封孔深度封孔注泥段 １２ｍꎬ保证不 了水泥封孔段是否注满ꎮ ２使用聚氨酯胶封下行钻孔时ꎬ不能保证里 道胶反应是否将孔内封严ꎬ从而导致水泥封孔不 严密ꎬ钻孔漏气严重ꎮ ３利用聚氨酯胶及 ４、６ 分铁管采用“两堵一 注”的方式水泥封孔ꎬ需要使用大量的 ４、６ 分铁 管ꎬ本煤层内预留大量的铁管对工作面回采造成 一定隐患ꎮ 现在使用封孔器封孔优点是 １注浆封孔过程中能够通过压力表的数值 体现出孔内浆液是否已注满ꎮ ２从现场实际效果来看ꎬ利用封孔器封孔ꎬ 钻孔漏气率低ꎬ瓦斯抽采浓度明显增加ꎬ钻孔抽放 周期更长衰减慢ꎮ责任编辑陈凌霄 ４５