带压注浆封孔技术在松软、高地应力煤层中的应用.pdf

第 39卷 第 5 期 2017年 5 月 能 源 与 环 保 China Energy and Environmental Protection Vol. 39 No. 5 May 2017 带 压 注 浆 封 孔 技 术 在 松 软 、 高地应力 煤层中的应用 张羽光、于海洋2,刘应科2 1 .贵 州 永 聚 恒 丰 科 技 发 展 有 限 公 司 ， 贵 州 贵 阳550022; 2 .中 国 矿 业 大 学 安 全 工 程 学 院 ， 江 苏 徐 州221008 摘要针对松软低透煤层瓦斯抽采钻孔普遍存在封孔质量差、 漏气严重等问题,结合封孔剂及配套注 浆设备提出采用“ 两头堵， 中间注” 带压注浆封孔技术进行治理。该工艺采用矿用手动注浆泵进 行注浆封孔,封孔材料选用封孔剂。此法可以增加封孔深度， 加大封孔长度,有效避开巷道松动圈， 并 改进封孔材料与孔壁内聚力， 保证封孔的密封性， 进而提高抽采浓度。该技术在贵州雍和煤业有限公 司四通煤矿进行了对比试验， 结果表明， 带压注浆封孔技术比原封孔技术瓦斯抽采浓度提高近40, 效果显著。 关键词 瓦斯抽采;封孔； 带压注浆;抽采浓度;松软煤层 中 图 分 类 号TD712.6 文 献 标 志 码A 文 章 编 号 1003 -0506201705 -0096 -05 Application of sealing technology with pressure in weak and high geo-stress coal seam Zhang Yuguang、 Yu Haiyang2,Liu Yingke2 1. Guizhou Yongjuhengfeng Science and Technology Development Company Limited, Guiyang 550022, China ； 2. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008 , China Abstract According to the poor borehole sealing quality, serious air leakage and other problems of the gas drainage borehole in the soft and low permeability coal seam, and with the sealing agent and grouting equipment, the paper proposed the grouting sealing under pres sure technology which would be a two sealing and one grouting sealing technique ed. This technique used manual mine-used grou ting pump to grouting sealing and the sealing material used the sealing agent. The can increase the sealing depth and the sealing length, and it can effectively avoid the loose circle of the roadway. It ensured the quality of the sealing borehole by improving the bond ing force between the sealing material and the hole wall, thereby it increased the gas concentration. A comparison experiments on the technology was conducted in Sitong Coal Mining of Guizhou Yonghe Coal Mining Group Corporation Ltd. The results show that the pres surized borehole sealing technology could improve the gas concentration by 40 higher than the previous borehole sealing technology with obvious effects. Keywords gas drainage ； borehole sealing ； pressurized grouting ； drained gas concentration ； soft coal seam 〇 引言〇 引言 我国煤层瓦斯含量普遍较高， 全国5 0 以上的 矿井为高瓦斯矿井， 4 4 的矿井为高瓦斯突出矿 井[。长期以来， 受松软煤层渗透率低和钻孔稳定 性差因素的影响， 松软高瓦斯煤层瓦斯治理难度大， 煤矿瓦斯事故的致死率居高不下， 因此松软高瓦斯 煤层矿区是我国煤矿重大灾害的高发区域[ 3 〜。 2006年以来， 西南地区的贵州、 湖南、 云南、 四川、 重 庆和中部地区的河南、 安徽瓦斯事故最为严重。瓦 斯事故发生次数排前5 位的贵州、 湖南、 云南、 四川、 重庆， 事故总和占全国的58. 8 [1’7]。这些省份的 收稿日期 2016 - 1 2 - 2 3 ;责任编辑 陈朋磊 D O I1 0 .1 9 3 8 9 /j.c n k i. 1003 -0 5 0 6 .2 0 1 7 .0 5 .0 2 0 基金项目 国家自然科学基金青年基金51404265 作者简介张羽光（1970） ， 男 ， 贵州风冈人， 高级工程师， 注册安全评价师， 主要从事煤矿瓦斯治理技术的研究及现场应用。 引用格式张羽光， 于海洋， 刘应科带压注浆封孔技术在松软、 高地应力煤层中的应用[ J ] .能源与环保，2 0 1 7，3 9 5 9 6 -1 0 0 . Zhang Y uguang,Y u H aiyang ,Liu Yingke. A pplication of sealing technology w ith pressure in weak and high geo-stress coal seam[ J ] . China En ergy and Environm ental Protection ,2017 ,39 5 96-100. 96 2017年 第 5 期 张羽光， 等带压注浆封孔技术在松软、 高地应力煤层中的应用张羽光， 等带压注浆封孔技术在松软、 高地应力煤层中的应用 第 39卷 主采煤层均以松软、 高瓦斯、 高突出危险性煤层为 主。冯守军等3’842]学者针对煤层封孔提出了解决 方法， 但在松软高地应力煤层的条件下效果不理想。 目前， 我国抽采瓦斯最普遍的方法是利用钻孔对开 采工作面煤层瓦斯提前预抽。瓦斯抽采钻孔的形式 包括地面垂直钻孔、 地面垂直一井下水平定向钻孔 和井下本煤层钻孔。针对上述情况及多年现场工作 经验， 提出了带压注浆封孔技术。瓦斯抽采是煤矿 瓦斯治理与利用的根本措施和主要途径， 钻孔瓦斯 抽采效果的好坏， 除了钻孔的合理布置， 主要是钻孔 孔口的封孔质量[13]。无论是本层抽采， 邻近层抽采 或采空区抽采， 在合理设计钻孔参数的基础上， 增加 有效封孔长度， 封孔质量好， 孔口严密不漏气， 才能 抽出较高浓度的瓦斯， 提高抽采效果[14]。本文针对 瓦斯抽采封孔问题， 进行了深人细致研究， 从封孔工 艺人手， 提出了一种全新的封孔技术一带压注浆封 孔技术。 1概述概述 目前， 我国约有6 5 的回采工作面的预抽瓦斯 浓度低于30 [15]， 充分反映了抽放钻孔封孔质量 差的现状， 封孔质量的好坏直接影响到瓦斯抽放效 果 ， 而封孔质量由封孔材料的性能及封孔工艺决 定[16]。我国煤层瓦斯钻孔的封孔工艺主要有黄泥、 水泥团人工封孔、 机械注水泥砂浆封孔、 发泡聚合材 料封孔、 封孔器封孔等。采用黄泥、 水泥团人工封 孔 ， 钻孔密封质量差、 作业时间长、 劳动强度大， 现场 已很少采用[17];采用机械注水泥砂浆封孔， 机械注 浆虽可大大缩短封孔时间， 但是目前的机械注浆设 备笨重， 加大了工人的劳动强度和搬运时间[18]。对 于倾斜钻孔可以保证封孔质量， 但是对于近水平或 缓倾斜煤层不适用;采用发泡聚合材料封孔， 由于聚 合材料发泡倍数高、 质量轻， 具有工艺简单、 密封可 靠、 封孔迅速等特点而得到了广泛应用[19]。 四通煤矿属贵州雍和煤业有限公司， 矿井设计 能力15万 t/a,煤质为低硫、 低灰一中低灰、 高发热 量的优质无烟煤， 深受省内外电力、 冶炼、 化工及建 材行业欢迎[ 2 ]。目前主采煤层瓦斯抽采难度大瓦 斯含量高， 瓦斯涌出较大;煤层松软， 地应力大， 巷道 松动圈发育， 造成抽采钻孔漏气严重[15]。目前该矿 瓦斯抽采钻孔采用在抽放管路上缠棉布， 将聚氨酯 类化学封孔材料涂抹或浇淋于棉布上的封孔方 法[21]， 此种方法短期看效果较好， 但随着时间的推 移 ， 抽采效率显著降低， 难以满足现阶段采掘抽采要 求 ， 迫切需要改进封孔材料及封孔工艺。 贵州永聚恒丰科技发展有限公司在对目前封孔 材料和工艺进行调研分析的基础上， 对封孔工艺、 材 料、 设备等加大了研究投人， 已成功研制出高分子聚 合 材 料 一 高 分 子 封 孔 材 料 及 专 门 的 封 孔 设 备 KSZB160-2型矿用手动注浆泵， 该材料及设备目前 已在神华宁煤集团乌兰矿、 汝箕沟、 白芨沟， 贵州盘 江煤业山脚树煤矿、 六枝矿务局化处矿、 比德煤业等 矿井成功应用， 取得了显著效果。 2带压注浆封孔技术介绍带压注浆封孔技术介绍 2 . 1 高分子封孔材料2 . 1 高分子封孔材料 该产品是由贵州永聚恒丰科技发展有限公司针 对矿井煤层瓦斯抽放研发的高分子聚合材料， 在聚 酯材料中加人微膨胀颗粒， 增大材料膨胀性与渗透 性 ， 更加适宜封堵微裂隙。产品主要用于密封瓦斯 抽放钻孔， 提高矿井瓦斯抽放效果。以 11的体积 比混合使用， 根据现场工作需要可提供不同发泡倍 数及聚合时间的产品。此封孔剂具有膨胀性大、 可 塑性和抗压、 抗剪能力强、 内聚力和气密性好等优 点。该材料根据煤矿现场对起泡时间、 发泡倍数等 参数需求分为3 种类型， 目前该矿采用第2 种材料， 其性能参数见表1。 表1封孔剂性能参数 Tab. 1 Sealing agent perance parameters 项目 SZK-1 SZK-2 本矿适用） SZK-3 颜色 A组份黑褐色B组份浅黄色 颜色 A组份黑褐色B组份浅黄色 密度/ k g ’L - 1A组份 1.24B组份 1 .1 2 起泡时间/s5 0 - 7 090 150180 -3 0 0 发泡倍数 8 106 73 5 阻燃性能离火自熄离火自熄离火自熄 抗压强度/M P a1. 03. 67. 8 抗剪强度ZMPa1. 24. 08 .5 2.2 2.2 KSZB160-2 矿用手动注浆（ 封 孔 ） 泵160-2 矿用手动注浆（ 封 孔 ） 泵 针对钻孔封孔深度小、 起泡时间短以及井下对 机械设备轻便、 灵巧、 安全、 实用的要求， 贵州永聚恒 丰科技发展有限公司开发出一种高质量注浆的矿用 手动注浆泵KSZB160-2矿用手动注浆泵， 注浆泵无 需用电、 气驱动， 工作时不产生噪声。它适用于化学 材料注浆工作， 能准确高效地完成注浆工作， 注浆泵 97 2017年 第 5 斯能源与环保能源与环保第 39卷 廣童小， 操作简单， 运输方便， 封孔质量高， 效果显 著 ， 成本相对低廉， 是技术先进、 性能安全的用于煤 矿瓦斯钻孔注浆设备6 该设备包括吸料装置， 泵体、 出料装置和混合装置， 动力来渾于人力， 吸料装置包 括吸料管、 弯管;泵体包括泵、 拉杆、 泵架、 连杆以及 摇杆;出料装置包括出料管、 直通接头;混合装置包 括枪头和外接管| ,其参数见表2。 表2 KSZB160-2型矿用手动注浆泵参数 Tab. 2 KSZB160-2 mine manual injection pump parameters 名称主要参数 质量/k g20 尺寸/m m X mm X mm4 5 0 x 4 6 0 x 6 5 0 游塞直径A im .25 实规配比 11 工作压力，MPa0 - 1 . 5 活塞行程/m m100 最大循环流量/m L160 2.3 “ 两头堵， 中间注” 带压注浆封孔技术两头堵， 中间注” 带压注浆封孔技术 贵州永聚恒丰科技发展有限公司经过多年研究 分析 ， 结合封孔剂及配套往浆设备提出“ 两头堵中 间注” 带压注浆封孔技术。该r艺采用矿用手动注 浆粟进行注衆封孔,封孔材料选用封孔剂[M]。此法 可以增加封孔深度， 加大封孔长度， 有效避开巷道松 动圈， 并改进封孔材料与孔壁内聚力， 保证封孔的密 封性， 进而提高抽采浓度[11]， 其封孔技术如M1 所 7Jn〇 图1封孔剂及配套注浆设备带压注浆封孔技术示意 Fig. 1 Schematic diagram of sealing grouting technology for sealing agent and supporting grouting equipment 封孔技术流程（ 封孔深度根据现场考察后确 定） ①在抽采管前端1. 5 m处放一个封孔袋， 用扎 带捆好， 然后用警充分揉捏30 s，后一起放人抽放孔 中。②在抽采管末端安装J3阀门， 然后把管径为4 分的注浆铁管插人孔中， 再用一个封孔袋封堵住孔 F U③安装好KSZB160-2型矿用手动注浆泵， 注浆 泵使用参照KSZB160-2型矿用手动注浆泵说明书。 ④在手动注浆泵的2 个料杯内加人黑白料（ 封孔 剂） 开始压泵， 待 2 个出料管都出料后，， 再接上枪 头， 并将枪头通过四分阀门接到注浆铁管上。⑤随 后使用手动注浆泵向钻孔内形成的封闭空间中注人 一定董的封孔材料， 其压泵次数按式（ 1计算， 0 7 1 式中， 翁为.压案次数往复为一次循环） ； 丨为注浆 富余系数， 取 1. 3 1 . 5 为孔直径为抽采管直 径;i 为封孔长度;a 为发泡倍数为注浆泵往返压 一次循环出料量。 按计算公式得到钻孔封孔长度与材料注人量及 压泵次数的关系见表3C⑥完成按式（ 1及表确定 的压泵次数后， 从注浆铁管上卸下枪头， 并关闭注浆 铁管末端的阀门。⑦把进料管插人到混有少蓳猜洗 剂的_ 水中， 冲洗设备及枪头用漬水冲洗一次〇 ⑧卸下进料管和出料管及枪头， 并将设备擦拭芊净。 表3封孔长度与材料注入量及压泵次数的关系 Tab. 3 Relationship between the length of sealing hole and the amount of material injected and the number of pump 封孔长度/m注浆量/ L压泵次数 42 .5 314 53. 1618 63 .7 921 85 .0 628 3试验方案及过程试验方案及过程 3 . 1 试验地点试验地点 经过现场实际考察决定选取1〇32运输巷作为 试验地点。 3 . 2 试验方法试验方法 试验钻孔在1〇32运输巷布置如图2 所示， 共施 工了 10个钻孔分2 组进行对比， 矿原始封孔工艺是 1 一5 号钻孔为第1 组 ， 材料封孔新技术是610号 钻孔为第2 组 ， 2 组孔使用独立支管接抽， 试验钻孔 参数见表4a 3 . 3 试验结果分析试验结果分析 上述钻孔封孔成功后， 由专职数据采集人员对 钻孔抽采浓度进行测定， 具体结果见表5。 98 6号孔 7号孔 8号孔 9号孔 10号孔 图4带压注浆封孔技术钻孔瓦斯抽采浓度变化示意 Fig. 4 Changes of borehole gas drainage concentration by using pressure grouting sealing technology 从图4 可以看出， 带压往浆封孔技术在同等条 件下比原封方法的效果明显， .且带压往浆封孔新技 术比原封孔技术瓦斯抽采浓度平均提高了近40 ， ， 充分反映了注衆封孔工艺的优越性。 4结论4结论 雍和煤业有限公司四通煤矿近1 个月的试验， 充分表明了封孔剂及其带压注浆封孔技术可显著提 高抽采钻孔的封孔质量试验取得结论 1 采 用 KSZB-2矿用手动注浆泵注封孔材料 注浆封孔， 使封孔深度达到8 9 m， 增加了封孔深 度和长度， 有效避开巷道松动圈。 2 封孔高分子材料具有高内聚力， 致密性强。 3 “ 两端堵， 中间注” 带压注浆封孔技术 使封孔材料能够在一个相对封闭的空间内膨胀， 这 99 3 5 7 9 11 1S 15 17 19 21 縛 图3原封孔材料钻孔瓦斯抽采浓度变化示意 Fig. 3 Mining concentration changing of pumping hole drilling gas drainage 的效果,特绘制2 组钻孔浓度随时间变化曲线（ 图 3、 图4。由图3 可以看出， 采用原封孔材料缠棉布 封孔时， 钻孔瓦斯抽采浓度初期为10 4 0 ， 7 d 后则衰减至3 0 以下， 1 一5 号考察钻孔月平均浓度 在 2〇以卞。由图4 可以看出， 6 10号采用带压 注浆封孔技术时， 钻孔瓦斯抽采浓度初期为50 9 0 ， 14 d后 ， 浓度依然在40 80 ,28 d 后平均 浓度在5 0 。 序 号 日期 原封孔工艺瓦斯 抽采浓度/ 1 号2 号 3 号 4 号 5 号6 号 7 号 8 号 9 号 10号 120160501284040010100908075100 220160502264036097068494090 3201605042238612218070657565 4201605061626152168980969786 5201605071614264217852605060 6201605081314182182050403852 720160510812146136045403045 820160512512204137075626065 92016051424561810207550757070 102016051520601610208059704559 112016051730651910208575696570 122016051929502011207539405060 13201605201640202187060693075 142016052210451810207548764868 152016052320421710208050802070 162016052515391910206655594560 172016052614301014206555605060 18201605272045612156060554560 1920160529302088165658683565 202016053019301510206562605565 为了直观对比原封孔工艺与带压注浆封孔技术 图2钻孔试验布置示意 Fig. 2 Sketch map of drilling experiment arrangement 表4钻孔布置 Tab. 4 Sketch map of drilling arrangement 孔号钻孔深度/m钻孔倾角/_〇接抽时间 1号 801720160501 2号821820160501 3号 781620160501 4号791820160501 5号 881720160501 6号 861620160501 7号901820160501 8号 741820160501 9号 801820160501 1 0号911620160501 表5原封孔工艺与带压注浆封孔技术瓦斯抽采浓度 Tab. 5 Gas drainage concentration by original sealing technology and pressing grouting sealing technology 2017年第5 斯 张羽光， 等 带压注浆封孔技术在松软、 高地应力煤层中的应用 张羽光， 等 带压注浆封孔技术在松软、 高地应力煤层中的应用 第 39卷 o o o o 8 6 4 2 1 /蟹 1SI 号号号号号 12 3 4 5 十H 一 2017年 第 5 期能源与环保能源与环保第 39卷 样封孔材料不仅沿钻孔横向方向产生带压效应， 在 纵向上也产生带压效应。前者能够大大增强封孔材 料膨胀后的致密性， 后者可使封孔材料充分进人钻 孔周围的裂隙中， 大大提高钻孔的密封性。 4带压注浆封孔技术比原封孔技术瓦斯抽采 浓度平均提高了近4 0 。带压注浆封孔克服了原 封孔技术中存在的弊端， 避免了封孔材料的浪费， 保 证了封孔所需的时间， 加长了封孔深度和封孔长度， 实现了封孔工艺由手工向机械的转换， 提高封孔效 果 ， 延长钻孔瓦斯抽放期， 取得了显著的经济效益与 社会效益。 参考文献（参考文献（References [ 1 ]胡省三,成玉琪. 2 1世纪前期我国煤炭科技重点发展领域探讨 [ J ] .煤炭学报,2 0 0 5 1 1-7. 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