煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术应用分析.pdf

煤炭与化工 Co al and Ch emic al Indu stry 第43卷第10期 2020年10月 Vo l .43 No .10 Oc t. 2020 煤矿安全环保与煤炭加工 煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术应用分析 李建峰 山西潞安矿业集团司马煤业有限公司，山西 长治047500 摘 要针对山西潞安矿业集团司马煤业有限公司1208工作面进行顺煤层瓦斯抽采时，钻孔 瓦斯抽采衰减系数大、抽采纯度低等技术难题，通过技术研究，对前期煤层顺层钻孔瓦斯抽 采效果及问题进行分析，优化了 “两堵一注”钻孔封孔工艺，通过应用效果分析发现，优化 后封孔工艺单孔瓦斯抽采浓度是原封孔工艺钻孔的1.0 1.7倍，抽采纯量是原钻孔的2.2倍， 取得了显著应用成效。 关键词煤层；顺槽钻孔；瓦斯钻孔；封孔工艺；两堵一注 中图分类号TD712 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 10-0092-04 Application analysis of coal seam gas extraction drilling and sealing technology Li Jianfeng Sima Coal Industry Corporation Ltd., Shanxi Luan Mining Group, Changzhi 047500, China Abstrac t In o rder to so l ve th e tec h nic al pro bl ems o f l arge attenu atio n c o effic ient and l o w pu rity o f dril l ing gas extrac tio n in th e 1208 wo rking fac e o f Sh anxi Lu an Mining Gro u p Sima Co al Indu stry Co mpany, th e effec t and pro bl ems o f dril l ing gas extrac tio n in th e do wnstream c o al seam were anal yzed and th e *two bl o c king and o ne injec tio n“ dril l ing c l o su re th ro u gh tec h nic al researc h was o ptimized. Th ro u gh th e appl ic atio n efiec t anal ysis, it was fo u nd th at th e o ptimized singl e-h o l e gas extrac tio n c o nc entratio n was 1.0 1.7 times o f th e o riginal bo reh o l e seal ing pro c ess, and th e pu re amo u nt o f extrac tio n was 2.2 times o f th e o riginal bo reh o l e seal ing pro c ess, with signific ant appl ic atio n resu l ts. Key wo rds c o al seam; do wnstream dril l ing; gas dril l ing; h o l e seal ing pro c ess; two pl u gging and o ne injec tio n 1概述 山西潞安矿业集团司马煤业有限公司1208工 作面位于井田二采区，东部为回采完毕的1207工 作面，西部为未采区，南部为矿区南部井田边界保 护煤柱，北部为二采区3条采区大巷。 1208工作面设计走向长度为1 247 m,回采长 度为200 m,工作面回采煤层为3号煤层，煤层平 均厚度为6.39 m,煤层平均倾角为3。相对瓦斯 涌出量为5.35 m3/t,绝对瓦斯涌出量为31.6 m3/inino 为了保证工作面安全高效回采，避免工作面回 采期间出现瓦斯涌出超限现象，1208工作面采用 顺层钻孔瓦斯抽采技术，工作面进、回风顺槽侧煤 壁每隔2.0 m布置1个顺层瓦斯抽采钻孔，钻孔深 度为110m,孔径115 mm,钻孔距底板间距为1.8 m,钻孔施工完后进行封孔并网成汇流组，与进、 回风丿顷槽内瓦斯抽采主管路连接，利用地面永久瓦 斯抽采泵站进行瓦斯预抽。 2瓦斯抽采钻孔封孔工艺、抽采现状及问 题分析 2.1原封孔工艺 封孔工艺采用气囊”两堵一注”封孔工艺，封 孔料为水泥砂浆料，钻孔内安装12 m长直径75封 孔管。 责任编辑高小青 DOI 10.19286/j.c nki.c c i.2020.10.028 作者简介李建峰1986-,男，河南商丘人，助理工程师。 引用格式李建峰.煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术应用分析[J].煤炭与化工，2020 , 43 10 92-95. 92 李建峰等煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术应用分析2020年第10期 1 首先在第一根长4 m、直径为75 mmPVC 封孔管上距离里端管口］m处用管卡将气囊固定牢 固。其次将第二根、第三根管依次连接好推入钻孔 中，孔口留250 mm的露头。 2 截取2根铝塑管分别作为注料管和回料 管插入到距孔口大约4、8 m的位置处，孔口留约 2 m长作为注料，并做好标记。然后用封孔料将孔 口封堵。 3 用019mm的风管与风动封孔泵连接， 并用静压水管往泵箱里加水，根据泵箱内加入水的 容量加入相应比例的注浆料。同时并启动封孔泵将 其充分搅拌，待搅拌均匀后开动封孔泵闸阀，通过 铝塑管向钻孔与PVC管的空隙里注料。 4 当回料管里料流出时，即为将钻孔与 PVC管空隙封满。封孔材料具有膨胀性，初凝时 间为5 min,注入的浆料终凝时间为5 h。 2.2瓦斯抽采现状 为了检验工作面丿顺槽钻孔瓦斯抽采浓度及抽采 纯量，分别对回风顺槽S75、S114、S152、S189号 4个钻孔进行60 d观察分析。 通过对4个检验钻孔瓦斯抽采浓度分析发现， 4个钻孔瓦斯抽采浓度呈递减指数变化规律，在钻 孔抽采前8 d, 4个钻孔平均瓦斯抽采浓度为77、 64、57、60；当抽采时间达10 d后，4个钻 孔抽采浓度衰减变化大，平均瓦斯浓度仅为34, 当抽采时间达55 d时，4个钻孔瓦斯抽采浓度不足 5,如图1所示。 0 10 20 30 40 50 60 1 ■.. 号号号号 4 2 9 4 2 9 75 11 15 18 75 11 15 18 S -S1 -S1 S1 S -S1 -S1 S1 . 一 一 I I - - - - I I - - - - - 11 7 .. ＜月产;R 匚 图1原瓦斯抽采钻孔抽采浓度变化曲线 Fig. 1 Variatio n c u rve o f extrac tio n c o nc entratio n in th e o riginal gas extrac tio n h o l e 2 通过对4个钻孔抽采纯量进行检测发现, 变化规律与抽采浓度变化规律基本相似，成递减变 化，在抽采前10 d, 4个钻孔平均瓦斯纯量分别为 0.042、0.061、0.037、0.029 m3/min,当抽采 20 d 后，4个钻孑L平均瓦斯纯量为0.002 7 m3/min,且趋 于稳定。 2.3问题分析 通过对回风顺槽S75、S114、S152、S189号4 他孔瓦斯抽采浓趣抽陶量分析研究发现，造成 瓦斯抽采钻孔抽采效率差主要是封孔质量差成的。 1封孔长度不足。瓦斯抽采钻孔施工完后, 从钻孔口往里依次形成裂隙为卸压区、峰后应力集 中区、峰前应力集中区和原始应力区，需对该区域 安装封孔管进行封孔处理，而1208工作面顺槽瓦 斯抽采钻孔封孔深度为12 m,封孔段未完全对应力 集中区进行覆盖，影响瓦斯抽采效果，如图2 所示。 Fig. 2 Ho l e seal ing pl ane o f th e o riginal gas extrac tio n bo reh o l e airbag with “two bl o c ks and o ne injec tio n“ 2封孔后漏气严重。通过试验发现，在峰 后应力集中区与峰前应力集中区之间岩体破碎严 重，通过图2可以看出，原钻孔封孔长度为11叫 采用气囊“两堵一注”封孔，封孔长度不足，未完 全对岩体破碎严重区域进行封堵；由于气囊封孔器 在推入钻孔后有打不起压或漏气现象，因此在封孔 时有可能注浆料从PVC管里流出来，对管周围煤 墙孔隙渗入差，封下行孔时可能堵塞钻孔。 3瓦斯钻孔封孔工艺优化 结合进、回风顺槽钻孔瓦斯抽采钻孔封孔工艺 及瓦斯抽采效果情况，为进一步提高钻孔瓦斯抽采 效率，保证钻孔封孔效果，决定从合理确定钻孔封 孔长度、提高破碎岩体封堵效果两方面进行封孔工 艺优化。 3.1合理确定钻孔封孔长度 1根据图2可知，在钻孔形成过程中共计 分为卸压区，峰后应力集中区、峰前应力集中区、 原始应力区等4个应力区，其中卸压区是围岩控制 93 2020年第10期煤炭与化工第43卷 区域，被称为“围岩松动圈”，该范围内岩体破坏 严重；峰后应力集中区内煤岩体处于完整状态，但 是裂隙高度发育，且相互交叉；在峰前应力集中区 受应力卸压作用，煤岩体又逐渐区域稳定，局部裂 隙发育。 （2）由于在应力区范围内煤岩体稳定性差， 岩体内形成应力卸压空间，与应力稳定区相比，应 力区煤岩体破碎严重，所以可根据钻孔单位长度产 生的煤屑量判定应力区破坏区与应力稳定区。①为 了避免工作面回采超前应力对钻孔产生煤屑量的影 响，决定在工作面500、550、600 m处分别施工3 个实验钻孔，钻孔深度为30 m,钻孔直径为60 mm,钻孔垂直煤壁布置，钻孔在施工过程中分别 记录每米产生的煤屑量；②3个实验钻孔施工完后 通过对比分析发现，在钻孔前3.0 m范围内3个钻 孔，每米平均产生的煤屑量分别为3.7、3.9、3.4 kg/m,在314m每米产生的煤屑量成递减趋势， 在13 30 m产生的煤屑量趋于稳定，平均每米产 生的煤屑量为2.4 kg/m。由此可判定在钻孔14 m 后完全区域应力稳定区，所以钻孔封孔封孔深度应 大于14 mo 3.2钻孔破碎区封堵 由于原钻孔采用气囊“两堵一注”进行破碎岩 体封堵时封孔效果差，为进一步提高煤岩体封堵效 果以及保证注浆压力，决定采用囊袋“两堵一注” 封堵工艺，封孔料为水泥砂浆料，安装16 m长直 径75 mm封孔管，如图3所示。 （1 ）首先在第一根长4 m、直径为75 mmPVC 封孔管上距离里端管口］m处用绑丝和透明胶带将 封孔器固定牢固。其次将第二根、第三根管推入钻 孔中，在第四根管距离孔口 0.5 m处套上袋状封孔 器并用绑丝和透明胶带将封孔器固定牢固，孔口 PVC管留250 mm的露头。 （2） 袋状封孔器分为里端和外端2个囊袋，2 个囊袋具有透气、透水和不透料作用。2个囊袋之 间通过1根黑皮胶管连接，并在2个囊袋里及中间 位置的黑皮胶管上分别安装有爆破阀，黑皮胶管的 长短可以用快速接头来调节。另外黑皮胶管要伸出 孔口外23m用于和封孔泵连接。 （3） 用019 mm的风管与风动封孔泵连接， 并用压水管往泵箱里加水，根据泵箱内加入水的容 量加入相应比例的封孔注浆料。同时启动封孔泵将 其充分搅拌，待搅拌均匀后开动封孔泵闸阀，通过 黑皮胶管向封孔器的2个囊袋和钻孔与PVC管的 空隙里注料。 封孔时注浆料先将里端囊袋封堵，再将外端囊 袋封堵，最后当压力达到一定程度，中间爆破阀断 裂，开始向中间钻孔与PVC管的空隙里注料， 当泵上的压力表到达约1.6 MPa时封孔泵会自动 停止，即为将孔间隙封满。封孔材料不具有膨胀 性，初凝时间为15 min,注入的浆料终凝时间为 24 ho Fig. 3 “two bl o c ks and o ne injec tio n“ o f bags after o ptimizatio n 3.3实际应用效果分析 通过对工作面顺槽瓦斯抽采钻孔封孔优化后， 对相邻区域另外4个钻孔抽采数据进行跟踪监测， 并对比分析发现，优化后钻孔在前10 d范围内瓦 斯抽采浓度分别为72、68、74、63,与优 化前钻孔抽采浓度差距不大，但优化后钻孔瓦斯抽 采浓度衰减系数较小，在55 d时钻孔平均抽采浓 度仍达到47,是原抽采浓度的1.0 1.7倍左右; 钻孔抽采后20 d瓦斯抽采纯量达0.005 2 m3/min, 是优化前的2.2倍。 4结语 针对1208工作面顺槽瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采 时钻孔抽采浓度、纯量低、漏气量大、封孔长度不 94 李建峰等煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术应用分析2020年第10期 足等技术难题，司马矿瓦斯抽采部通过技术研究, 合理优化了钻孔封孔工艺，通过实际效果来看，封 孔工艺优化后满足回采煤层瓦斯抽采需求，提高了 工作面瓦斯抽采效率，保证了工作面安全高效回 采，取得了显著应用成效。 参考文献 [1] 丰硕瓦斯抽采钻孔封孔工艺优化探讨[J ]・能源与节能， 2020 （ 4） 114-115. 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[10]陈 敏.抽采钻孔合理封孔深度的综合确定[J].煤炭技术， 2019（7） 132- 135. 3结语 端头及超前支护液压支架在邢台矿25306工作 面运输丿顺槽的成功应用，解决了之前需要人工扛液 压支柱、金属较接梁的问题，工作面机头和机尾无 需再设置“占号工”，降低了成本，提高了采煤工 作面中的安全系数。 参考文献 [1] 王国法.综采成套技术与装备系统集成[M].北京煤炭工业 出版社，2016. （上接第87页） 亚硝酸盐对黑色金属具有较显著的缓蚀作用,甲哩 类对有色金属有更好的缓蚀性。因此，在煤炭运输 防冻剂配方中，添加一定量的亚硝酸盐和甲醴类缓 蚀剂，能够满足对铸铁、钢、铝和黄铜等金属的缓 蚀要求。 参考文献 [1] 胡海军，王兴涌.铁路煤炭运输用防冻剂的探究[J].化工中 间体，2012 （1） 39-43. （上接第91页） 作面上隅角瓦斯治理应用研究[J ]华北科技学院学报， 2014, 11（4） 8-13. [6] 李 杰，定向高位长钻孔抽采位置确定及瓦斯治理效果[J]. 煤炭科学技术，2014, 43 （12） 51 -53, 57. [7] 张 杰，姚宁平，李乔乔.煤矿井下定向钻进技术在矿井地 质勘探中的应用[J]煤矿安全，2013, 44 （ 10） 131 - 134. [8] 双海清，王红胜，李树刚，等覆岩采动卸压瓦斯高位钻孔 抽采技术[J].西安科技大学学报，2015, 35（6） 682- 687. [9] 张海权，王惠风，王向东大直径高位钻孔代替高抽巷抽采 瓦斯的研究[J].煤炭科学技术，2012, 40 （ 6 ） 51 - [2] 王春华，曲 辉，许瀚文，等.含水率对煤冻黏强度的影响 [J].煤炭学报，2015（9） 2 213 -2 217. [3] 李明辉，刘文欣.论神华煤降低水分的必要性和有效途径[J]. 煤炭加工与综合利用，1999（S1） 50-52. [4] 胡艳霞，赵立仁 魏晓东高效防冻液的应用研究[J].中国 铁路，2006 （10） 68 - 69. [5 ] 杨海山，林传荣.黑龙江省火力发电厂冬季运煤结冻的情况 调查及分析[J].黑龙江电力，2000（5） 38-40. [6 ] 王向荣煤中氯的赋存形态及控制方法]J ].科技情报开发与 经济，2007 （ 4） 165 - 166. 53, 57. 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