囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔技术应用.pdf

1 1 4 江西煤炭科技 2 0 1 7年 第 2期 囊袋式“ 两堵一注“ 带压注浆封孔技术应用 白 杰 阳 泉 煤 业 集 团 有 限 公 司 ， 山 西阳泉0 4 5 0 0 0 摘 要 对 阳煤集 团本部生产矿井 3 煤本煤层 瓦斯抽采钻 孔原有“ 两堵一 注” 水泥砂浆封孔技术进行优 化Ⅲ， 在未采取任何 增透技术 的前提下 ， 实现本煤层瓦斯高浓度高效抽采 ， 有效缩短了矿井抽采达标时间。 关键词 低透气性煤层 ； 瓦斯抽采 ； 顺层钻孔 ； 囊袋 ； 封孔 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 0 1 7 0 2 0 1 1 4 0 4 Ap p l i c a tio n o f b a g t y p e ” Two S e a l i n g a n d On e Gr o u ti n g ”g r o u tin g f o r h o l e s e a l i n g B a i J i e Ya n g q u a n c o a l i n d u s t r y g r o u p C O ． ， h d ． ， y a n g q u a n， s h a n x i 0 4 5 0 0 0 Ab s t r a c t B a s e d o n Ya n g me i g r o u p p r o d u c t i o n o f 3 c o a l mi n e t h e c o al s e a m g a s e x t r a c t i o n f r o m o r i g i n al ” T w o S e ali n g a n d O n e Gr o u t i n g ”d r i l l i n g c e me n t mo r t a r h o l e s e ali n g t e c h n o l o g y o p t i mi z a t i o n ] , o n t h e p r e mi s e O f n o t t a k e a n y a n t i r e f l e c t i o n t e c h n o l o gy a n d r e ali z e h i g h e ffic i e n t e x t r a c t i o n f r o m the c o al s e a m g a s ， e ff e c t i v e l y s h o e n s t h e mi n e e x tra c t i o n t o ma r k t i me ． Ke y wo r d s l o w p e r me a b i l i t y c o a l s e a m ； t h e g a s e x t r a c t i o n ； b e d d i n g b o rin g； p o u c h； h o l e s e a l i n g 阳煤集团在 阳泉本部有2 7 座生产矿井 ，其 中 突出矿井7 座 ， 主要可采煤层3 、 8 、 9 、 1 5 。对于 阳 煤集团本部 的矿井来说 ， 3 煤地质构造复杂 。瓦斯 含量高 ， 瓦斯 压力大 ， 地应力大 ， 煤与瓦斯突 出强 度高。煤层坚固性系数f 0 ． 3 8 ～0 ． 5 2 ， 煤层透气性 系数为0 ． 0 1 7 0 0 ． 1 3 7 7 m e ／ M P a d ， 煤层平均瓦斯 含量 为 1 8 ． 1 7 m 。 ／ t ， 瓦斯压 力 为 1 ． 3 ～2 ． 2 6 M P a ． 钻 孔百米流量衰减系数为0 ． 0 6 8 7 1 ． 5 9 4 2 d ～ ． 属于 较难抽采煤层。 下抽采观测数据显示 ，顺层预抽钻孔瓦斯浓度处 于5 ％ ～2 O ％ 区间 。 顺槽支管瓦斯抽采浓度仅为4 ％ ～ 1 5 ％ 。长期 的低浓度 、 低效率瓦斯抽采现状导致矿 井 出现采掘衔接紧张局面 ，给矿井消突工作造成 巨大 阻力 。 1 ． 2 顺 层预抽钻 孔抽采 瓦斯 浓度低原 因分析 主要包 括 以下 几个 方面 1 钻孔卸压圈裂 隙漏气 钻孔半径的5 ～1 0 倍 1 问题 的提 出 倍 ； 2 巷道卸压带裂 隙漏气 巷道宽度的3 ～5 1 ． 1 顺 层预抽钻 孔技术现 状 以阳煤集团下属的新景矿来说明， 突出矿井3 煤 层 所采 取 的煤 层 区 域 防突 措施 部 分 为 在 3 4 1 4 工作面 采 长2 4 0 m 进 回风顺槽施工 1 3 0 m 单排对 穿顺层预抽钻孔进行瓦斯抽采 见 图1 。在以往的 顺层预抽钻孔管理过程 中，呈现 出大投入小回报 的显著特点 ， 而且常发现钻孑 L 抽采浓度低 、 抽采量 小 、 抽采周期长、 整体效果差等问题 。按照实际井 3 煤层节理裂隙发育导流 ； 4 封孑 L 充填不实漏气 5 塌孔堵 孔 6 煤尘或水堵塞抽放管。 由此可知 ，进一步优化本煤层顺层预抽钻孔 封孔技术 ，是提升本煤层顺层预抽钻孔瓦斯浓度 和抽采量 的主要和根本途径。之前本煤层顺层预 抽钻孔采用的是A 、 B 液“ 两堵一注 ” 水泥砂浆封孔 2 0 1 7年 第 2期 江西煤炭科技 l l 5 图 1 顺 层 钻 孔 抽 放 布 置 尸 一 一l n I 一 ～ l f 一 一 一 ⋯ ⋯ 一一 一 图2 囊袋式 “ 两堵 一 注” 水 泥带 压注 浆封 孔 工艺 ， 鉴于实际封孔效果不理想 ， 难 以满足高负压 抽采气密性要求 ，故将其优化为囊袋式 “ 两堵一 注” 水泥带压注浆封孔T艺 。 且进一步增加 了钻孑 L 的封孔 深度及 长 度 。 2 囊袋式“ 两堵一注” 水泥带压注浆封孔技术 2． 1 技术原理 囊袋式“ 两堵一注” 水泥带压注浆封孔技术其 原理基于煤壁内存在的应力扰动沟通裂隙，利用 带压注浆方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体 特性和密封微孔裂隙的目的。 该技术工作原理主要通过两个阶段 的带压注 浆完成钻孑 L 封孔工作 见图2 。第一阶段 首先利 用封孑 L 器及柔模式封堵囊袋 ，实现封孔环形空间 端 头封堵 ； 第二 阶段 利 用注浆设备 ， 将 不低于2 M P a 压力的浆液材料压注到封孔段环形空间及周 围孔壁煤体裂隙内部 ， 浆液在注浆压力作用下 ， 可 以劈裂 、 扩展孔壁内煤体 裂隙， 充填孔隙和煤体 凹 凸面．并在大渗透压力梯度作用下深入煤体微裂 隙内 ， 并产生凝聚力 ， 待浆液迅速固化后 ， 形成膨 胀树枝状分布 ， 与煤体颗粒 固结在一起 ， 实现全 面 封 堵 。 2 _ 2 封孔参 数确定 1 钻孑 L 轴向应力分布分析 准备T作面进回风顺槽掘进过程 中．巷道周 围煤体 由外 向里沿钻孔钻进方 向依 次形成卸压破 坏带、 应力集中带和原始应力带 。在卸压带内， 煤 层得到较充分的卸压，同时会形成大量的贯穿裂 隙，巷道内的空气经卸压带的贯穿裂隙被抽人钻 孔，会造成封孑 L 漏气导致瓦斯抽采浓度和抽采效 果大打折扣 。 2 钻孑 L 径向应力分布分析 钻孔周围煤体受到钻进破煤扰动 ，钻孔周围 煤壁沿钻孔径向形成充分卸压 区、 非充分卸压区 、 卸压扩展区和原岩应力 区， 随着扰动半径 的增加 ， 钻孔周围煤体结构 向深部遭到破坏的程度逐渐降 低 ．煤体裂隙发育程度也随着扰动半径 的增加逐 渐降低 。 3 由于钻孔煤体应力变化会造成不同深度 煤体 的钻屑量变化，故通过向巷帮打钻测定不同 深度煤体 的钻屑量的方法 ，可以确定出巷道卸压 带 、 应力集中带和原始应力带 的分布深度， 从而将 1 1 6 江西煤炭科技 2 0 1 7年第 2期 合理 的钻孑 L 封孔深度延伸至原岩应力区范围内。 根据3 煤3 4 1 4 工作面所施工4 个 4 2 in to 钻屑 量测试孔 ． 描述钻屑量与钻孔深度变化关系。 通过 对 比分析可知 。钻屑量在1 0 ～1 6 m 区间有递增趋 势 ， 在1 5 ～1 6 m 区间达 到极值 ， 因此可推断出准备 工作面煤体原始应力 区至少在顺槽钻孔施工煤壁 往 里 1 6 m 以外 区域 。 由此 确定 出最 终封 孔 深 度在 钻孔的9 ～1 7 m 处 。 封孔段长度为8 ～9 m 。 3 工程 实践 选取 阳煤集团下属新元公司3 1 0 8 辅助进风和 新景公司3 2 1 6 进风两个工作面作为试验地点 。 3 ． 1管 路系统 顺槽管路系统采用气密性优 良的单趟直缝焊 钢管 ， 单节管路内径4 0 0 m ， 壁 厚3 m m， 长4 m ； 法 兰盘外径 中4 8 5 m m， 内径 ①3 9 5 m m ， 厚 1 2 m m ， 螺栓 孔 直 径 及 个 数 中1 6 m m X 1 6 ，螺 栓 组 合 中1 4 in to X5 5 m i ll 能够满足试验地点瓦斯抽放负压不低 于1 3 k P a 的需求 。 3 ． 2 钻 孔设计及施 工工艺 1 试验钻孔数量4 0 个 ，钻孔深度为 1 3 0 m ， 钻 孑 L 间 距 为 2 m 。 孔 径 1 2 0 m ；钻 孔 施 工 采 用 Z D Y 4 O O O L 型钻机配套7 3 n l m 肋骨钻杆进行施工 ， 距 煤层底板 l _ 5 ～1 ． 7 m 处进行施工 。钻孔施工完毕 后 ， 执行全长下筛管措施 。 2 采 用 Z B Q 一 2 5 ／ 5 型 煤 矿 用 气 动 注 浆 泵 、 F K L - 1 型封孔水泥 1 5 k g ／ 袋 和3 m 丝扣式囊袋封 孔器进行本煤层顺层钻孑 L 封孔 ，封孔深度在钻孔 的9 ～1 8 m 处 。 封孔段长度8 ～9 m ， 封孔材料水灰 比1 1 注浆泵每桶可加4 5 k g 水和4 5 k g 水泥 ， 完 成注浆压力需稳压至2 M P a 及以上。 3 采用橡胶高压管联孑 L 工艺 ，设有单孔测 嘴。 3 ． 3 封孔试 验结果 4 0 个试验孔全部按照新工艺进行封联孔并进 行连续观测 。 1 新元公司3 1 0 8 辅助进风顺槽2 0 个试 验钻 孔瓦斯抽采数据见图3 。 ① 浓度分析 试验钻孔瓦斯抽采浓度大体处 于不稳定上升和下降阶段 ， 基本维持在6 0 ％ 以上水 平 ， 单孔瓦斯浓度最高1 0 0 ％ ， 最低5 7 ％， 在连续观测 期 间瓦斯抽采浓度衰减速度缓慢 ，大部分试验钻 孔可 以保证高浓度瓦斯抽采 。 ② 流量分析 试验孔孔瓦斯抽采纯量大体趋 于稳定并下降趋势 ，基本维持在0 ． 5 m 。 ／ m i n 水平 单孔纯量最大为0 ． 0 8 2 m 3 ／ m i n ， 最小为o ． 0 1 9 m 。 ／ m i n 。 在连续观测期 间瓦斯抽采纯量随时问推移衰减较 快 ， 可保证高流量瓦斯抽采。 ③ 理论抽 放时间计算 试验孔 区域 内 ， 实测 平均瓦斯含量 为1 1 ． 8 m 。 ／ t ， 2 0 个孔平均瓦斯抽放 纯 量为0 ． 5 3 m 。 ／ m i n ， 2 0 个孑 L 日均抽放 量 为7 6 3 m 。 ／ d ， 瓦斯含量降至8 m 。 ／ t 以下理论抽放时间需要1 0 2 天 。 E三 [三 ‘ ； 广 ． 』 f ‘ { ‘ r t V ． 。 矗几 t 枞。 - _f ▲ 一 一 J } fI～ ～ 图3 新元公 司3 1 O 8 辅 助进 风顺 槽2 0 个试 验钻 孔 瓦斯抽 采数 据 0 ％ ％ ％ ％ 鲫 鲫 加 2 0 1 7年第 2期 江西煤炭科技 1 1 7 2 新景公司3 2 1 6 进风顺槽2 0 个试验钻孔瓦 斯数据见图4 。 ① 浓度分析 试验钻孔瓦斯抽采浓度大体趋 于衰减趋势 ， 基本维持在7 0 ％ 以上水平 ， 单孔瓦斯 浓度最高9 8 ％ ， 最低2 5 ％ ， 在连续观测期 间瓦斯抽采 浓度衰减速度缓慢 ，多数试验钻孔可 以保证高浓 度瓦斯抽采 。 ② 流量分析 试验钻孔瓦斯抽采纯量趋于快 速衰减趋势 ，联抽初期基本维持在0 ． 5 6 m 。 ／ m i n 水 平 ；单孔 纯量最大 为0 ． 1 m a ／ m i n 。最小 为0 ． 0 2 6 m 。 ／ m i n ， 在连续观测期间瓦斯抽采纯量随时间推移 衰减快 ， 可保证高流量瓦斯抽采 。 ③ 理论抽放时间计算 试验钻孔区域内， 实 测平均瓦斯含量为1 4 ． 2 m 3 ／ t ， 2 0 个钻孔平 均瓦斯 抽放纯量为0 ． 4 8 m 3 ／ m i n ， 2 0 个钻孔 日均抽放量为 6 9 0 11 1 。 ／ d ， 瓦斯含量 降至8 m 。 ／ t 以下理论抽放时 间 需要 1 8 0 天 。 k J ． I cf _ F _ 一 | ‘ l 一_ ．上 一 r _ ‘ 。 f『 ． ／f- f - 1 ’ L L L ．- i 1 _． ． - ． ● ■ _ -J - _ ． - J 巴 ． ● 一 1 ‰ 上 ● ． ’ ● - I 图4 新 景公 司3 2 1 6 进风 顺槽2 0 个 试验 钻孔 瓦 斯数据 试验表明 ， 采用囊袋式“ 两堵一注 ” 水泥带压 封孔及高压管联孔工艺后 ． 在3 J噪层不同透气性系 数区域 ， 均可实现高浓度 、 高流量、 高效瓦斯抽采 。 在所试验两条顺槽掘进工作面推广应用后， 抽采效果较好 。单个钻孔瓦斯抽采浓度平均可达 5 5 ％ 以上 ， 单个钻孔瓦斯抽采纯量平均0 ． 0 4 3 m 。 ／ m i n ， 大幅缩短准备工作面预抽达标 时间。可有效促进 矿井“ 抽、 掘、 采” 平衡。 4 结 语 1 根据试验钻孔钻屑量与钻孔深度变化关 系确定 了3 J煤煤层合理封孔深度在钻孔的9 ～1 8 m 处和合理封孔段长度为8 ～9 m 关键数据 。 2 采用囊袋式 “ 两堵一注 ” 水泥带压注浆封 孔及高压管联接工艺 钻孔平均抽采浓度为5 5 ％ ， 单孔平均纯量为0 ． 0 4 3 m 。 ／ m i n 。 较之前A 、 B 液“ 两 堵一注” 水泥砂浆封孔工艺 钻孔平均抽采浓度为 1 3 ． 7 ％。 平均纯量0 ． 0 0 8 m 3 ／ m i n 顺层瓦斯预抽钻孔 单个钻孔瓦斯抽采浓度大幅提高约4 ～5 倍 ，抽采 纯量提高约5 ～6 倍 。 3 选择合理 的封孔深度 、长度及封联孔 方 式 。 在保 障抽采负压的基础上保障钻孔气密性 ， 可 在不 同透气性系数煤层 区域实现高浓度 、 高纯量 、 高效瓦斯抽采 ，大幅缩短工作 面瓦斯 预抽达标 时 间 。 参考文献 [ 1 ]李广 涛． 煤层 瓦斯抽采钻孑 L 带压封孑 L 技术 研究 [ J ] ． 魅 力 中国。 2 0 1 1 ， 3 4 5 4 6 [ 2 ]姚 尚文． 改进抽放 方法提高 瓦斯 抽放效果 [ J ] ． 煤炭学 报， 2 0 0 6 ， 6 7 卜7 5 [ 3 ]周红 星， 王亮等． 低透气性强突出煤层瓦斯抽采倒流通 道的构建及应用 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 2 ， 9 2 3 2 8 [ 4 ]袁亮． 松软低透煤层 群瓦斯抽采 理论与技术 [ M ] ， j B 京 煤炭工业 出版社， 2 0 0 4 2 1 2 O [ 5 ]杨存智．麻家梁矿特厚煤层综放工作面瓦斯抽采方案 优化 [ J ] ． 中国煤炭， 2 0 1 3 ， 1 3 8 4 0 [ 6 ]黄鑫业， 蒋承林． 本煤层瓦斯抽采钻孔带 压封孑 L 技 术研 究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 1 O 3 0 3 4 作者简介 白杰 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山西朔州人 ， 2 0 1 4 年毕业 于 东北 大学 采矿专业 ， 学士学位 ， 通 风助理工程师 ， 从事 通风 瓦斯管理工作。 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 3 - 1 5 编辑 彭呈喜 ∞ 1 8 6 4 2 。 l 0 O 0 O 0 脚 ． ． ． ． ． 0 0