顺层抽采钻孔粘液裂隙充填封孔技术研究.pdf

收稿日期２０１８ －０５ －２１ 作者简介谷峰１９８５ － ꎬ男ꎬ本科学历ꎬ助理工程师ꎬ现在河南焦煤能源有限公司中马村矿工作ꎮ 顺层抽采钻孔粘液裂隙充填封孔技术研究 谷峰 赵庆红河南焦煤能源有限公司 中马村矿ꎬ河南 焦作 ４５４０００ 摘 要抽采钻孔封孔是瓦斯抽采工艺中的重要环节ꎬ钻孔漏气、封堵不严ꎬ会导致抽采管网短路、钻孔负压小、浓度 低ꎬ影响瓦斯抽采效果ꎮ 中马村矿瓦斯含量高ꎬ煤层透气性差ꎬ巷道卸压带裂隙及钻孔卸压圈裂隙对抽采效果影响大ꎮ 为 了提高抽采效果ꎬ矿井开展封孔技术研究ꎬ在两堵一注封孔工艺中引入粘液裂隙充填封孔技术ꎮ 试验地点在应用该技术 后ꎬ钻孔抽采浓度提高、衰减速度降低ꎮ 关键词瓦斯抽采ꎻ粘液封孔ꎻ封孔质量ꎻ抽采效果 中图分类号Ｆ４０３. ７ꎻＴＤ７１３ 文献标志码Ｂ 文章编号１００８ －０１５５２０１８１３ －０００３ －０３ 瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害主要措施ꎬ可 以降低瓦斯涌出量ꎬ防止瓦斯爆炸、改善煤体特 性、消除煤与瓦斯突出危险性和民用发电[１]ꎮ 顺 层钻孔预抽煤层瓦斯是焦作矿区矿井消突基础手 段之一ꎬ其封孔质量好坏直接影响钻孔的抽采效 果ꎮ 当前ꎬ中马村矿顺层钻孔封孔主要采用“两堵 一注”封孔方法ꎬ这种方法对巷道掘进或变形产生 的卸压区发育裂隙密封不足ꎬ导致顺层钻孔瓦斯 浓度下降快ꎬ钻孔有效抽采时间短ꎮ 同时ꎬ该封孔 工艺要求其封孔深度必须超过煤体应力集中区范 围ꎬ易造成封孔材料浪费ꎮ 针对“两堵一注”封孔 技术的缺点ꎬ矿井进行顺层抽采钻孔粘液裂隙充 填封孔技术研究ꎬ并在 ２７０２１ 工作面进行工业性 试验ꎬ取得了良好的效果ꎮ １ 粘液裂隙充填封孔技术 “两堵一注” 封孔技术是一种带压封孔法ꎬ在 封孔段的两端用袋装聚氨酯进行封堵ꎬ待发泡封 孔袋、膨胀并凝结后ꎬ再通过注浆管对两端聚氨酯 封堵段之间的钻孔段进行注浆ꎬ在注浆压力的作 用下ꎬ浆液向钻孔壁渗透并填充钻孔周围裂缝[２]ꎮ 粘液裂隙充填封孔技术采用孔外封堵微裂隙 ＋ 孔内固孔的联合封孔方法ꎬ在对抽采钻孔进行 “两堵一注”封孔后ꎬ通过往钻孔内注入粘液ꎬ连续 多次在钻孔外部密封受采动及抽采影响产生的后 期钻孔微裂隙[３]ꎮ 粘液裂隙充填封孔技术配合常 规封孔固化的浆液在注浆压力作用下ꎬ可以劈裂、 扩展孔壁内煤体裂隙ꎬ充填孔隙和煤体凹凸面ꎬ增 大浆液扩散范围ꎮ 在大渗透压力梯度作用下深入 煤体微裂隙内ꎬ产生凝聚力ꎬ形成树枝状分布ꎬ与 煤体颗粒固结在一起ꎬ彻底密封空气泄入通道ꎮ ２ 现场工业试验 ２. １ 工作面概况 ２７０２１ 工作面位于 ２７ 采区西翼上部ꎬ走向长 约６９４ｍꎬ斜长９３ｍꎮ 工作面地质条件极为复杂ꎬ煤 层分叉、夹矸分布无规律性、平均煤厚 ３. １ｍꎬ煤层 厚薄变化大ꎬ煤质软ꎮ 断层等地质构造多ꎬ采掘活 动期间共揭露断层 １５ 条ꎬ对回采影响较大的断层 有 ７ 条ꎮ ２７０２１ 工作面煤岩层总体趋势为西北高 东南低ꎬ单斜构造ꎬ煤层倾角 ９ １７ꎮ 煤体坚固 性系数差、煤层透气性ꎮ 工作面实测原始瓦斯含 量 １０. ００ｍ３/ ｔ １８. ０４ｍ３/ ｔꎬ采取区域瓦斯治理措 施后残余瓦斯含量 ２. １８ｍ３/ ｔ ４. １６ｍ３/ ｔꎬ残余瓦 斯压力０. １ＭＰａꎮ 为了提高试验结果的可靠性ꎬ降低其他因素 影响ꎬ试验区域适宜选取在煤层赋存稳定、地质条 件变化不大的区域[４]ꎬ即 ２７０２１ 回风巷距离切眼 以里 １９５ｍ ２１０ｍ 范围ꎮ ２. ２ 试验钻孔施工 根据矿井前期开展的地质及瓦斯抽采资料以 及有效半径方面的研究和顺层抽采钻孔粘液裂隙 充填封孔技术特点ꎬ将 １２ 个试验抽采钻孔分为 ４ 组ꎬ每组钻孔的第一个钻孔的封孔深度设置为 ８ｍꎬ钻孔间距 １ｍꎬ距离巷道底板 １ｍꎬ钻孔设计深 度７０ｍꎬ钻孔成孔孔径１００ｍｍꎬ 对应注粘液孔垂直 位于第一个孔上方 ０. ５ｍ 处ꎬ每组有 ２ 个对照孔ꎬ 其中一个采用原有封孔深度即 １８ｍꎬ另外一个 对照孔采用封孔深度 ８ｍꎬ不做注粘液处理钻孔 参数见表 １ꎮ ２. ２ 试验钻孔封孔 将应用钻孔全部施工完成并按顺序编号依次 为 １＃ １２＃ꎬ钻孔在施工完成后及时封孔ꎬ并对编 号 １＃、４＃、７＃、１０＃钻孔实施注粘液孔并注入粘液ꎮ 封孔程序如下 １使用常规钻具在煤壁打钻ꎬ待钻孔成孔 后ꎬ迅速将抽采花管送入孔内并在预设封孔深度 用胶带绑上袋装固特捷ꎮ ２在两端堵头中间位置的抽采管上绑注浆 管和回浆管ꎮ ３挤开固特捷中间胶条ꎬ使两种料充分混 合ꎬ迅速送入抽采管ꎬ待材料充分反应凝固后ꎬ利 用带压力表的注浆泵向封孔段注入膨胀水泥ꎬ回 浆管返浆后停止注浆ꎬ完成抽采钻孔封孔段密封ꎮ ３ 表 １ ２７０２１ 回风巷抽采钻孔参数 孔号 孔径 ｍｍ 方位角 倾角 钻孔长度 ｍ 封孔深度 ｍ １１００垂直煤壁－１２７０８ ２１００垂直煤壁－１２７０１８ ３１００垂直煤壁－１２７０８ ４１００垂直煤壁－１２７０８ ５１００垂直煤壁－１２７０１８ ６１００垂直煤壁－１２７０８ ７１００垂直煤壁－１２７０８ ８１００垂直煤壁－１２７０１８ ９１００垂直煤壁－１２７０８ １０１００垂直煤壁－１２７０８ １１１００垂直煤壁－１２７０１８ １２１００垂直煤壁－１２７０８ ４在抽采钻孔上方垂直高度 ０. ５ｍ 处施工注 粘液钻孔ꎬ其钻孔长度比抽采钻孔封孔深度小１ｍꎮ ５粘液孔成孔后ꎬ将绑有固特捷的注浆管送 入孔内ꎬ将粘液孔密封严实ꎮ ６待材料充分反应后ꎬ将注浆管连在带有压 力表的注浆泵上ꎬ将密封粘液注入孔内直至注浆 泵额定压力下粘液无法注入为止ꎬ停止注浆ꎬ第一 次注入密封粘液结束ꎮ ７注液完成后ꎬ将抽采孔联网抽采ꎬ记录各 钻孔抽采浓度及抽采量等数据ꎮ ８当瓦斯抽采孔瓦斯浓度快速下降、瓦斯流 量增大时ꎬ再次对粘液孔补注密封粘液ꎮ 图 １ 试验钻孔布置剖视图 ２. ３ 试验钻孔观测 试验钻孔分 ４ 组ꎬ每组 ３ 个钻孔ꎬ１ 个注粘液 孔ꎮ 见图 １ 试验孔与对照孔采取不同封孔深度 交替封孔ꎮ 连续完成一组试验钻孔的封孔工作以 及对相应钻孔进行粘液封堵卸压区域裂隙后ꎬ将 这组钻孔连入主抽采管路中ꎬ开始抽采ꎮ 为了进行后期抽采参数的对比ꎬ确保试验效 果检验的合理性ꎬ要求 ２７０２１ 回风巷向回采工作 面打钻、封孔、联网抽采后及时进行抽采参数观 测ꎮ 观测要求每间隔 １ｄ 使用瓦斯抽放综合参数 测定仪观测每个钻孔的瓦斯浓度、混合流量并记 录ꎬ持续 ７１ｄꎮ ２. ４ 试验结果及分析 每组钻孔相连后接入抽采管路ꎬ这样能够保 证同一组钻孔之间抽采负压相同ꎬ每组钻孔因封 孔深度以及采用的封孔方法不同而得到的抽采参 数具有可比性ꎬ持续观测得到随时间变化的瓦斯 抽采参数数据ꎮ 对所测瓦斯浓度数据进行处理ꎬ 绘制出如图２ － 图５ 所示１＃ －１２＃实验孔抽采浓度 观测图ꎮ 图 ２ １ －３＃实验孔抽采浓度观测图 从图 ２ － 图 ５ 可知 １钻孔粘液裂隙充填封孔技术降低了钻孔 浓度衰减速度ꎮ 采用粘液裂隙充填封孔工艺的抽 采钻孔ꎬ抽采浓度随抽采时间延长的衰减速率远 小于采用现用封孔技术的速率ꎬ即“８ｍ ＋ 粘液孔” 钻孔的瓦斯衰减速度要慢于“１８ｍ 常规封”钻孔的 衰减速度ꎬ作为对照孔的“８ｍ 常规封”钻孔瓦斯浓 度衰减更快ꎮ 也就是说ꎬ在同样瓦斯浓度情况下 要衰减至某一值ꎬ“８ｍ ＋ 粘液”钻孔所用抽采时间 要远大于“１８ｍ 常规封”钻孔ꎬ同时在这个时间段 内ꎬ“８ｍ ＋ 粘液”钻孔能够抽出更多的瓦斯ꎮ ２四组钻孔中采用粘液裂隙充填封孔技术 的钻孔ꎬ分别在第 ２０ｄ 和第 ４６ｄ 补注密封粘液后ꎬ 钻孔瓦斯抽采浓度均能提高 ３０％ 以上ꎬ且能够保 持较长时间高浓度的抽采ꎬ而“１８ｍ 常规封”钻孔 在抽采 ２０ｄ 后ꎬ钻孔瓦斯衰减速度下降相对“８ｍ 常规封”降低得慢ꎬ但其钻孔瓦斯浓度仍然都降至 １０％左右ꎬ不能够保证高浓度长时间抽采ꎮ 原因 ４ 为 “１８ｍ 常规封”钻孔使用微膨胀水泥砂浆ꎬ虽然 对封孔段起到了很好地固孔作用并封堵大裂隙ꎬ 但是该钻孔成型后不能够进行二次补救ꎮ 图 ３ ４ －６＃实验孔抽采浓度变化观测图 图 ４ ７ －９＃实验孔抽采浓度变化情况 图 ５ １０ －１２＃实验孔抽采浓度变化情况 ３常规“两堵一注”封孔方法抽采钻孔的封孔 深度必须超过卸压带范围ꎬ同时小于应力集中区峰 值点ꎬ才能够保证钻孔进行有效的瓦斯抽采ꎮ 该封 孔方法针对松软煤层ꎬ钻孔瓦斯衰减速度快ꎬ不能 够保证长时间高浓度抽采ꎮ 由于密封粘液的特性ꎬ 粘液裂隙充填封孔技术在缩短封孔深度的同时ꎬ提 高了顺层钻孔瓦斯抽采浓度ꎬ延长了顺层抽采钻孔 的有效抽采时间ꎬ更大限度抽出煤层中的瓦斯ꎮ ３ 主要结论 本次研究试验表明ꎬ钻孔粘液裂隙充填封孔 技术现场应用效果理想①钻孔抽采浓度随抽采 时间延长的衰减速率远小于常规封孔技术的衰减 速率ꎻ②通过多次补液可有效维持钻孔抽采浓度ꎻ ③该技术有效缓解常规“两堵一注”封孔方法因封 孔深度不到位时封堵效果差的现象ꎮ 参考文献 [１]刘洋. 加强瓦斯抽放管理合理利用瓦斯能源[Ｊ]. 山东煤炭科技ꎬ２０１１ꎬ２２３０ －２３１. [２]王兆丰ꎬ武炜. 煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖 析[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６３１ －３４. [３]王圣程ꎬ等. 抽采钻孔带压注浆封孔技术的研究与 应用[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１１ꎬ４２６４ －６. [４]殷文韬ꎬ等. 煤层瓦斯抽放封孔工艺研究与应用 [Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２０１１ꎬ２３１ －３３.责任编辑陈凌霄 ５