顺层钻孔钻屑回填封孔技术探索.pdf

收稿日期 ２ ０ １ ７ １ ０ １ ６ 作者简介 周建伟（ １ ９ ９ ０－ ） ， 男， 河南信阳人， 助理工程师， 从事瓦斯治理工作。 ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５－ ２ ７ ９ ８ ． ２ ０ １ ８ ． ０ １ ． ０ １ ７ 顺层钻孔钻屑回填封孔技术探索 周建伟 （ 潞安集团 余吾煤业公司， 山西 长治 ０ ４ ６ １ ０ ３ ） 摘 要 顺层钻孔预抽煤层瓦斯是瓦斯治理的主要手段， 而钻孔的封孔质量直接决定了钻孔抽采浓度， 影 响瓦斯抽采效率。为了降低封孔成本， 余吾煤业公司创新性地提出了以煤封煤的封孔理念， 即以打钻产生 的钻屑为主要封孔原料， 辅以适量的水泥添加剂配制成封孔材料， 利用布囊两堵一注带压封孔工艺， 在余 吾煤业 Ｎ １ １ ０ １工作面进行了钻屑回填封孔技术的探索。通过地面与井下试验， 确定了钻屑与水泥添加剂 的合理配比、 筛选钻屑的粒径范围、 封孔注浆的工艺参数， 得出了钻屑回填封孔的封孔效果。 关键词 顺层钻孔； 以煤封煤； 钻屑回填封孔； 带压注浆； 两堵一注 中图分类号 Ｔ Ｄ ７ １ ２ ． ６ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １ ０ ０ ５ ２ ７ ９ ８ （ ２ ０ １ ８ ） ０ １ ０ ０ ４ ６ ０ ２ 我国瓦斯灾害严重， 瓦斯事故每年造成大量的 人员伤亡和财产损失， 瓦斯抽采已成为矿井瓦斯治 理最有效的方法［ １ ］， 煤层钻孔的瓦斯抽放效果主要 取决于钻孔封孔质量和封孔工艺［ ２ － ３ ］， 随着矿井开 采深度的增加， 瓦斯灾害越来越严重， 传统的封孔方 法已不能满足矿井瓦斯治理的需要［ ４ ］， 煤炭科研院 校及煤矿企业对钻孔封孔工艺进行了大量试验研 究， 先后形成了聚氨酯封孔、 水泥砂浆封孔、 布囊 “ 两堵一注” 带压封孔等多种封孔工艺技术， 在一定 程度上提高了钻孔的封孔质量， 逐步改变了钻孔单 孔浓度较低、 抽采效率不高的现状。 以前研究人员对封孔工艺的探索， 仅单一考虑 封孔工艺的封孔效果， 并未考虑到钻孔的封孔成本， 使用的封孔材料价格贵、 用量大， 封孔费用较高。在 当下煤炭价格下滑， 全国经济形势下行的大环境下， 如何创新工艺， 降本增效， 也是科研工作者研究的重 点。本文根据钻孔封孔的基本原理， 提出“ 钻屑回 填、 以煤封煤” 的封孔理念， 并对相关工艺参数进行 了地面及井下试验。 １ 钻屑回填封孔技术原理 “ 钻屑回填” 带压注浆封孔技术以打钻过程中 排出的一定粒径范围的煤屑为主要材料， 加入封孔 添加剂， 与水按一定比例搅拌均匀后注入钻孔进行 封孔。钻屑的就地取材不仅降低了封孔成本， 减少 了作业人员来回搬运封孔材料的劳动环节， 同时因 其具有粘结性强、 强度大、 微膨胀性的优点， 对提高 钻孔的封孔质量有独特的优势。 钻屑回填封孔技术所使用的封孔装置为两堵一 注布囊封孔器， 见图 １ 。其原理是将里外 ２个长 １ ． ０ｍ 的布囊分别固定在封孔管里端距花管１ ． ５ｍ 、 外端距管口 ２ ． ５ｍ的位置， 两个囊袋所包裹的注浆 管段均有 １个出浆口， 先通过此注浆管向布囊注浆， 使布囊膨胀封堵钻孔两端形成注浆空间， 再通过另 外一根注浆管向注浆空间注浆， 充填空间及孔壁裂 隙， 空间内多余的水可通过封孔管上长 １ ． ０ｍ的滤 布渗流到封孔管内而流出孔外。 图 １ 两堵一注封孔装置示意 ２ 封孔材料地面配比试验 钻屑与水泥添加剂及水的配比决定了封孔材料 的凝固特性、 膨胀特性、 密实度及材料成本等， 封孔 材料以易搅拌、 不沉淀、 流动性强、 膨胀率大、 致密性 好且具有一定的柔软度与抗压强度为佳， 应用控制 变量法对封孔材料配比进行试验研究。 试验时准备好电子秤、 量筒、 水、 不同型号的水 泥材料等试验装备， 并将从井下筛分的粒径小于 ２ｍ ｍ 的钻屑以 ２ ０ ０ｇ 均分成若干份， 在每份钻屑中 按不同的质量比添加水泥添加剂， 再按水灰比 １ ∶１ 加入清水后搅匀倒入量筒内， 添加剂与煤的配比分 别为 １ ∶２ 、 １ ∶３ 、 １ ∶４ 、 １ ∶５ ， 观测钻屑封孔材料凝 固、 膨胀、 硬度等特性。 ６４ 实用技术 总第 ２ ２ １期 通过试验发现 １ ） Ｇ Ｐ－ ３型水泥与钻屑混合时发生膨胀现 象， 其比例为 １ ∶２时膨胀系数为 １ ． ０ ９ ， 比例为 １ ∶５ 时膨胀系数为 １ ． ０ ３ ； ２ ） 高水材料与钻屑混合的比例为 １ ∶２和 １ ∶３ 时均未发生膨胀或收缩， 比例为 １ ∶４时发生收 缩现象， 比例为 １ ∶５和 １ ∶１ ０时均有分层现象， 且 上分层内存有微小孔隙， 初凝时间长， 且凝固性差； ３ ） 普通水泥与钻屑混合时各种配比均发生 分层与收缩现象； 综合考虑封孔材料的特性， 选用 Ｇ Ｐ－ ３型水泥 作为添加剂与钻屑配比， 初步选为 １ ∶４ ， 水灰比为 １ ∶１ 。 ３ 封孔工艺井下试验 ３ ． １ 试验工作面概况 选取余吾煤业 Ｎ １ １ ０ １工作面回风巷作为试验 地点， 工作面标高 ＋ ４ ３ ０～＋ ４ ８ ０ｍ ， 煤层倾角 ＋ ２ ， 煤层平均厚度６ ． ２ｍ ， 煤层原始瓦斯压力０ ． ４ ３Ｍ Ｐ ａ ， 煤层原始瓦斯含量 ９ ． ８ ４ ９６ｍ ３／ ｔ ， 煤层坚固性系数 ｆ 介于 ０ ． ４～ ０ ． ５之间。回风巷内施工采前预抽孔， 钻 孔设计长度 １ ６ ０ｍ ， 倾角 ＋ ３ ， 采用基于布囊封堵的 “ 两堵一注” 封孔工艺， 封孔材料为 Ｇ Ｐ－ ３型水泥， 水灰比 １ ∶１ 。 ３ ． ２ 封孔试验 为了对比钻屑封孔材料的封孔效果， 试验共施 工 ２组 １ ０个钻孔， 各组钻孔施工参数保持一致， 主 要差别在于封孔工艺不同。其中对比组钻孔编号为 ５ ０ １～ ５ ０ ５ ， 采用原封孔工艺进行封孔； 试验组钻孔编 号为 ５ ０ ８～ ５ １ ２ ， 钻孔采用钻屑回填封孔工艺进行封 孔， 两组钻孔的封孔深度均为 １ ４ ． ５ｍ ， 各钻孔安装 测量装置， 在封孔带抽后观测钻孔单孔浓度的变化。 试验组封孔时， 在打钻产生的煤渣中， 用直径 ２ｍ ｍ 的筛子筛选封孔用钻屑， 并按工艺要求将封孔 布囊固定在抽采管上， 按 １ ∶４配比（ 水泥∶钻屑） 将 Ｇ Ｐ－ ３封孔水泥添加剂与钻屑充分混合并倒入 注浆桶内， 按 １ ∶１水灰比向桶内加入适量的水充分 搅拌封孔料， 通过封孔注浆泵向布囊注浆， 观测注浆 泵上的注浆压力变化， 压力达到 ０ ． ２Ｍ Ｐ ａ 时停止向 布囊注浆， 换接注浆空间注浆管向封孔段注浆， 由于 筛管滤布的作用， 注浆段内多余的水由封孔管流出， 随着注浆段的逐步充填及浆液浓度上升， 注浆泵压 力表读数逐步上升， 当压力到达 １ ． ０Ｍ Ｐ ａ 时停止注 浆， 封孔完成。 ３ ． ３ 封孔效果对比 对比组与试验组封孔后钻孔单孔瓦斯浓度如表 １所示。在近 ２个月的抽采时间内， 试验孔与对比 孔抽采平均浓度分别为 ４ ３ ． ３ ６ ％、 ３ ７ ． ９ １ ％， 试验孔 略高于对比孔。从钻孔浓度衰减来看， 对比组初始 浓度整体不高， 封孔质量较为稳定， 浓度衰减幅度 小， 异常衰减钻孔较少； 试验组初始浓度整体较高， 部分钻孔封孔质量较不稳定， 钻孔浓度出现异常衰 减。综合分析来看， 采用钻屑回填封孔工艺的试验 组封孔效果， 基本达到采用水泥封孔的对比组水平， 但可能由于钻屑封孔材料强度相对较低， 部分钻孔 浓度后期衰减较快。 表 １ 钻孔单孔瓦斯浓度观测数据 钻孔 编号 数据观测 １月 ２ ６日 １月 ３ ０日 ２月 １ ５日 ２月 ２ ２日 ２月 ２ ９日３月 ７日３月 １ ３日 ３月 ２ １日 单孔 平均 ／ ％ 平均 浓度 ／ ％ ５ ０ １５ １ ． ２６ ０ ． ２２ ． ４１ ． ２１ ． ６３ ． ２３ ． ４４ ． ６１ ５ ． ８ ８ ５ ０ ２５ ０ ． ６５ ７５ ３４ ３ ． ２３ ０ ． ４４ ８ ． ８６ ７５ ２ ． ８５ ０ ． ３ ５ 对比组５ ０ ３６ １ ． ４５ ６ ． ２４ ７ ． ６４ ５ ． ２４ ８ ． ２５ ２ ． ８５ ０ ． ２４ ９ ． ４５ １ ． ３ ８３ ７ ． ９ １ ５ ０ ４４ １ ． ６６ ６５ ０ ． ４４ ２３ ７ ． ８３ ２ ． ６３ ８ ． ２３ ５ ． ４４ ３ ． ０ ０ ５ ０ ５３ ２ ． ８２ ９ ． ６３ ４ ． ２２ ８２ ４ ． ６２ ６ ． ４２ ７ ． ４２ ８ ． ６２ ８ ． ９ ５ ５ ０ ８６ ０ ． ８７ ２ ． ４８ １ ． ２８ ６ ． ８８ １ ． ２６ ４ ． ２７ ７ ． ２７ ５ ． ４７ ４ ． ９ ０ ５ ０ ９６ ６ ． ４４ ４ ． ６１ １ ． ２６ ． ２６ ． ６８ ． ２２ ２１ ３ ． ４２ ２ ． ３ ３ 试验组５ １ ０４ ０ ． ６４ ３ ． ２４ １ ． ６３ ８３ ７ ． ４３ ４５ ７ ． ８３ ５ ． ６４ １ ． ０ ３４ ３ ． ３ ６ ５ １ １－７ ７ ． ２４ ． ８１ ０ ． ８９ ． ２３ ５１ ８ ． ６１ １ ． ２２ ３ ． ８ ３ ５ １ ２－６ ８６ ３ ． ４６ ０４ ６５ ２４ ０ ． ２５ ３ ． ６５ ４ ． ７ ４ ３ ． ４ 封孔成本对比 钻孔封孔成本主要由封孔管、 封孔布囊、 封孔材 料三部分组成， 对比钻孔封孔成本为 １０ ８ ２元／ 孔， 钻屑 封 孔 成 本 为 ７ ９ ２元／ 孔， 较 普 通 封 孔 节 约 ２ ９ ０元／ 孔， 工艺技术较为经济。 ３ ． ５ 工艺中存在的问题 １ ） 钻屑筛分。由于钻孔施工过程产生的煤 渣大小不一， 钻屑不能直接使用， 必须进行筛分， 筛 分钻屑会导致巷道内煤尘较大， 影响工人作业环境， 同时筛分钻屑时必须使用干煤粉， 水钻产生的煤粉 无法使用。 ２ ） 钻屑粒径。试验中使用 ２ｍ ｍ筛子筛选的 钻屑， 在注浆过程有 １ ／ ４的大颗粒煤屑沉入桶底， 注 浆泵无法吸注， 且在注浆过程（ 下转第 ６ ５页） ７４ ２ ０ １ ８年 １月 周建伟 顺层钻孔钻屑回填封孔技术探索 第 ２ ７卷第 １期 号煤层时的矿井涌水部分来自其顶板灰岩裂隙水， 部分地段来自 １ ２号煤层采空区积水及其顶板灰岩 裂隙水。 为确保安全， 对 １ ５ １ ０ １工作面上部 ８号煤采空 区及 Ｋ ２下弱富水异常区进行了有效疏放， 累计放 水 １ ４ ． ５万 ｍ ３， 目前钻孔出水合计 ７ｍ３／ ｈ 。巷道内 淋水合计约 ２ｍ ３／ ｈ ， 结合探放水情况， 预计回采中 正常涌水量约 １ ０～ １ ５ｍ ３／ ｈ ， 最大涌水量 ３ ０ｍ３／ ｈ ， 两巷布置水泵进行抽水。 ５ 结 语 １ ） 通过分析， １ ５ １ ０ １工作面顶板上方主要含 水层有石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、 二叠系下统山西组、 下石盒子组砂岩裂隙含水层、 第 四系松散岩类孔隙含水层及上组煤层采空区。 ２ ） 根据导水裂缝带高度预计经验公式得出， １ ５ 上号煤层一次采全高， 采高为 ３ｍ时导水裂缝带 最大发育高度为 ４ １ ． ３ ２ｍ 。多数地段大于与 １ ２号 煤层间距， 部分地段小于与 １ ２号煤层间距。工作面 回采将直接波及到太原组灰岩含水层及部分 １ ２号 煤采空区。 ３ ） 通过分析各充水水源对１ ５ １ ０ １工作面回采 影响得出， 地表水、 松散层水及山西组砂岩水对工作 面回采无影响， 对于太原组灰岩含水层可通过边采 边疏的方式减少对工作面回采的影响。为安全起 见， 对老空区积水也进行了疏放， 疏放效果明显， 很 大程度上降低了对工作面回采的威胁。 参考文献 ［ １ ］ 康永华． 我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望 ［ Ｊ ］ ． 华北科技学院学报， ２ ０ ０ ９ ， ６ （ ４ ） １ ９－ ２ ６ ． ［ ２ ］ 许延春． 水体下安全采煤技术新进展［ Ｎ ］ ． 大众科技 报， ２ ０ ０ ７ ． ［ ３ ］ 赵国浩， 车康模， 卢晓庆． 基于产业集中度视角的山西 煤炭资源整合分析［ Ｊ ］ ． 煤炭经济研究， ２ ０ １ ０ （ ２ ） １ ５－ １ ８ ． ［ ４ ］ 刘增辉， 康天合． 采空区下极近距离煤层开采的问题 与对策的探讨［ Ｊ ］ ． 山西煤炭， ２ ０ ０ ５ （ １ ） ２ ５－ ２ ７ ． ［ ５ ］ 邹寅笙， 文学宽． 水体下安全开采 ２ ０年的实践与认识 ［ Ｊ ］ ． 煤炭科学技术， １ ９ ９ ８ ， ２ ６ （ １ ） ５ ３－ ５ ５ ． ［ ６ ］ 国家煤炭工业局． 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程［ Ｍ］ ． 北京 煤炭工业出版社， ２ ０ ０ ０ ． ［ ７ ］ 李振拴． 山西省煤矿水害事故形成原因及防治措施 ［ Ｊ ］ ． 华北科技学院学报， ２ ０ ０ ９ （ ４ ） ９ ０－ ９ ５ ． ［ ８ ］ 杨 展． 山西省煤矿水害事故形成原因及防治措施 ［ Ｊ ］ ． 中国煤炭地质， ２ ０ ０ ８ （ １ ） ３ ７－ ４ ０ ． ［ 责任编辑常丽芳 檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮 ］ （ 上接第 ４ ７页） 常出现堵泵现象。故钻屑封孔工艺 还需进行改进， 计划减小筛孔孔径， 以获得更小粒径 的钻屑， 或选择吸浆能力更大的钻屑封孔注浆泵。 ３ ） 封孔材料凝固慢。封孔材料凝固较慢， 注 浆过程大量的水通过布囊或滤布渗出， 当钻孔为俯 孔时， 水流入孔内， 影响瓦斯抽采效果。 ４ 结 语 １ ） 从封孔效果来看， 钻屑封孔质量与对比孔 封孔质量相当， 并略高于对比孔， 封孔浓度衰减较 大。 ２ ） 从施工难易程度来看， 钻屑封孔技术现场 取料优于对比封孔技术， 节省运输成本， 降低作业人 员劳动强度。 ３ ） 从封孔成本来看， 钻屑封孔较对比封孔节 约 ２ ９ ０元／ 孔， 具有明显的技术经济价值。 ４ ） 针对工艺中存在的一些问题， 还需要进一 步深入研究并解决。 参考文献 ［ １ ］ 关 鹏， 刘 震． 顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺优化选择 ［ Ｊ ］ ． 科技信息， ２ ０ １ ３ （ １ ７ ） ４ ３ １－ ４ ３ ３ ． ［ ２ ］ 郭孟志， 张向阳， 孙向锋． 顺层抽放钻孔封孔工艺［ Ｊ ］ ． 煤炭科技， ２ ０ １ ２ （ ３ ） １ ０ ３－ １ ０ ４ ． ［ ３ ］ 魏风清， 连少朋， 张 川．孟津煤矿顺层抽采钻孔合理 封孔深度［ Ｊ ］ ．河南理工大学学报自然科学版， ２ ０ １ ３ ， ３ ２ （ ６ ） ６ ８ ６－ ６ ７ ０ ． ［ ４ ］ 孙文德， 李子全， 周 军．瓦斯抽采中新型封孔材料及 工艺的应用研究［ Ｊ ］ ．煤炭科学技术， ２ ０ １ ２ （ ４ ） ６ ０－ ６ ３ ． ［ 责任编辑常丽芳］ ５６ ２ ０ １ ８年 １月 李凯凯 煤层群下组煤开采顶板水害防治技术研究 第 ２ ７卷第 １期