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第 4 2卷第 1 0期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 1 0 2 0 2 0年1 0月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nO c t . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 4- 2 0 ; 责任编辑 陈鑫源 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 1 0 . 0 0 5 作者简介 史合锋( 1 9 7 9 ) , 男, 河南郏县人, 工程师, 注册安全工程师, 现从事防治煤与瓦斯突出管理工作。 引用格式 史合锋, 王旭鸣, 张占胜. 突出煤层卸压增透后封孔技术研究与应用[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 1 0 ) 2 1 2 4 . S h i H e f e n g , Wa n g X u m i n g , Z h a n g Z h a n s h e n g . R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o no f h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y a f t e r p r e s s u r e r e l i e f a n d p e r m e a b i l i t y i n c r e a s e i no u t b u r s t c o a l s e a m [ J ] . C h i n a E n e r g y a n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 1 0 ) 2 1 2 4 . 突出煤层卸压增透后封孔技术研究与应用 史合锋, 王旭鸣, 张占胜 ( 平煤股份 八矿, 河南 平顶山 4 6 7 0 1 2 ) 摘要 为了解决突出煤层水力化卸压增透后, 普遍存在瓦斯抽放钻孔塌孔严重、 钻孔封堵难度系数大、 抽采出的瓦斯浓度低、 抽采衰减速度快、 抽采钻孔经常出现一氧化碳等问题, 传统的封孔工艺不能有 效解决煤层中的裂隙对瓦斯抽采钻孔的影响, 通过对高应力突出松软煤层封孔技术的研究, 制定了八 矿高应力松软煤层封孔工艺, 提出了反压注浆封孔工艺方法。降低了瓦斯抽放钻孔漏气率、 增强钻孔 密封性、 提高抽采浓度、 消除钻孔自燃隐患, 实现了瓦斯抽采最大化。 关键词 松软煤层; 瓦斯抽采; 反压注浆; 封孔工艺 中图分类号 T D 7 1 2 . 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 1 0- 0 0 2 1- 0 4 R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f h o l es e a l i n gt e c h n o l o g ya f t e rp r e s s u r er e l i e f a n dp e r me a b i l i t yi n c r e a s ei no u t b u r s t c o a l s e a m S h i H e f e n g , Wa n gX u m i n g , Z h a n gZ h a n s h e n g ( N o . 8C o a l M i n e o f P i n g d i n g s h a nC o a l C o . , L t d . , P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 1 2 , C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e mo f o u t b u r s t c o a l s e a mh y d r a u l i c p r e s s u r e r e l i e f a n dp e r m e a b i l i t y e n h a n c e m e n t , i t w a s c o m m o nt o h a v es e r i o u s g a s d r a i n a g eb o r e h o l ec o l l a p s e , h i g hd i f f i c u l t yc o e f f i c i e n t o f h o l ep l u g g i n g , l o wg a s c o n c e n t r a t i o n , f a s t d r a i n a g ea t t e n u a t i o n a n df r e q u e n t d r a i n a g ed r i l l i n g . I nt h ep r e s e n c eo f c a r b o nm o n o x i d ea n do t h e r p r o b l e m s , t h et r a d i t i o n a l s e a l i n gt e c h n o l o g yc a n n o t e f f e c t i v e l ys o l v e dt h ee f f e c t o f t h e c r a c k s i nt h e c o a l s e a mo nt h e g a s d r a i n a g e d r i l l i n g . T h r o u g ht h e r e s e a r c ho nt h e s e a l i n g t e c h n o l o g y o f t h e h i g h s t r e s s o u t b u r s t s o f t c o a l s e a m , t h ee i g h t hm i n eh i g h s t r e s ss o f t c o a l s e a ms e a l i n gt e c h n o l o g yw a sf o r m u l a t e d , i t w a sp r o p o s e dt h e b a c kp r e s s u r eg r o u t i n gm e t h o df o r o n eh o l e . I t r e d u c e dt h eg a s l e a k a g er a t eo f g a s d r a i n a g eb o r e h o l e s , e n h a n c e dt h et i g h t n e s s o f b o r e h o l e s , i n c r e a s e dt h ec o n c e n t r a t i o no f d r a i n a g e , e l i m i n a t e dt h eh i d d e nd a n g e r o f b o r e h o l es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n , a n dm a x i m i z e dg a s d r a i n a g e . K e y w o r d s s o f t c o a l s e a m ; g a s d r a i n a g e ; b a c kp r e s s u r eg r o u t i n g ; h o l es e a l i n gt e c h n o l o g y 0 引言 随着封孔工艺的发展, 煤矿在瓦斯抽放时的抽 放效率得到了提高。近些年, 我国矿井开采深度日 益增加, 从前的低瓦斯矿井逐渐演变为高瓦斯矿井 或突出矿井, 瓦斯抽放成为许多矿井解决瓦斯问题 的根本途径。因此, 瓦斯高效率抽采成为煤矿开采 的一项重要课题, 国内外相关领域技术攻关投入了 大量的人力、 物力。目前主流的瓦斯抽放孔封孔技 术主要是封孔器封孔、 囊袋式注浆封孔和聚氨酯封 孔、 黏土( 黄泥) 封孔、 水泥砂浆封孔[ 1 3 ]。 由于有效封堵距离短, 受瓦斯抽放钻孔和水力 造孔的影响, 沿煤层抽放钻孔封堵段煤层裂缝发育。 瓦斯抽放钻孔内存在大量漏气现象。随着负压抽放 时间的增加, 瓦斯抽放孔外的空气, 通过巷道边部的 裂隙和瓦斯抽放孔的裂隙进入抽放煤体, 煤层极易 自燃。随着开采深度的增加, 高应力软煤层瓦斯抽 放孔在施工过程中发生严重坍塌, 造成封孔通道堵 塞, 导致布袋无法达到预定位置。灌浆时, 袋易破。 囊袋式注浆封孔法的技术关键点是在一个瓦斯 12 2 0 2 0年第 1 0期能 源 与 环 保 第 4 2卷 抽采钻孔内部, 采用一次性的囊袋注浆装置, 该装置 采用 2个囊袋封堵瓦斯抽采钻孔, 2个囊袋之间设 置一段塑料软管, 并且设置注浆口, 通过注浆口向 2 个囊袋中间的钻孔处注浆, 浆液在高压作用下向钻 孔周围渗透。主要技术原理 通过向钻孔壁注射高 压浆液, 对初期的漏气裂隙进行封堵。首先将高压 浆液压入囊袋, 等到囊袋膨胀后将囊袋内注浆液压 入钻孔壁, 后封堵封孔段的钻孔, 进行注浆时, 高压 浆液在压力作用下填满了封闭钻孔的周围裂隙, 从 而对初期漏气通道进行封堵。主动支护钻孔, 钻孔 封堵段周围易形成高应力集中区。注浆的膨胀材料 初期凝固后, 体积会发生膨胀, 其膨胀力和地应力接 近。因此, 造成钻孔封堵段周围形成高应力集中区, 膨胀材料的膨胀力使未填充的裂隙继续压密, 从而 使漏气通道减少, 进一步降低了钻孔封孔段周围的 煤体透气性( 煤体的透气性随着应力的增加而变 差) [ 4 6 ]。 高应力松软突出煤层在采取水力冲孔卸压增透 措施后, 出现瓦斯抽放钻孔塌孔严重、 钻孔封堵难度 系数大、 抽采出的瓦斯浓度低、 抽采浓度衰减速度 快、 抽采钻孔经常出现一氧化碳等问题, 通过对高应 力突出松软煤层封孔技术的研究, 制定了八矿高应 力松软煤层封孔工艺标准, 提出反压注浆这一封孔 工艺方法。从而降低瓦斯抽放钻孔漏气率、 增强钻 孔密封性、 提高抽采浓度、 消除钻孔自燃隐患, 实现 了瓦斯抽采最大化。 1 突出煤层卸压增透后封孔技术 1 1 控制巷道卸压的影响范围 根据 防止煤与瓦斯突出细则 , 在运输巷和底 抽巷区域采取防突措施, 掩护运输巷掘进[ 7 1 3 ]。运 输巷上下两侧的控制范围分别取 1 5m 。穿层钻孔 影响距离如图 1所示。 图 1 穿层钻孔影响距离 F i g 1 S c h e ma t i co f t h ei n f l u e n c ed i s t a n c e o f t h r o u g h l a y e rd r i l l i n g 水力冲孔的控制范围为运输巷中心以上 7m , 运输巷中心以下 6m 。水力冲孔的有效影响半径为 4m , 巷道宽度为 4 . 6m , 即水力冲孔对巷道上侧的 实际影响距离为 8 . 7m , 对下侧的实际影响距离为 7 . 7m 。水力冲孔影响距离如图 2所示。 图 2 水力冲孔影响距离 F i g 2 I n f l u e n c ed i s t a n c eo f h y d r a u l i cp u n c h i n g 在本煤层进行顺层钻孔过程中, 前1 5m时钻孔 的钻屑量较少, 钻孔压风都能将其吹走, 钻孔下方没 有钻屑堆积现象; 钻进至 1 5m以后, 钻孔下方钻屑 逐渐堆积, 而钻屑量是所在位置煤体的地应力和瓦 斯压力的综合反映。 综上所述, 跨层钻孔及水力冲孔卸压影响卸压 范围为 1 5m 。其中, 0~ 8 . 7m裂缝较发育, 瓦斯抽 放孔封堵困难。 1 2 顺层钻孔受高应力影响的区域 ( 1 ) 理论分析。依据 突出煤层掘进工作面底 板岩巷穿层水力冲孔增透及网络高效抽采技术研 究 ( 中期研究报告中国矿业大学) , 巷道施工后 会造成巷道周围的煤( 岩) 体运移, 同时也会改变巷 道周围原始应力场状态, 从而使应力场重新分布, 形 成应力集中以及卸压区域。当该巷道周围另外进行 巷道施工时, 2条巷道的应力相互叠加并重新进行 分布。运输巷上侧的应力集中区域为 2 0~ 4 0m 。 ( 2 ) 打钻现场。钻至 2 0~ 4 0m时, 岩屑量明显 增加, 易抱钻、 喷孔、 响煤炮。 结合理论分析和现场钻探实践, 巷道应力集中 范围为 2 0~ 4 0m , 由于高应力和煤层松软的共同影 响, 瓦斯抽放钻孔塌孔现象严重, 封孔通道严重堵 塞, 封孔管和封孔袋不能运到指定位置。 1 3 水力化卸压增透后高应力松软煤层封孔工艺 1 3 1 制定封孔工艺 钻孔钻进施工后, 将封孔管下入钻孔中, 封孔管 的长度为 4 5m , 前面 2 0m带有花眼, 后面 2 5m无 花眼。随后将聚氨酯及封孔毛巾填充在距离钻孔口 1 0m位置, 并提前埋入 1根注浆管, 最后进行钻孔 注浆工作, 2 4h待浆液凝固后进行联网排放, 封孔 工艺如图 3所示。 22 2 0 2 0年第 1 0期史合锋, 等 突出煤层卸压增透后封孔技术研究与应用 第 4 2卷 图 3 高应力松软煤层封孔示意 F i g 3 H o l es e a l i n gi nh i g hs t r e s s s o f t c o a l s e a m ( 1 ) 在底部抽采巷穿层钻孔和水力冲孔的联合 作用下, 运输巷上侧卸压影响区为 0~ 8 7m , 该区 裂隙较发育。在钻孔深处采用封孔技术, 解决了孔 内漏风问题, 减少了封孔注浆量及一线工人的工作 量, 提高了封孔效率。 ( 2 ) 瓦斯抽采钻孔的平均深度为 8 0m , 如果增 加封孔段距离, 势必会造成抽放段的距离减少, 从而 导致瓦斯抽采钻孔单孔抽采效果降低。为确保封孔 严实, 提升瓦斯抽采钻孔的单孔抽采效果, 最终测得 封孔段距离为 1 5m时为最优值。 ( 3 ) 瓦斯抽采钻孔在钻进施工结束后, 应立即 将长度 4 5m的封孔管下入钻孔内, 同时在 1 0m位 置, 采用聚氨酯进行封堵, 封堵后凝固 3 0m i n 。 ( 4 ) 进行注浆, 注浆至封孔管返浆, 停止注浆。 1 3 2 钻孔数据 待钻孔封闭完成 2 4h后, 将瓦斯抽采钻孔连入 瓦斯抽放系统进行抽排, 测定了 2 4h单孔瓦斯抽放 参数。采用原封孔工艺时, 抽放干管平均气体浓度 4 0 %, 平均 C O浓度 3 7 1 0 - 6, 单孔平均气体浓度 2 3 4 %, 单孔最大 C O浓度 2 0 0 1 0 - 6; 采用新封孔 工艺后, 抽放干管平均气体浓度主管为 3 3 %, 单孔 初始平均气体浓度为 9 2 %, 平均 C O浓度为 1 0 1 0 - 6。原封孔工艺和新封孔工艺的干管和单孔数据 对比如图 4 图 5所示。 图 4 原、 新封孔工艺抽放干管浓度对比 F i g 4 C o n t r a s t b e t w e e nt h eo r i g i n a l a n dt h en e ws e a l i n g p r o c e s s f o rd r a i n i n gma i np i p ec o n c e n t r a t i o n 图 5 原、 新封孔工艺单孔浓度对比 F i g 5 C o n t r a s t o f s i n g l eh o l ec o n c e n t r a t i o nb e t w e e n o r i g i n a l a n dn e ws e a l i n gp r o c e s s 2 反压注浆法 2 1 反压注浆法原理 钻孔施工结束后, 当封管下放时, 灌浆管口打 开, 巷道中煤粉极易进入注浆管中, 造成注浆管管路 堵塞。另一方面, 由于现场施工不当, 聚氨酯与注浆 管之间距离过近, 也会造成灌浆管道堵塞。为有效 解决该问题, 根据以往封孔施工经验和现场试验情 况, 提出了一种新的注浆工艺, 即“ 反压注浆法” 。 反压注浆法原理如图 6所示。 图 6 反压注浆法原理 F i g 6 P r i n c i p l eo f b a c kp r e s s u r eg r o u t i n g ( 1 ) 首先将抽放管与注浆泵连接, 从抽放管向 钻孔内部注浆, 从钻孔内部向外进行注浆, 瓦斯抽放 管中的注浆液从抽放管花眼处流进钻孔和抽放管中 间部分( 图 6中黑色部分) 。 ( 2 ) 待注浆泵的压力上升至 1 5M P a时, 停止 注浆。拔出注浆管, 钻孔内部多余的注浆液及抽放 管内的注浆液自动流出。 ( 3 ) 抽放管内部的注浆液未完全排出外, 禁止 封堵, 防止注浆液堵塞泵管而无法泵送。 随机选取 3个基于反压注浆工艺的瓦斯抽放钻 孔, 同时在周围选择了 3个正压注浆钻孔, 检测其单 孔的流量、 负压及浓度, 并对比分析。正、 反压注浆 钻孔对比分析见表 1 。 32 2 0 2 0年第 1 0期能 源 与 环 保 第 4 2卷 表 1 正、 反压注浆钻孔对比分析 T a b 1 C o mp a r a t i v ea n a l y s i s o f p o s i t i v ep r e s s u r e a n db a c kp r e s s u r eg r o u t i n gd r i l l i n g 钻孔类型孔号 注浆量/ k g 浓度/ % 煤气表 5m i n 流量/ m3 流量/ ( m3 m i n- 1) 5 61 0 57 50 1 0 00 0 2 0 反压钻孔1 0 09 08 50 1 7 00 0 3 4 1 0 91 0 59 00 1 4 50 0 2 9 5 71 0 58 00 1 1 00 0 2 2 正压钻孔1 0 51 2 08 50 0 9 00 0 1 8 1 0 69 09 00 1 4 00 0 2 8 由表 1可知, 反压注浆和正压注浆钻孔的抽采 参数基本相同, 反压注浆钻孔未发现堵孔现象。 2 2 反压注浆法应用 在现场, 对低浓度、 存在一氧化碳的瓦斯抽放孔 运用了反压注浆技术。1 9个钻孔采用反压注浆技 术, 运 用 前 孔 平 均 浓 度 5 1 %, 后 孔 平 均 浓 度 5 8 9 %。反压注浆前后钻孔瓦斯浓度对比分析如图 7所示。 图 7 反压注浆前后钻孔瓦斯浓度对比分析 F i g 7 C o n t r a s t a n a l y s i s o f b o r e h o l eg a s c o n c e n t r a t i o n b e f o r ea n da f t e rb a c kp r e s s u r eg r o u t i n g 3 结论 对高应力松软煤层封孔技术进行了优化, 降低 了瓦斯抽采钻孔注浆用量, 减少了一线工人的工作 强度, 提升了瓦斯抽采钻孔封孔质量以及效率, 并且 实现单孔原始浓度 8 0 %以上、 瓦斯抽放系统干管浓 度 3 0 %以上的技术指标。提出了反压注浆法, 在封 孔工作中克服技术攻关, 与现场管理并重的工作理 念。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 林柏泉, 张建国. 矿井瓦斯抽放理论与技术[ M] . 徐州 中国矿 业大学出版社, 1 9 9 6 . 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