瓦斯顺层钻孔抽采径向膨胀主动承压注浆封孔技术研究.pdf

第42卷第3期 2019年3月 煤炭与化工 Co al and Ch emic al Indu s t r y Vo l.42 No .3 Mar . 2019 煤矿安全环保与煤炭加工 瓦斯顺层钻孔抽采径向膨胀主动承压注浆封孔技术研究 郝楠楠 （山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城048021） 摘要针对王坡煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔工艺存在一定的缺陷，导致不少钻孔出现封堵不 严、钻孔漏气，从而导致瓦斯抽采效率低下，回采工作面瓦斯抽采效果不理想，为解决这一 问题，基于钻屑法研究确定合理的封孔长度为12.0m,采用恒达封孔材料和径向膨胀主动承 压式注浆封孔工艺，应用WGC-II型瓦斯抽采管道气体参数测定仪现场观测，结果表明，封 孔效果得到很大的提高，取得了理想的瓦斯抽采效果。 关键词高瓦斯工作面；钻屑法；瓦斯预抽 中图分类号TD712 文献标识码B 文章编号2095-5979（2018）03-0106-04 Study on gas-filling radial expansion active pressure grouting and sealing technology Hao Nannan （Shanxi Tiandi Wangpo Coal Indust ry Corporat ion L t d,, Jinc heng 048021, China） Abs t r ac t Gas dr ainage in Wangpo Mine wit h c er t ain defec t s du e t o t h e s ealing pr o c es s o f t h e dr illing, r es u lt ed in a lo t o f dr illing h o le s ealing lax, dr illing leak age, mak ing t h e gas dr ainage effic ienc y lo w, and po o r gas dr ainage. In o r der t o s o lve t h is pr o blem, bas ed o n t h e dr ill c u t t ing met h o d, it was det er mined t h at t h e r eas o nable s ealing lengt h was 12.0 m, and t h e WGC-II t ype was applied by u s ing Hengda s ealing mat er ial and r adial expans io n ac t ive pr es s u r e t ype gr o u t ing s ealing t ec h no lo gy. On-s it e o bs er vat io n o f t h e gas s ampling ins t r u ment o f gas ext r ac t io n pipeline s h o wed t h at t h e s ealing effec t was gr eat ly impr o ved and t h e ideal gas dr ainage effec t was o bt ained. Key wo r ds h igh gas wo r k ing fac e; dr illing c u t t ing met h o d; gas pr e-pu mping 0引言 瓦斯抽采浓度主要由抽采瓦斯流量和抽采系统 密封性能决定。随着节能减排，严控环境污染的理 念不断被广泛接受，煤矿抽采的低浓度瓦斯被直接 排放的问题越来越受到重视，如何有效避免大量的 抽采瓦斯被直接排放，实现煤层瓦斯高效利用成为 亟待解决的问题。从国内外对矿井瓦斯抽采浓度控 制技术发展来看，目前主要集中在提高瓦斯抽采纯 量和提高抽采系统密封性能上本文以王坡煤矿 3210瓦斯顺层抽采钻孔封孔为背景，提出合理封 孔深度设计方法，并应用径向膨胀主动承压式封孔 工艺，以求提高工作面瓦斯抽采效果。 1工程概况 山西天地王坡煤业3210工作面走向长2 150 m,倾向长154叫 平均煤厚5.2 m,该工作面整体 倾向为东高西低，工作面为一单斜构造，预计回采 量约165万t o该矿瓦斯相对涌出量55.36 m3/t ,绝 对涌出量365.84 m3/min,为高瓦斯矿井。3210工 作面标高420450 m,地面标高9601 200 m,平均埋深约为780 m,由于王坡煤矿目前采深 相对较大，且地质条件较差，不少区域出现煤岩层 挤压等情况，导致局部地点地应力相对较大、煤体 结构破碎，在这种条件下钻孔钻进施工困难，成孔 效果差，达不到钻孔设计深度，预抽钻孔难以覆盖 责任编辑高小青 DOI 10.19286/j.c nk i.c c i.2018.03.029 作者简介郝楠楠（1989）,男，山西晋城人，助理工程师。 引用格式郝楠楠.瓦斯顺层钻孔抽采径向膨胀主动承压注浆封孔技术研究[J] .煤炭与化工，2018 , 42（3） 106-109. 106 郝楠楠瓦斯顺层钻孔抽采径向膨胀主动承压注浆封孔技术研究 2019年第3期 整个工作面，而且王坡煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔工 艺存在一定的缺陷，不少钻孔出现封堵不严，导致 钻孔漏气，从而使得瓦斯抽采效率低下，回采工 作面瓦斯抽采效果不理想，严重影响煤矿安全高 效生产。 2矿井瓦斯抽采现状 2.1封孔工艺现状 王坡煤矿目前采用安尔特封孔工艺，采用“两 堵一注”方法封孔，即封孔段的两端采用安尔特高 效封孔袋封实，中间段注入安尔特高效膨胀封孔 剂。安尔特高效膨胀封孔剂封孔示意如图1所示。 图1安尔特高效膨胀封孔剂封孔示意 Fig. 1 High effic ienc y expans io n s ealant fo r h o le s ealing 2.2安尔特封孔效果考察 选取王坡煤矿现有封孔工艺的20个钻孔抽采 浓度数据进行分析，20个钻孔每天平均抽采浓度 随抽采时间的变化规律，如图2所示。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1 抽采钻孔成孔后，巷道卸压带内距孔口 79m处钻孔段极易出现垮孔，抽采队很多班次 成孔后没有及时封孔，下送封孔管困难，未达到 12 m封孔长度的设计要求。 2 水灰配比及注浆压力没有达到最佳值, 不能完全适用于王坡煤矿的煤层地质条件，需进一 步调试以确定出最佳的封孔参数。 3 煤质较软，裂隙带范围较大，封孔段设 计长度未超过裂隙带长度，致使煤壁漏气严重，钻 孔浓度难以保持在较高水平。 经过以上分析可知，提高王坡矿瓦斯抽采效果 应当从提高瓦斯排放孔的成孔率，以及改进封孔工 艺的角度出发。 3钻屑指标法确定合理的封孔长度 由于现阶段采深较大，工作面煤体在巷道采掘 影响以及地质构造应力的影响下，煤层内部产生了 大量的构造裂隙，导致瓦斯预抽钻孔钻进及封孔工 艺施工困难，并且严重影响成孔和封孔的效果，进 行封孔时，女慄封孔深度太浅，煤壁靠近巷道一侧 由于应力集中形成的塑性区深度大于封孔长度，瓦 斯抽采过程中钻孔通过塑性区的裂隙与外部空间形 成回路循环，使外部的空气进入钻孔内，大大降低 了抽采瓦斯的效率，抽采效果极差，封孔深度过大 时，又会引起施工操作的困难，并且增加许多不必 要的成本。因此合理的封孔长度对于煤层瓦斯抽采 效果起非常重要的作用，而巷道的松动圈范围是反 映钻孔周围裂隙发育的重要指标。试验工作面为 3210工作面，为准确测定掘进影响后煤壁松动圈 的范围，在3210工作面运输顺槽掘进过程中滞后 较短的范围内及时对钻屑指标进行测试。 在3210运输顺槽掘进至距开切眼250 m和 300 m处，在距离掘进工作面迎头处大约6.0 m的 实体煤壁侧分别施工2个测试孔，测试孔底直径为 55 mm,长度为12 m,垂直煤壁钻进，统计钻孑L每 钻进1.0 m的钻屑量，将统计后的数据整理成曲线 如图3所示。 抽采天数/d 总平均速匱- 图2现有封孔工艺钻孔的平均浓度随抽采时间的变化趋势 Fig. 2 Var iat io n t r end o f t h e aver age c o nc ent r at io n o f t h e bo r eh o le in t h e exis t ing h o le s ealing t ec h no lo gy wit h t h e mining t ime 由图2可以看出,王坡煤矿现所采用的安尔特 封孔工艺抽采效果并不理想。钻孔抽采初期，浓度 约在50,并随着抽采时间的增长而降低，在抽 采2个月后平均抽采浓度不足30 o经调研分析 得出致使现有封孔工艺封孔效果较差的原因。 a 1号、2号钻孔 107 2019年第3期煤炭与化工第42卷 石 ③ 、 * 醫 b 3号、4号钻孔 图3孔钻屑量和孔深关系 Fig. 3 Relat io ns h ip bet ween t h e amo u nt o f dr illing c u t t ings and t h e dept h o f t h e h o le 从测试的4个钻孔单位进尺每米钻屑量变化趋 势图可以看出，1、2号钻孔钻屑量S变化趋势相 近，3、4号钻孔钻屑量S变化趋势相近，所有钻 孔在0 8 m钻屑量总体呈上升趋势；1、2号钻孔 钻屑量S在89m开始下降，峰值在8 m, 3、4 号钻孔钻屑量S在910m开始下降，峰值在9 m,总体变化趋势符合巷道开挖后煤壁内应力分布 规律，经过以上分析可知，钻屑指标法测定的该巷 道松动圈范围为0 10 m。 本煤层钻孔封孔深度应大于松动圈裂隙的范 围，3210回风顺槽的封孔深度应大于10叫而矿 井采用抽采管长度为4 m,考虑工程实际和节约封 孔材料的因素，因此，封孔参数设计采用3根封孔 管，即封孔深度为12 m。 4径向膨胀主动承压式注浆封孔工艺 径向膨胀主动承压式注浆封孔工艺，其原理是 通过动力装置将材料压入抽采管两端堵头间的孔隙 范围，并向煤壁裂隙进行渗透。 恒达封孔材料为新型封孔材料，具有流动性 强、受水和温度等环境因素影响小等优良特征，非 常适合作为钻孔围岩破碎条件下的注浆封孔材料。 4.1封孔工艺原理 采用径向膨胀主动承压式封孔工艺，即在抽采 管两段设置挡板，使其内部形成密闭空间，然后再 利用注浆设备将新材料浆体注入所形成的密闭空间 中，待注浆材料凝固硬化后，利用其膨胀性使钻孔 与封孔管之间的空隙被充满，并且能够将钻孔附近 煤体内的裂隙、孔隙挤压密实，增强其密封性，完 成瓦斯抽采钻孔封孔。 径向膨胀主动承压式注浆封孔工艺示意如图4 所示。 a径向膨胀主动承压式封孔工艺封孔原理示意 返浆■管竽管 接头 囊袋抽采管 ・ b 封孔器注 钻孔封孔 段注浆管 b 连接管路示意 图4径向膨张主动承压式注浆封孔工艺示意 Fig. 4 Radial expans io n ac t ive pr es s u r e gr o u t ing h o le s ealing t ec h no lo gy 4.2封孔工艺工序 新型封孔材料采用径向膨胀主动承压式封孔工 艺，具体实施步骤如下。 1 管路连接，主要是将封孔器与抽采管及 注浆系统联结在一起，并固定在瓦斯预抽钻孔内合 适的位置，如图4 b 所示。 2 注浆封孔，首先用空气调节阀将风压调 至适当压力；然后向搅拌桶内倒入适量封孔材料和 水，水灰比1.1 2.0,搅拌均匀后，打开注浆泵, 排出注浆泵内的空气和水；之后将注浆管和注浆泵 联接，向封孔器囊袋内注浆，待返浆管返浆后停止 注浆；完成封孔段注浆后，将桶内剩余物料注入钻 孔孔口段。 5封孔工艺改进后效果验证 王坡煤矿3210工作面应用了最新的封孔工艺, 为了检测封孔效果，采用WGC-II型瓦斯抽采管道 气体参数测定仪，对试验钻孔封孔后的抽采瓦斯流 量和浓度等参数进行考察。 5.1平均抽采浓度 由于不同封孔工艺的抽采负压、预抽时间、煤 层瓦斯条件基本一致，因此为从宏观上掌握不同封 孔工艺大致变化情况,对2种封孔工艺当H瓦斯抽 采浓度取平均值来比较分析封孔工艺的效果，不 同封孔工艺平均抽采浓度随时间变化曲线，如图 5所示。 108 郝楠楠瓦斯顺层钻孔抽采径向膨胀主动承压注浆封孔技术研究 2019年第3期 图5不同封孔工艺平均抽采浓度变化曲线比较 Fig. 5 Cu r ve c o mpar is o n o f aver age ext r ac t io n c o nc ent r at io n c h anges in differ ent h o le s ealing pr o c es s es 从图5中可以看出，在整个观测过程120 d 中，新材料封孔平均浓度一直较高，从开始上升到 最终稳定在70左右，平均浓度超过50的天数 在91d,抽采过程中抽采38 d时抽采浓度最大 90.5；安尔特封孔初始封孔平均浓度80,随着 考察周期的增加，抽采浓度明显下降，观测末期浓 度下降到10左右，抽采浓度较高达到50以上 的时间段仅有14 d,高浓度瓦斯抽采时间很短。 5.2单孔浓度拟合趋势变化对比分析 不同封孔类型钻孔瓦斯浓度随预抽时间延长的 变化趋势如图6所示。目前试验钻孔观测最长预抽 时间近4个月，不同封孔工艺各自出现明显衰减的 时间为安尔特封孔20 30 d,恒达新材料注浆封孔 7080d,通过衰减周期的考察可以看出，新材料 封孔器封孔工艺的使用，钻孔寿命得到了大幅度的 增长。 图6不同封孔工艺单孔瓦斯浓度变化趋势 Fig. 6 Var iat io n o f gas c o nc ent r at io n in differ ent h o le s ealing pr o c es s es 6结语 通过对王坡煤矿瓦斯抽采现状进行分析和考 察，发现原封孔工艺封孔效果很差，瓦斯抽采效果 很不理想。通过钻屑法研究确定封孔长度应为12 m,在3210工作面瓦斯抽采孔设计应用恒达封孔 材料和径向膨胀主动承压式注浆封孔工艺，现场观 测表明，新材料封孔器封孔工艺的使用，单孔瓦斯 浓度和日均瓦斯浓度都得到很大的改善，取得了良 好的封孔和瓦斯抽采效果。 参考文献参考文献 [1 ] 赵学军，霍晓林，邱国良.万峰煤矿抽采钻孔封孔方法对比 试验研究[J] .煤炭技术，2018, 37 （10） 225 - 227. 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