顺层预抽钻孔封孔技术优化及应用研究.pdf

2016年 第 8 期2016年 第 8 期中州煤炭总 第 248期总 第 248期 顺层预抽钻孔封孔技术优化及应用研究 孙令孙令“2,马 宏 宇马 宏 宇2,邹洋邹洋“2 1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重 庆中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重 庆400037; 2.国家煤矿安全技术工程研究中心， 重 庆国家煤矿安全技术工程研究中心， 重 庆400037 摘要煤 矿 井 下 顺 层 预 抽 钻 孔 封 孔 应 根 据 不 同 倾 角 类 型 有 针 对 性 地 采 取 优 化 措 施 。 通 过 对 平 庆 煤 矿摘要煤 矿 井 下 顺 层 预 抽 钻 孔 封 孔 应 根 据 不 同 倾 角 类 型 有 针 对 性 地 采 取 优 化 措 施 。 通 过 对 平 庆 煤 矿 封 孔 现 状 的 考 察 和 大 量 的 封 孔 优 化 对 比 实 验 ， 得 出 顺 层 预 抽 钻 孔 孔 口 免 抽 段 长 度 、 使 用 钻 屑 量 与 地 应封 孔 现 状 的 考 察 和 大 量 的 封 孔 优 化 对 比 实 验 ， 得 出 顺 层 预 抽 钻 孔 孔 口 免 抽 段 长 度 、 使 用 钻 屑 量 与 地 应 力 之 间 存 在 的 函 数 关 系 ， 确 定 了 合 理 封 孔 深 度 。从 瓦 斯 抽 采 效 果 、 经 济 性 、 操 作 难 易 程 度 综 合 考 虑 ， 对力 之 间 存 在 的 函 数 关 系 ， 确 定 了 合 理 封 孔 深 度 。从 瓦 斯 抽 采 效 果 、 经 济 性 、 操 作 难 易 程 度 综 合 考 虑 ， 对 比 分 析 得 出 不 同 类 型 倾 角 顺 层 预 抽 钻 孔 封 孔 优 化 技 术 ， 并 在 现 场 实 际 使 用 论 证 。 上 行 钻 孔 封 堵 孔 外 ，比 分 析 得 出 不 同 类 型 倾 角 顺 层 预 抽 钻 孔 封 孔 优 化 技 术 ， 并 在 现 场 实 际 使 用 论 证 。 上 行 钻 孔 封 堵 孔 外 ， 下 行 钻 孔 封 堵 孔 内 ， 近 水 平 钻 孔 封 堵 孔 内 和 孔 外 。 不 同 类 型 倾 角 顺 层 预 抽 钻 孔 封 孔 优 化 后 ， 提 高 了 抽下 行 钻 孔 封 堵 孔 内 ， 近 水 平 钻 孔 封 堵 孔 内 和 孔 外 。 不 同 类 型 倾 角 顺 层 预 抽 钻 孔 封 孔 优 化 后 ， 提 高 了 抽 采 浓 度 ， 缩 短 了 煤 层 预 抽 时 间 ， 保 障 了 煤 矿 安 全 开 采 。采 浓 度 ， 缩 短 了 煤 层 预 抽 时 间 ， 保 障 了 煤 矿 安 全 开 采 。 关键词封 孔 优 化 ； 封 孔 深 度 ； 瓦 斯 抽 采 ； 顺 层 钻 孔关键词封 孔 优 化 ； 封 孔 深 度 ； 瓦 斯 抽 采 ； 顺 层 钻 孔 中图分类号中图分类号TD712.6 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号1003-0506 2016 08-0030-04 Optimization and application research on bedding drainage drilling hole sealing technology Sun Ling,2,Ma Hongyu,2,Zou Yang1 , 2 l.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China ；； 2. National Coal Mine Safety Technology and Engineering Research Center, Chongqing 400037, China Abstract The coal mine bedding drainage borehole should be adopted according to the different angle of targeted optimization measures. Through the Pingqing Coal Mine investigation and a lot of hole sealing experiment,inspected the bedding drainage hole orifice length u no extraction arean ,using function relation between the size of drilling cuttings and ground stress,figure out the reasonable hole depth. Considering the gas extraction effect,the economy,easy opemting，comprehensive consideration，put forward different types of angle of bedding drainage drilling-hole sealing optimization technolog,and practical use-demonstration in the field.The upw-ard hole seals drill ing external,the down hole seals drilling inside,the horizontal drilling hole seals external and inside.When different types of angle of bedding drainage drilling hole after sealing optimization，gas drainage concentration has been increased，，pre-drainage time was short- ened，and coal mine safety mining has been secured. Keywords sealing optimization ；； sealing depth ；； gas extraction ；； bedding boring 〇引言〇引言 煤层瓦斯预抽是煤矿防治瓦斯的根本措施。因 此,选择合理的施工钻孔的方法， 尽可能短时间内抽 出最大量的瓦斯,成为瓦斯治理的关键[|]。其中， 钻孔的封堵情况直接影响瓦斯抽采效果， 进而影响 抽采达标时间和煤矿安全生产[2]。国内的相关研 究只针对特定煤层的特定钻孔进行封孔优化， 未考 虑倾角类型的变化对钻孔封堵的不同要求。上行钻 孔 、 下行钻孔和近水平钻孔均采用相同或类似的封 孔材料和方法， 造成材料浪费和封孔效果不理想， 进 而增加封孔作业成本和瓦斯抽采时间。 根据平庆煤矿瓦斯防治经验， 在 使 用 HD-1型 矿用封孔材料过程中， 结合该煤矿现场实际提出相 应的优化改进措施， 将水泥砂浆、 封孔器、 膨胀剂封 孔工艺的优势有机结合[3]。将煤矿井下预抽煤层 瓦斯钻孔根据倾角类型,分为上行钻孔、 下行钻孔和 近水平钻孔。同时， 还针对炮掘工作面松软煤层易 形成裂隙， 封孔后易发生串孔、 煤壁漏气等现象[3]， 通过考察其合理封孔深度和避开裂隙发育区段， 有 收稿日期2016-03-10;责任编辑 刘光雨 D0I10.19389/ki.1003-0506.2016.08.007 作者简介 孙 令 （ 1987） ， 男 ， 云南曲靖人,工程师,2010年毕业于中国矿业大学， 现从事矿井瓦斯灾害防治研究工作。 引用格式 孙 令,马宏宇， 邹洋.顺层预抽钻孔封孔技术优化及应用研究[J].中州煤炭,2016830-33,37. Sun Ling，Ma Hongyu，Zou Yang.Optimization and application research on bedding drainage drilling hole sealing technologr[J].Zhongzhou Coal，20168 30-33,37. 30 30 2016年 第 8 期2016年 第 8 期孙令， 等顺层预抽钻孔封孔技术优化及应用研究孙令， 等顺层预抽钻孔封孔技术优化及应用研究总 第 248期总 第 248期 效地解决了该矿瓦斯抽采问题。对不同类型倾角的 顺层预抽钻孔， 有针对性地选择效果最佳、 经济性最 好的封孔材料和技术工艺[4]。探索封孔深度、 孔口 免抽段长度和封孔器使用方法等， 来提高封孔质量， 为类似地质条件的矿井钻孔封孔提供借鉴和指导。 1矿井概况及封孔现状1矿井概况及封孔现状 1 . 1 平庆煤矿概况1 . 1 平庆煤矿概况 平庆煤矿为0. 3 Mt/a 瓦斯矿井， 按突出矿井管 理。目前开采C78近水平煤层， 为年轻无烟煤， 平均 煤厚3. 5 m。采取保护层开采及顺层钻孔预抽回采 区域煤层瓦斯， 顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区 域性防突措施。巷道掘进方式为炮掘， 巷道支护方 式为锚管网索支护。 1 . 2 封孔现状及存在的问题1 . 2 封孔现状及存在的问题 平庆煤矿封孔现状（ 为传统封孔工艺） 上行孔 封孔使用棉纱封堵孔口， 封孔深度6 m， 煤壁裂隙和 管缝式锚管经常漏桨， 且相邻钻孔间易串桨;下行孔 封孔在封孔管底使用马丽散封堵， 封孔深度7 m， 马 丽散膨胀后强度不足以支撑封孔材料， 桨液会流人 钻孔底部;近水平孔封孔深度7 m， 使用的水泥桨受 重力影响收缩后全封孔段上部形成漏气通道。 平庆煤矿传统封孔工艺瓦斯抽采效果较差， 特 别 是 5 6 的下行孔浓度为5 左右， 最高浓度为 39。要把瓦斯含量降至临界值以下， 预抽期较长， 正常的采掘接替将无法进行。因此， 使 用 HD-1型 矿用封孔材料在平庆煤矿做封孔优化对比实验。 2 2 HD-1型矿用封孔材料及工艺-1型矿用封孔材料及工艺 HD-1型矿用封孔材料是专门针对煤矿瓦斯抽 采封孔研发的一种新型无机复合封孔材料。该材料 的最大特点在于能够快速、 有效深人到钻孔周围煤 体裂隙中， 使材料与煤体融为一体， 并伴随发生膨胀 反应， 从而达到较好的密封效果[5]。该新型材料在 实际应用中易于搅拌、 融于水后分布均匀、 流动性 强[6]。HD-1型矿用封孔材料与普通膨胀水泥膨胀 效果对比如图1所示。 HD-1型矿用封孔材料配合封孔器使用， 钻孔内 瓦斯抽放管前后端分别使用一个封孔器， 通过注桨 管往封孔器内注桨， 注桨压力需要0.7 MPa以上。 封孔器囊袋压力达到0. 25 MPa， 爆破阀打开， 桨液 经过单向阀门流人封孔段[7]。HD-1型封孔工艺如 图 2 所示。 HD-1 水泥 HD-1 水泥 HD-1 水泥 U 初始状态15 min后30 min后 图图1 HD-1型材料与普通膨胀水泥封孔效果对比型材料与普通膨胀水泥封孔效果对比 Fig. 1 Contrast sealing effect of HD-1 materials and ordinary expansive cement 图图2 HD-1型封孔工艺示意型封孔工艺示意 Fig. 2 Sealing process of HD-1 materials 3实验方案及效果对比3实验方案及效果对比 3 . 1 实验区域瓦斯基本参数情况3 . 1 实验区域瓦斯基本参数情况 选取平庆煤矿117803准备工作面为实验区域， 该工作面地质条件较为稳定， 煤层平均倾角6， 走 向长750 m， 倾向宽200 m。自然排放法实测煤层透 气性系数为3. 726 6 m2/MPa2 *d， 钻孔瓦斯衰减系 数 0.390 9 d 1， 煤层坚固性系数为0.41。 3 . 2 实验区域合理封孔深度考察3 . 2 实验区域合理封孔深度考察 1 封孔优化实验区域平均埋深230 m， 地应力 较小， 煤巷炮掘使煤壁产生较多裂隙， 肉眼可见煤壁 松散碎裂。且采用050 mm、 长 2 m 管缝式锚杆支 护。钻孔施工及传统孔口封堵封孔过程中易与锚管 串风、 串桨。经理论分析与现场验证， 确定平庆煤矿 顺层预抽钻孔孔口“ 免抽段” 长度为2 〜 3 m。既可 节省封孔材料， 又避开煤体松动带裂隙。 2 在实验区巷道内使用风煤钻垂直煤壁施工 5 个 042mm钻孔， 每米测量钻孔钻屑量， 根据钻屑 量的变化规律及其伴随的动力现象来分析煤体内的 应力分布状态[ 8 _ 9]。钻屑量与煤体应力之间存在函 数关系如下 Ynr1 1-尝 {宇 h哿 2n 1 I 2m-1 2p-c “m [ c 9-1P] m 91 _ 1} 1 式中， S 为钻屑量为钻孔半径;〃为煤岩体的扩容 系数;e 为煤体的弹性模量;JP为煤体受的围压;M为 31 31 2016年 第 8 期2016年 第 8 期中州煤炭总 第 248期总 第 248期 2号钻孔, C试验区近水平孔 泊松比；；。 为煤的单轴抗压强度M 为 系 数 史史为 内 摩 擦 角 为 煤 的 塑 形 软 化 系 数。。 1-sin p 在同一煤层的同一地点，，参数 均为常数，，钻屑量和地应力呈正相关的关系。。式 1 可简化为s /p ,则可以通过钻屑量的变化来 确定巷道围岩应力状态，，进而可以确定合理的封孔 深度[叫。。 在实验区域中间段使用风煤钻施工5个小小42 mm平行钻孔，，孔 深14 m ,间距4 m ,测量每米钻孔 钻屑量。。对钻屑量随孔深的变化规律进行分析（（图 3①①孔深08 m段钻屑量缓慢增加,811 m段钻 屑量迅速增加，，在11〜 12 m钻屑量出现峰值，，13〜〜 14 m钻屑量逐渐减少;②;②根据沿钻孔方向的煤体应 力的变化趋势推导得出〇〇〜8 m为巷道的松动区范 围，，8 〜 10 m为应力升高区，，在11 m左右达到应力 峰值，，1 2 〜14 m应力逐渐降低;③;③合理封孔深度应 该超出松动区的范围并且要小于应力峰值距煤壁的 深度[11]。。封孔深度应在8 〜 10 m。。 图图4实验区域钻孔布置示意实验区域钻孔布置示意 Fig. 4 Drilling arrangement in experimental area 实验区域A, A5、B, 一B5、C,一C5钻孔分别按 图 5图 7 所示封孔工艺进行优化。 图图5上行孔封孔工艺优化示意上行孔封孔工艺优化示意 Fig. 5 Sealing process optimization of upward hole 图图6下行孔封孔工艺优化示意下行孔封孔工艺优化示意 Fig. 6 Sealing process optimization of downward hole 实验区域A, A5、 B, 一B5、 C,一C5钻孔在实际 封孔过程中， 均正常返浆， 无一孔存在煤壁漏浆、 串 浆等异常情况;a, a5、li一1 5、 丨 一 5 钻 孔 中 a3、 a4 串浆,b,、 b5不返浆， C3煤壁漏浆。封孔操作效果对 在 117803备用工作面， 选定运输巷为实验A 区,进行上行孔封孔实验倾角5〜10;选定回风 巷为B 区（ 倾角-5。 〜-9。 ） ， 进行下行孔封孔实验; 选定开切眼为实验C 区， 进行近水平孔封孔实验 倾角-3。 〜 3。 ） 。所有钻孔直径为75 mm， 孔间距为 4 m。实验区域钻孔布置如图4 所示。 L-2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 钻孔深度/m 图图3实验区域实验区域5个钻孔钻屑量随孔深变化规律个钻孔钻屑量随孔深变化规律 Fig. 3 Variation rule of cuttings and hole depth in experimental area of five drilling 无烟煤巷道预排瓦斯等值宽度随巷道煤壁暴露 时间满足式2[|2] 13.85x0.018 3t 10.018 3t 式中,L 为巷道预排瓦斯等值宽度;t 为巷道煤壁暴 露时间。 实验区域巷道暴露时间t 30〜 35 d， 巷道预排 瓦斯等值宽度为4. 91〜 5. 41 m。顺层钻孔合理封孔 深度应该超出巷道预排瓦斯等值宽度与瓦斯抽采半 径（ 已论证为2 m之和且不得小于8 m[1 3 ]。 因此， 结合钻屑量和预排瓦斯等值宽度， 确定平 庆煤矿合理封孔深度为8〜10 m。 3 . 3 实验方案及效果对比3 . 3 实验方案及效果对比 117S03备用工作面回风巷 E 试 验 区 下 孔 b4 b3 b2bi Bs B4 as a4 a3 a2 ai As A4A3 A2 A 试 验 区 上 行 孔 117S03备用工作面运输巷 0♦ 恒达封孔材料能缓慢渗透裂隙， 对封孔区段煤壁进行主动支护， 膨胀性填补了近水 平孔漏气通道， 单孔孔口负压上升3〜 6 kPa。 结合经济性考虑， 上行孔和下行孔封孔段使用 水泥浆即可满足抽采需求。优化后上行孔、 下行孔、 近水平孔相对于传统封孔工艺， 瓦斯抽采平均浓度 提升分别为3、 5 、 12。 比明显。 煤体松动带 煤体完整带 瓦斯抽放管 孔 口 免 抽 段 觸 ■ 器 恒 麟 蘭 料 图图7近水平孔封孔工艺优化示意近水平孔封孔工艺优化示意 Fig. 7 Sealing process optimization in near horizontal holes 实验区域所有钻孔接抽后， 保 持 24 kPa负压 已论证其合理性） ， 持续监测抽采浓度30 d[l4-l5]。 上行孔、 下行孔、 近水平孔传统封孔工艺与优化后抽 采浓度效果对比分别如图8图 10所示。 I 蠢 2016年 第 8 期2016年 第 8 期兰 波 低 浓 度 瓦 斯 氧 化 后 冷 热 电 联 供 方 法兰 波 低 浓 度 瓦 斯 氧 化 后 冷 热 电 联 供 方 法总 第 248期总 第 248期 [U ].西 安 西北大学,2004. [ 2 ] 刘 文 革 ， 韩 甲 业,赵国泉.我国矿井通风瓦斯利用潜力及经济性 分 析[J].中国煤层气，2009,66 3-8. Liu Wenge,Uan Jiave,Zhao Guoquan.Potential and economic a- nalvsis of VAM utilization in China [ J ]. China Coalbed Methane, 2009,66 3-8. [ 3 ] 理 查 德马特斯.逆流反应器矿井乏风瓦斯发电技术简介[J]. 中国煤层气，2004,12 44-46. Richard Mattus. Introduction of the VOCS1D1ZER technology in power generation utilizing VAM [ J ]. China Coalbed Methane, 2004,12 44-46. [4] S.哈瑞斯多,J.吉利斯.催化逆流反应器（CU4M1W技术及其在 中国的应用潜力[J].中国煤层气,2004,1 135-38. Uristo Sapoundjiev,Jean Gilles.CU4M1N technologr and its poten tial in China[J].China Coalbed Methane,2004,11 35-38. [ 5 ] 翁一武， 苏适.煤矿通风气中甲烷减排及发电技术[J].上海电 力 ，20056588-594. Weng Yiwu, Su Shi. Emission reduction of methane contained in coal mine ventilation gas and technology of power generation[J]. Shanghai Electric Power,20056588-594. [ 6 ] 周 娴 ， 姜 凡 ， 吕元， 等.煤矿通风瓦斯处理技术的比较和应用前 景[J].洁净煤技术，2009,15491-94. Zhou Xian，Jiang Fan，Lu Y uan，et al. Comparison and application prospects of coalmine ventilation air methane treatment technology [J].Clean Coal Technology，2009，15491-94. [ 7 ] 黄盛初， 刘 文 革 ， 赵国泉.中国煤层气开发利用现状及发展趋势 [J]■中国煤炭，200915-10. Uuang Shengchu，Liu Wenge，Zhao Guoquan.Coalbed methane de velopment and utilization in China Status and future development [J].China Coal，200915-10. [ 8 ] 桑逢云， 赵国泉■通风瓦斯利用技术比较与设备选择[J]■中国 煤层气，2010,7244-46. Sang Fengyun，Zhao Guoquan.Comparison of VAM utilization tech nology and equipments selection [ J ] . China Coalbed Methane， 2010,72 44-46. [ 9 ] 兰 波 ， 许慧娟■煤矿乏风瓦斯利用技术及应用前景[J].中州煤 炭 ，2012737-39. Lan Bo，Xu Uuijuan.Ventilation air methane utilization technolo- 上接第3 3 页） [ 9 ] 尹 光 志 ， 李 晓 泉 ， 赵 洪 宝 ， 等■钻屑量与矿山压力及瓦斯压力关 系现场实验研究[J].北京科技大学学报，2010,32 11-7. Ying Guangzhi，Li Xiaoquan，Zhao Uongbao，et al.Research on re lationship of drilling cuttings and mining pressure and gas pressure in field experiment[J].Journal of Beijing Lniversity of Science and Technology，2010,32 11-7. [1 0 ] 曹 召 丹 ， 林 柏 泉 ， 赵 世 伟 ， 等■基于钻孔影响半径的保护层卸压 效果考察[J]■中国煤炭，2012,385103-107. Cao Zhaodan，Lin Baiquan，Zhao Shiwei，et al.Study on relief effect of protective layer pressure based on borehole influencing radius [J].China Coal，2012,385103-107. gies and application prospects[J].Zhongzhou Coal，2012737- 39. [1 0 ] 郭娟彦， 蒋东翔， 赵钢■煤层气发电技术现状及我国煤层气发 电存在的问题[J].中国煤层气，2004，1239-43. Guo Juanyan，Jiang Dongxiang，Zhao Gang.CMM power generation technology and current challenges in China [ J ] . China Coalbed Methane，2004，1239-43. [1 1 ] 刘文革， 余小素■我国煤矿区煤层气发电技术及潜力分析[J]. 中国电力，2004,37417-20. Liu W ’enge，Yu Xiaosu.Power generation technology and potential analysis of coal bed methane in coal mine area in China[ J] . Elec tric Power，2004,37417-20. [1 2 ] 徐志强， 唐井峰， 宋英东■我国煤层气发电技术现状研究[J]■ 节 能技术，2011，292118-122. Xu Zhiqiang，Tang Jingfeng，Song Yingdong. Research on current CMM power generation technology in China[J].Energy Conserva tion Technology，2011，292118-122. [1 3 ] 樊金璐， 吴立新， 王春晶， 等■中国煤层气发电技术发展和应用 现状[J].洁净煤技术，2012，1811-4. Fan Jinlu，Wu Lixin，Wang Chunjing，et al.Development and appli cation status of CBM power generation technologies in China [J]. Clean Coal Technology，2012，1811-4. [1 4 ] 张存森■煤层气液化流程及技术现状[J].煤气与热力，2008,28 912-14. Zhang Cunsen. Technological process of coalbed methane liquefac tion and technical present status[J].Gas Ueat，2008,289 12-14. [1 5 ] 范庆虎， 李红艳， 尹全森， 等■低浓度煤层气液化技术及其应用 [J].天然气工业，2008,283117-120. Fang Qinghu，Li Uongyan, Yin Quansen，et al.Application of low concentration CBM liquefaction technology[J].Natural Gas Indus- try，2008,283117-120. [1 6 ] 王长元， 张 武 ， 陈久福， 等■煤矿区低浓度煤层气含氧液化工艺 技术研究[J]■矿业安全与环保，2011，3841-3. Wang Changruan，Zhang Wu，Cheng Jiufu，et al.Research on oxy gen-containing coal mining areas of low concentration CBM lique faction technology[J].Mining Safety Environmental Protection， 2011,384 1-3. [1 1 ] 胡立年， 郭 建 永 ， 严国超■封孔长度合理 性 的 研 究[J].山西煤 炭 ，2007,27246-48. Uu Linian，Guo Jianyong，Yan Guochao.Research on the rationality of hole sealing length[J].Shanxi Coal，2007,27246-48. [1 2 ] 张浩然■煤矿瓦斯抽采技术研究及应用[D ]■太原太原理工大 学 ，2011. [1 3 ] 国家安全生产监督管理总局■防治煤与瓦斯突出规定[M]北 京煤炭工业出版社，2009. [1 4 ] 周世宁， 林柏泉■煤层瓦斯赋存与流动理论[M] ■北 京 机械工 业出版社，1999. [1 5 ] 国家安全生产监督管理总局■煤矿瓦斯抽采基本指标[M]■ 北 京 煤炭工业出版社.2007. 37 37