新型封孔技术在瓦斯抽放钻孔中的应用(1).pdf

922018 年第 1 期 新型封孔技术在瓦斯抽放钻孔中的应用 孙 博 （山西焦煤集团西山煤电镇城底矿，山西 古交 030203） 摘 要 通过对原有瓦斯抽放钻孔封孔技术进行研究，发现其存在一定的技术缺陷，在对原有封孔进行技术改进之后， 提出了二次封孔技术，经过应用并对比分析发现，二次封孔技术在裂隙发育煤层中取得了良好的应用效果，具有重要推广 价值。 关键词 二次封孔 裂隙发育 抽放钻孔 中图分类号 TD712.6 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2018.01.038 Application of New Sealing Technology in Gas Drainage Borehole Sun Bo Shanxi Coking Coal Group Zhenchengdi Coal Mine of Xishan Coal electricity Group Co., Ltd，Shanxi Gujiao 030203 Abstract Based on the original gas drainage hole sealing technology research, we found that there are some technical defects, and after the technical improvement of the sealing, we put forward twice sealing technology. After comparative analysis of application, we found that the twice sealing technology has achieved good application effect in fractured coal layer, which is of important economic value. Key words twice sealing fracture drainage borehole 收稿日期 2017-09-13 作者简介 孙博（1986-），男，辽宁锦州人，2011 年毕业于安 徽理工大学，安全工程专业，现任职于西山煤电集团镇城底矿通 风科通风队，技术队长，职称通安工程师，主要从事通风安全 技术工作。 1 回采工作面概况 镇城底矿 22612 回采工作面主采 3煤，含有夹 矸 1 ～ 2 层，煤层倾角平均 12，平均厚度为 3.5m， 属于中厚煤层，分布较为稳定，埋深 476m，煤层 直接顶为泥岩，厚度 1.1m，老顶为细砂岩、粉砂岩， 厚度 10.2m，直接底为灰黑色泥岩，厚度 1.1m。该 矿井经鉴定为高瓦斯矿井，22612 巷位于 3.5m 的 3 煤层中，对 22612 巷采取抽放措施进行瓦斯抽采， 其中瓦斯基本参数如表 1 所示 表 1 22612 巷瓦斯基本参数 范围 瓦斯压力 /MPa 瓦斯含量 / m3t-1 百米钻孔瓦斯涌出量 / m3minhm-1 透气性系数 / m2MPa2d-1 瓦斯流量衰减系数 / d-1 东区0.32平均9.830.5650.04320.1236.56105.66 西 区 异常 2.08 平均 16.5 2.466.728.547.90.0010.05 正常0.0320.420.03564.4450.0240.189 此区域煤层属于近水平煤层，起伏变化情况不 大，煤质坚硬系数 f1.61，煤质较坚硬，采用本煤 层瓦斯钻孔抽放瓦斯的方法。由于煤层节理较为发 育，且施工瓦斯钻孔多布置于裂隙带及孔隙带，因 此瓦斯抽放钻孔封孔难度较高，而瓦斯通常以吸附 态形式赋存于煤体中，而瓦斯运移通道除了解吸之 外，还包括裂隙通道，常见裂隙有裂缝、节理、断 裂及割理等。因此，有必要对此难题进行深入研究 并解决。 该矿区过去的封孔工艺为从孔口处向孔内封 68m，封口材料选择聚氨酯。由于封孔深度较浅， 加之裂隙的影响，使得瓦斯能够从裂隙快速逃逸， 从而快速降低了瓦斯的抽放效果，极大地缩短了抽 放钻孔的有效使用期。 932018 年第 1 期 由于改进前的封孔技术是在封口之后立即对瓦 斯进行抽放，因此大量瓦斯被抽放出来，煤层瓦斯 压力和含量开始下降，煤层发生变形、位移等变化， 从而使得煤层透气性增加，瓦斯得到排放，形成一 系列微观裂隙以及孔隙裂隙，这些孔隙裂隙以及微 观裂隙在与大气连通之后，当采用抽放钻孔进行瓦 斯抽放时，由于负压作用，空气进入钻孔及抽放管 路，因此造成了抽放系统瓦斯浓度的降低，所以， 必须对原封孔进行改进，为此提出了二次封孔技术。 2 二次封孔技术原理与设计 2.1 二次封孔 二次封孔是在一次封孔基础之上，利用压缩空 气的压力将微细膨胀粉送入钻孔中，此时由于瓦斯 抽放系统的负压作用，细微膨胀粉会渗入到煤层周 围孔隙区域，这样就可以做到利用细微膨胀粉阻止 空气进入瓦斯抽放系统，漏风量明显减少，瓦斯抽 放浓度明显提高，延长了瓦斯抽放系统的使用时间， 提高了抽放系统的安全性。 在一次封孔阶段，由于瓦斯抽放的进行，煤层 会发生变形以及位移，导致钻孔周围煤层的孔隙裂 隙扩张和发育，外界空气容易侵入钻孔，使得瓦斯 抽采浓度不断降低。在二次封孔阶段，将与压缩空 气管相连的花管插入煤层钻孔中，并靠近一次封 孔阶段的聚氨酯封孔处，打开花管上的阀门，用 0.20.3MPa 的压力将微细膨胀粉吹入煤层钻孔内直 至充满，抽出花管，采用速凝水泥密封钻孔，如图 1 所示。 图 1 二次封孔示意图 2.2 粉料输送机 进行二次封孔需要运用粉料输送机，装置如图 2 所示。 减压阀的作用是将高压气体进行减压，利用三 通将减压后的气体分为两路，一路进入进气室，通 过倾斜底板的折射向上吹过透气帆布进入吹料室， 使粉料吹散为漂浮状态；另一路经吹料进气管及渐 缩出口高速吹出，将处于漂浮状态的粉料吹进出料 管中，最终进入钻孔。 图 2 粉料输送机结构 2.3 二次封孔效果记录 表 2 是部分试验钻孔数据记录结果，从表中可 以看出一次封孔后，在孔间距为 2m 时瓦斯浓度非 常高，说明此时效果最好；在二次封孔后，大部分 钻孔瓦斯抽放浓度较一次封孔浓度有比较明显的提 高，如表 2 所示 表 2 改进前后封孔瓦斯抽放浓度对比 孔间距 /m 孔号 一次封孔二次封孔 16-11- 18 16-11- 28 16-12- 07 16-12- 17 17-01- 17 17-01- 28 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 1.524139.2237.6433.1869.3571.3467.38 12427.348.966.5321.5632.8526.39 1.624342.8640.3736.5749.5354.8448.36 12442.213.874.298.1824.6416.36 224560.2562.9647.4273.5775.5768.75 12461.712.330.981.382.761.51 224754.5457.3547.6361.4660.4755.86 （其中 16-11-18、16-11-28、16-12-07、16-12-17、 17-01-17、17-01-28 分别为不同阶段封孔时间） 3 结论 （1）二次封孔技术在回采工作面、煤巷以及 石门见煤处等地点的应用均取得了较好的效果，瓦 斯抽放浓度得到大幅度提升，避免了瓦斯涌入工作 面等环境，给生产带来隐患。 （2）对于裂隙发育煤层，二次封孔技术具有 重要经济价值，技术可行性较高，且设计安全合理， 能够在裂隙发育煤层进行瓦斯抽放工作时进行推广 并应用此技术。 【参考书目】 ［1］ 司鹄 , 郭涛 , 李晓红 . 钻孔抽放瓦斯流固耦合 分析及数值模拟 [J]. 重庆大学学报 自然科学 （下转第 96 页） 962018 年第 1 期 版 ,2011,3411105-110. ［2］ 丁 厚 成 , 蒋 仲 安 , 韩 云 龙 . 顺 煤 层 钻 孔 抽 放 瓦 斯 数 值 模 拟 与 应 用 [J]. 北 京 科 技 大 学 学 报 ,2008,30111205-1210. ［3］ 胡 国 忠 , 王 宏 图 , 范 晓 刚 . 低 渗 透 突 出 煤 的 瓦 斯 渗 流 规 律 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,2009,28122527-2534. ［4］ 徐三民 . 确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨 [J]. 矿业安全与环保 ,1996（03）43-44. ［5］ 刘泽功 , 袁亮 , 戴广龙 , 等 . 开采煤层顶板环形裂 隙圈内走向长钻法抽放瓦斯研究 [J]. 中国工程科 学 ,2004,6（05）32-38. （上接第 93 页） 有助于刀片收拢，然后起钻。将割刀起出孔外。 3.4 其他及安全注意事项 为了满足水力式内割刀能够顺利通过冻结孔， 到达设计层位，孔内有回填的水泥塞，需要对冻结 孔进行扫孔处理。首先选择 Φ108mm 或 Φ89mm 钻头进行扫孔，通孔至割管设计位置，在通孔过程 如有轻微遇阻，可转动钻具划过，直至无阻卡现象 为止。通孔至设计位置，大排量循环洗井，将井内 杂物冲洗干净。割孔作业必须保证管内有充足的循 环水， 第一层位割孔注浆结束后， 压入定量清水 （约 4.5m）顶替水泥浆液至第二层位割孔位置，而后下 割刀进行割孔，每次割孔结束后需进行风水置换， 以保证注浆效果。 3.5 注浆材料 以水泥单液浆为主，水灰比为 0.5111，水泥 标号为 P.O 42.5。根据浆液现场测试情况可配有少 量添加剂以增加强度，控制凝结时间。对个别注浆 困难的层段，注浆前先注水玻璃预处理。 3.6 注浆压力 注浆终压暂按各割孔层位静水压力的 1.8 倍进 行计算，各层位最大注浆终压见表 1。 表 1 注浆压力与注浆深度对应表 井筒名称 注浆深度 （m） 注浆最大终压 （MPa） 孔口（泵体）压力 表读数（MPa） 二号风井 3416.21 5009.01.5 具体注浆终压应根据实际注浆效果，实时采集 相关数据进行调整，保证井壁质量不受影响。 3.7 注浆步骤 浆液制作、注浆、化验等工作均在井口注浆站 完成。注浆时，设专人观测注浆压力，注浆操作主 要步骤如下 扫孔通井→第一段高割管→第一段高管外充填 注浆→第二段高割管→第二段高注浆及二次封孔。 由于主、副及一号回风立井地质及水文地质条 件与二号回风立井相似，采用的施工设备及施工工 艺相同，在此不再重复叙述。 4 注浆效果分析 4.1 注浆量分析 二号回风立井出水侧北马头门 9 个冻结管设计 注浆量 225m，实际完成 384.46m，实际注浆量大 于设计量 159.46m（仅有少量浆液返回地面），各 孔的吸浆量均大于设计量，说明冻结管的环形空间 得到充分充填。 4.2 四井注浆前后涌水量变化及材料消耗 表 2 注浆前后涌水量变化及材料消耗 工程名称 注浆前涌水量 （m3/h） 注浆后涌水 量（m3/h） 注浆量 （m3）水泥用量 （t） 主立井16.42.81201.71107 副立井13.61.415081406.6 一号风井20.43.61465.51374.4 二号风井21.83.41735.61593.7 主、副、一号回风、二号回风立井井筒实际注 浆施工中，注浆终压、注浆量均超过了设计要求。 各孔注浆终压均大于静水压力的 1.8 倍，大于设计 值。冻结管浆液返至地面，其他孔注浆期间压力稳 步上升，割孔注浆帷幕工程中在这个压力范围内浆 液围绕环空的扩散距离达到预期效果。 5 结论 （1）采用割孔注浆技术有效治理了大海则矿 井水害，封堵了出水源头，为陕蒙地区类似地质条 件施工、水害治理提供了经验。 （2）利用原冻结孔进行割孔注浆，使地面注 浆取消了造孔工序，减少了施工时间，节省了工程 费用，保证了施工安全及井筒的正常使用。 （3）利用冻结孔割孔注浆对预定地层加固， 实现了井壁堵漏，弥补了壁间注浆的不足，达到了 较好的封水及围岩加固效果。 （4）割孔注浆较其他注浆技术，安全可靠， 不占用井筒空间，有利于井上下的平行作业