瓦斯抽采钻孔“两堵一注”带压封孔技术及装置研究.pdf

第 3 8卷 第 2期 2 0 1 6年 4月3 5 73 5 9页 世界科技研究与发展 W ORLD SCI ． TECH R＆ D Vo 1 ． 3 8 No ． 2 Ap r ． 2 01 6 P P ． 3 5 7 3 5 9 瓦斯抽采钻孔 “ 两堵一注“ 带压 封孑 L 技术及装 置研 究 王重文连现忠 冀中能源股份有限公司邯郸陶二矿， 邯郸 0 5 6 1 0 5 摘要 针对瓦斯抽采过程 中存在瓦斯抽采浓度低、 抽采量小等问题， 提 出了“ 两堵一注” 带压封孔技术， 并根据封 孔过程 中存在的问题， 自主研制 了气动增压封孔装置。阐述了“ 两堵一注” 带压封孔技术及装置的工作原理及工艺 流程， 并进行了现场工业试验 ， 结果表明 “ 两堵一注” 带压封孔技术及装置的应用实现了封孔工艺由手动封孔向机 械化封孔转变， 能够实现在指定深度封孔 ， 提 高了封孔质量， 使单孔 瓦斯抽采负压由8 k P a提高到 1 8 k P a以上 ； 单 孔瓦斯抽采浓度由3 5 ％提高到6 5 ％以上； 单孔瓦斯抽采量由0 ． 0 4 0 ． 0 5 m ／ m i n左右提高到0 ． 1 1 m ／ m i n左右， 为 快速 实现 瓦斯抽采达标 和矿 井安全高效生产提供 了保证 。 关键词 瓦斯抽采； 两堵一注； 带压封孔技术； 封孔装置 中图分类号 T D 8 0 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 6 5 0 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 6 0 5 5 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 2 6 Re s e a r c h e s o n Pr e s s ur i z e d S e a l i ng M e t ho d o f Two Se a l i n g a nd On e Gr o ut i ng a n d S e a l i n g De v i c e o f Ga s Dr a i n a g e Bo r e ho l e W ANG Zh o ng we n LI AN Xi a nz h o ng H a n d a n T a o ’ e r M i n e ， J i z h o n g E n e r g y C o ． ， L t d ． ， H a n d a n 0 5 6 1 0 5 Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms o f t h e l o w g a s c o n t e n t a n d s ma l l d r a i n a g e a mo u n t ， t h e p r e s s u r i z e d s e a l i n g me t h o d o f” t wo s e a l i n g a n d o n e g r o u t i n g ”o f g a s d r i n a g e b o r e h o l e i s p r o p o s e d ． T h e n， t h e a i r d r i v e n s e a l i n g d e v i c e i s d e v e l o p e d i n d e - p e n d e n t l y a c c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms i n t h e p r o c e s s o f b o r e h o l e s e a l i n g ． T h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f p r e s s u r i z e d b o r e h o l e s e ali n g me t h o d o f” t wo s e a l i n g a n d o n e g r o u t i n g ” a n d s e a l i n g d e v i c e i s s t a t e d a n d u s e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b o r e h o l e s e a l i n g p r o c e s s i s c h a n g e d f r o m ma n u a l t o me c h a n i z a t i o n b y u s i n g p r e s s u riz e d b o r e h o l e s e ali n g me t h - o d o f” t w o s e a l i n g a n d o n e gro u t i n g ”a n d s e a l i n g d e v i c e ． T h e b o r e h o l e c a n b e s e a l e d a t a s p e c i fi e d d e p t h。 w h i c h i mp r o v e d t h e q u a l i t y o f s e a l e d d r a i n a g e b o r e h o l e s ． S o， t h e s i n g l e b o r e h o l e g a s d r a i n a g e p r e s s u r e i s i n c r e a s e d f r o m 8 k P a t o 1 8 k P a， t h e s i n g l e b o r e h o l e g a s c o n t e n t i s i n c r e a s e d fr o m 3 5 ％t o mo r e t h a n 6 5 ％ a n d t h e d r a i n a g e a mo u n t i s i n c r e a s e d fro m a b o u t 0 ． 0 4 ～0 ． 0 5 m ／ mi n t o a b o u t 0 ． 1 1 m ／ rai n， wh i c h p r o v i d e g u a r a n t e e f o r r a p i d i mp l e me n t a t i o n o f g a s d r a i n a g e a n d e n s u r e t h e s a f e t y a n d e f fi c i e n t p r o d u c t i o n o f mi n e ． Ke y wo r d s g a s d r a i n a g e ； t w o s e a l i n g a n d o n e g r o u t i n g； p r e s s u r i z e d b o r e h o l e s e a l i n g me t h o d； b o r e h o l e s e ali n g d e v i c e 1 引言 在我 国 能 源 消 耗 中， 煤 炭 资 源 占据 主 导 地 位 I2 ] 。随着国民经济的快速发展， 煤炭资源的需 求量 日益剧增 ， 煤炭 的开采强度也越来越大。目前 ， 我 国许多煤矿已进入深部开采 ， 深部矿井 的瓦斯治 理 问题 E t 益 突出 J 。瓦斯抽采 是矿井进行 瓦斯治 理 的重要手段之一。在瓦斯 抽采过程 中， 许多矿井 都存在瓦斯抽采浓度低 、 抽采量小 、 抽采负压达不到 要求等 问题 。究其原 因， 多数是 因为瓦斯抽采钻孔 封孔深度不合理 、 封孔质量差等造成的 。 为此 ， 本文提出 了“ 两堵一注” 封孔技术 ， 并 针 2 0 1 5 - 1 0 - 2 3 收稿， 2 0 1 5 - 1 1 - 2 0接受， 2 0 1 6 - 0 4 - 2 5网络发表 通讯作者， E m a i l l ia n x i a n z h o n g 1 0 0 0 0 1 6 3 ． c o n WW W． g l o b e s c i ． c o m 对“ 两堵一注” 封孔工艺中存在的问题研制了配套 的封孔设备 ， 在陶二煤矿进行了现场应用。 2 “ 两堵一注” 封子 L 技术及装置 2 ． 1 “ 两堵一注” 封孔工艺 “ 两堵一注” 封孔工艺采用带压注浆封孔技术 ， 用聚氨酯对封孔段两端进行封堵 ， 形成一个密闭腔 ， 然后 ， 通过压注式注浆使水泥浆在一定压力作用下 渗入孔壁裂隙， 将封孔段腔室进行全封闭封孔并形 成整体 ， 防止空气 自煤壁裂隙和从封孔管 与钻孔孔 壁间渗漏 ， 影响抽采浓度 ， 如图 1 所示。 2 ． 2 “ 两堵一注” 封孔工艺存在的问题 瓦斯抽采钻孔采用 “ 两堵一注 ” 封孔工艺封孔 时， 因钻孔地质环境复杂及受封孔管送进的影响， 经 常出现以下问题， 造成封孔不严、 漏浆、 钻孔报废等， 第 3 5 7 页 2 0 1 6 年4月 世界科技研究与发展 研究论文 位于突出危险区内， 平均煤层瓦斯含量 1 2 m ／ t 。工 作面采用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突 措施， 分别在2 2 1 7上巷下帮和 2 2 1 7下巷上帮每隔 5 m施工 1 个孑 L 深 6 0 m的钻孔。 3 ． 2 现场施工 利用文献[ 7 ] 的方法， 确定该地区封孑 L 深度为 1 2米， 为了确保封孑 L 质量， 在实际施工过程中封孔 深部不小于 1 5 m。 2 0 1 3 年 1 0 月至2 0 1 4年 8月分别在 2 2 1 7 上巷 下帮和2 2 1 7 下巷上帮共施工本煤层钻孔 1 0 0 个， 孔 深均超过 6 0 m设计孔深。其中， 2 1 一 3 O L 采用原 有“ 两堵一注” 封孑 L 工艺 ， l } } 一 2 0 、 3 1 一l O O L 采 用本文的“ 两堵一注” 带压封孔技术及气动增压封 孔装置进行封孔。 3 ． 3 应用效果分析 1 封孑 L 长度 采用原有“ 两堵一注” 封孔工艺进行封孔， 由于 受到地质条件、 封孔管送进速度、 封孑 L 材料反应时间 等因素的影响， 钻孔封孔深度 9 0 ％以上不足 1 0 m， 经常出现漏气、 封孔失败等现象而导致钻孑 L 报废。 使用气动增压封孔装置， 按照气动增压封孔技 术步骤进行钻孔封孔， 在封孔管送到指定位置后， 向 里端封堵段注聚氨酯能够达到设计位置， 保证了封 孔深度不小于 1 5 m 。聚氨酯膨胀后， 向两端封堵段 之间注水泥浆达到2 M P a 不跑浆、 漏浆， 说明两端封 堵段封堵牢固， 能够达到预期封孔效果。 2 孔 口负压与瓦斯抽采浓度 采用原有封孔工艺时， 由于大部分钻孔封孔不 到位且质量差， 漏气现象严重， 单孔孑 L 口抽采负压仅 有 8 k P a 左右， 如图4所示。单孔瓦斯抽采浓度最 大为 3 5 ％左右 ， 如图 5所示。 2 5 d 2 0 耋 s 1 0 蔫5 O ◆ _ _3 卜5 一8 * _ _1 5 *_2 0 卜2 l 斗一 2 4 2 7 ⋯⋯3 8 o一4 3 卜 一8 5 曲r 一9 2 ’ - ‘ ■ 一一一 ’■ ⋯一一 一 一⋯一’ l l l ● ●l l l l _ l ● I- l t l l l l l _ I l l I l I I l 3 5 7 9 J l I 3 l 5 l 7 l 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 考察时间／ d 图 4 部分钻孔孔 口负压变化 曲线 根据统计 。 采用新工艺施工的 9 O个钻孔在封孔 完毕、 水泥浆凝固后， 及时接人抽采系统进行抽采， 通过对各个钻孔进行 1个 月的考察 ， 9 5 ％以上的钻 孔单孔孔 口抽采负压 均在 1 8 k P a以上 ， 且 比较稳 W WW ． g l o b e s c i ． C O rn 1 2 0 鋈 8 0 蠖 、 4 0 0 1 3 5 7 9 l 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 l 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 考察时间／ d 图 5 部分 钻孔 瓦斯抽采浓度变化 曲线 定， 如图4 所示， 个别钻孔孔 口漏气， 经处理后达到 要求； 单孔瓦斯抽采浓度保持在 6 5 ％以上， 个别钻 孔峰值浓度可以达到 1 0 0 ％， 如图5 所示。 3 抽采量 采用原有封孔工艺施工的钻孔 ， 瓦斯抽采纯量 最大为 0 ． 0 40 ． 0 5 m ／ mi n左右 ； 采用新 的封孑 L 工 艺后， 钻孔的单孔瓦斯抽采量均在 0 ． 1 1 m ／ m i n以 上， 且在抽采一个月后仍能保持 0 ． 0 5 m ／ m i n ， 瓦斯 抽采效果明显 ， 如 图 6所 示。通过对 比发现采用新 工艺瓦斯抽采量得到了很大的提高。 1 3 5 7 9 l 1 l 3 l 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 考察时间／ d 图 6 部分钻孔瓦斯抽采 纯量变 化曲线 4 新封孔工艺优点 利用气动增压封孔装置注里端聚氨酯 ， 与封孔 管送进分开施工， 避免了相互影响， 大大提高了封孔 长度， 保障了里端聚氨酯封堵效果 ， 同时， 避免了钻 孑 L 复杂地质条件对聚氨酯封孑 L 的制约。 4 结论 针对矿井瓦斯抽采 过程 中存在的问题 ， 提出了 “ 两堵一注” 带压封孔技术， 并根据封孔技术存在的 问题 ， 自主研制了气动增压封孔装置， 并通过现场应 用 ， 得出以下结论 1 “ 两堵一注” 带压封孑 L 技术与气动增压封孑 L 装置配套使用， 实现了封孑 L 工艺由手动封孔向机械 封孔转变， 实现了在指定钻孑 L 深度进行封孑 L ， 提高了 封孑 L 深度和封孔质量， 避免了复杂地质条件对聚氨 酯封孔的影响。 下转第 3 7 0页 第 3 5 9 页 0 0 O 0 0 一 焉 ￡ Ⅲ ／ ．喜 摄 研究论文 世界科技研 究与发展 2 0 1 6年 4月 a n d M o n o g r a p h s i n E n g i n e e r i n g ， Wa t e r a n d E a r t h S c i e n c e s 【 c] ． 2 0 0 6 5 91 - 5 9 8 ． [ 4 ] Y U A N L ， S M I T H A C ． T h e e f f e c t o f v e n t i l a t i o n o n s p o n t ane o u s h e a t i n g o f c o a l [ J ] ． J o u rn a l of L o s s P r e v e n t i o n i n t h e P r o c e s s I n d u s t r i e s ， 2 0 1 2， 2 5 1 1 3 1 1 3 7 ． [ 5 ] 李宗翔． 高瓦斯易自然采空区瓦斯与 自燃耦合研究[ D ] ． 辽宁工 程技术大学， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 李宗翔， 吴强， 肖亚宁． 采空区瓦斯涌出与 自燃耦合关系基础研 究[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 7 1 3 8 4 2 ． [ 7 ] 胡千庭， 梁运培， 刘见中， 等． 采空区瓦斯流动规律的 C F D模拟 [ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 7 ， 3 2 7 7 1 9 - 7 2 3 ． [ 8 ] 褚廷湘， 刘春生 ， 余明高， 等． 高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤 自 燃影 响效应 [ J ] ． 采矿与安全工程 学报 ， 2 0 1 2 ， 2 9 3 4 2 1 42 8 ． [ 9 ] 余明高， 赵志军， 褚廷湘， 等． 瓦斯抽采对采空区浮煤自燃影响及 防治措施[ J ] ． 河南理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 0 5 5 0 5 -50 9 ． [ 1 O ] 周爱桃， 王凯 ， 臧杰， 等． 易自燃采空区瓦斯与火灾共治数值模 拟[ J ] ． 中国安全科学学报， 2 0 1 0 ， 2 0 8 4 9 - 5 3 ． [ 1 1 ] 杨胜强 ， 秦毅 ， 孙家伟 ， 等． 高瓦斯易 自燃煤层瓦斯与 自 燃复合 致灾机理研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 4 ， 3 9 6 1 0 9 4 1 1 0 1 ． [ 1 2 ] 王福军． 计算流体动力学分析 C F D软件原理与应用 [ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 1 3 ] 李宗翔， 衣刚， 武建国， 等． 基于“ 0 ” 型冒落及耗氧非均匀采空 区自燃分布特征[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 2 ， 3 7 3 4 8 4 4 8 9 ． 上接第 3 5 9页 2 该技术的使用使钻孔封孑 L 深度由原来的不 足 1 0 m提高到 1 5 m 以上， 注水泥浆压力达到 2 M P a 以上， 保证了两端聚氨酯封堵严密， 水泥浆渗入 孔壁裂隙， 提高瓦斯抽采钻孔的密封性。 3 该技术的使用使钻孔单孔抽采负压由8 k P a 提高到 1 8 k P a 以上； 单孔瓦斯抽采浓度由3 5 ％提高 到 6 5 ％以上； 单孔瓦斯抽采量 由0 ． 0 4 0 ． 0 5 m ／ m i n 左右提高到 0 ． 1 1 m ／ m i n左右， 抽采效果显著 提高， 为矿井的安全高效生产提供保证。 参考文献 [ 1 ] 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学及工程灾害控制 第3 7 0 页 研究[ J ] ． 煤矿支护， 2 0 0 7 ， 3 3 3 1 ． 1 4 ． [ 2 ] 王振锋， 周英， 孙玉宁， 等． 新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方法及封 堵机理[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 5 ， 4 0 3 5 8 8 - 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