突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术研究与实践.pdf

第3 8 卷第1 O 期 2 0 1 5 年 l 0月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e mi c a l I n d u s t r y V0 l _ 3 8 N o ． 1 0 O e t ． 2 01 5 突出 煤层瓦 斯抽采 钻孑 L 封孔技术研究与实 践 王金 宝 ，付京斌 ， 1 ． 冀中能源 峰峰集团有限公司，河北 邯郸0 5 6 0 0 0 ；2 ． 天津工业大学，天津 3 0 0 3 8 7 摘 要峰峰集团所属各矿普遍采用聚氨酯封孔和水泥砂浆封孔等方法进行钻孔瓦斯抽采。 但在松软岩 煤 层裂隙发育区抽采瓦斯时，存在因封孔质量差、瓦斯浓度低、预抽期长、 抽采效率低下等问题。通过优化钻孔封孔工艺，研究采用 “ 全孔下护孔筛管” 、 “ 两堵一注” 封孔技术，延长 了钻孔有效抽采时间，加快了工作面瓦斯抽采达标进程，对峰峰矿 区抽采钻 孔高效利用、瓦斯高效抽采及矿井安全生产具有重要的意义。 关键词突出煤层；瓦斯抽采；封孔新技术 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 5 1 0 0 0 6 2 0 4 Re s e a r c h a n d Pr a c t i c e o f 0u t b u r s t Co a l S e a m Ga s Ex t r a c t i o n Dr i l l i n g Ho l e S e a l i n g WANG J i n b a o ． F U J i n g b i n 工 J i z h o n g E n e r g y F e n g f e n g G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ， H a n d a n 0 5 6 0 0 C h i n “ 2 ． T i a n j i n P o l y t e c h n ic U n i v e r s i t y , T i a n j i n 3 0 0 3 8 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Mi n e s o f F e n g f e n g G r o u p mo s t l y a d o p t e d p o l y u r e t h a n e s e a l i n g h o l e a n d c e me n t mo r t a r h o l e s e a l i n g t o c o n d u c t d r i l l i n g g a s e x a c fi o n ． Wh e n e x t r a c ti n g s o f t roc k c o a 1 g a sl a y e r f r a c t u r e z o n e ， i s w i thp r o b l e m s o f s e a l i n g q u ali ty ，l o w g a s c o n c e n t r a ti o n ， l o n g p r e d r a i n i n g ti me ， l o w e x a c fi o n e ffic i e n c y ． By o p ti mi z i n g d ri l l i n g h o l e s e ali n g p r o c e s s ， f u l l h o l e wi th p rot e c t i v e h o l e s c r e e n and t w o p l u g and o n e i e e fi o n w e r e a d o p t e d t o s e a l h o l e and e x t e n d d r i l l i n g e ff e c ti v e e x a c fi o n t i me ， a c c e l e r a t e the p roc e s s o f the g as e x t r a c ti o n f a c e ，with i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e t o e ffic i e n t u s e o f d r i l l i n g e x a e ti o n ，g a s e x a c fi o n a n d the mi n e s a f e t y p r o d u c ti o n o f F e n g f e n g Mi n e ． K e y wo r d sc o a l s e a ms ； g a s e x tra c ti o n； h o l e s e a l i n g n e w t e c h n o l o g y 1 概 况 峰峰煤田煤层赋存条件复杂，是重瓦斯灾害矿 区之一 。2 0 1 4年峰峰集 团所属矿井绝对瓦斯涌 出 总量为 2 8 4 ． 7 3 mS ／ mi n ，开采煤层的瓦斯含量为 2～ 2 2 m S／ t ，瓦斯压力为 0 ． 1～1 ．5 M P a 。矿区自 1 9 7 4 年发生第一次煤与瓦斯突出以来 ，累计瓦斯突出 2 1 次，突出总煤量 2 3 2 7 t ，总瓦斯量 1 6 ． 5 万 m ， 平均煤量 1 1 1 t ／ 次 ，平均瓦斯量 7 8 5 7 m3 ／ 次。其 中 最大强度突出，抛出煤量 1 2 7 0 t ，瓦斯量 9 ．3万 m 3 。随着矿井生产水平的延深，瓦斯涌出量和突出 危险I生 不断增大，集团公司的主力矿井基本上全部 升级为高、突矿井 ，瓦斯 问题 已成为制约安全高效 矿井建设和可持续发展的突出问题。 峰峰矿区传统的封孑 L 工艺是钻孔施工到位后 ， 从孔口向孑 乙 内下入 3～1 0 m的寸半或 2 寸套管和 1 根 2 m长 的 4分注浆管 ，然后采用聚氨酯在孔 口 封堵 0 ． 5～l i n ，最后采用注浆泵从注浆管 向孔 内 注入水泥浆，直到 2寸套管返浆为止即封孑 L 完毕。 但是，随着矿井采区逐步向深部延伸 ， 受地质条件 越来越复杂、煤层松软、破碎带、断层构造等原因 影响，传统封孔工艺已不适用峰峰矿区，尤其是突 出矿井的地质条件和瓦斯治理需求，封孔后钻孔瓦 斯浓度很低，严重影响瓦斯抽采效果，采掘工作面 瓦斯抽采达标耗时长。因此 ，迫切需要改进封孔工 艺来提高抽采效果 。 收稿 日 期 2 0 1 5 0 6 0 2 ；责任编辑任伟 作者简介王金宝 1 9 8 3 -- ，男，河北兴隆人，通风工程师。E m a i l 1 3 7 2 2 6 9 3 6 0 9 1 2 6 ．t o m 引用格式 王金宝 ， 付京斌． 突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术研究与实蹦 J ] ． 煤炭与化工，2 0 1 5 ，3 8 1 0 6 2 6 5 62 2 0 1 5 年第1 0 期 煤炭与化工 第3 8 卷 连接确保牢固、紧密。待 5 根花管下人后 ，在第 1 根和第 2 根实管之间套入 1 ．5 mX 1 ．3 m专用封孑 L 布袋 封孔布袋口需使用铁丝或胶带固定牢固 ， 并从注料 口下人封孔布袋内 西 2 5 m m铝塑管 下斜 孑 L ，铝塑管插入袋子外端 ，外端延伸至孔 口能与 注料筒连接； ③其次，在第 5 根和第 6 根实管之间 再下入 1 根 西 2 5 m i ll 铝塑管 使用胶带固定牢固 ， 外端延伸至孑 L 口能与注料筒连接；④然后 ，在第 9 根实管中间下入 1 根铝塑管 使用胶带固定牢固 ， 外端延伸至孔口，用作置换空气；⑤最后，在第 1 0 根实管接箍处套人 1 ．5 I n 西1 - 3 m专用封孔布袋 ， 并从注料口下入封孑 L 布袋内 西2 5 in ／ n 铝塑管，外端 延伸至孑 L 口能与注料筒连接；如图4 所示。 实验效果 封孔后初始抽采浓度在 8 0 ％ ～ 1 0 0％ ，经过 3 0 d的抽采 ，浓度仍然保持 5 5 ％ ～ 7 5 ％， 孔口 抽采负压始终保持在 1 3 ～1 6 k P a 。随着顺 层钻孔施工数量增加，抽采量也随之增加，表 1 为 8 2 6 3 刮板输送机槽主抽采管路瓦斯抽采情况统计。 表 1 8 2 6 3刮板输送机槽瓦斯抽采浓度 一 原封孔工艺 一 “ 两堵一注”封孔工艺 8 3 一 ． 、 z L ‘ 0 ■‘ l n 、 、 、 3 2 J O _ J 抽采时间 ， d 图 5 抽采浓度对比曲线 从图中可 以看 出， “ 两堵一注”封孔工艺较原 封孔工艺干管瓦斯浓度高、持续时间长。钻孔施工 完毕 4 0 d ，2种封孔工艺抽采纯量均达到最大 值，但 “ 两堵一注”封孔工艺是原封孔工艺的 2 ．5 倍，且抽采纯量可以长时间保持在高值状态，百孔 抽采纯量最大可达到 1 ． 3 8 m T m i n 。 ／． 、 婴 1爿 ∈ 幂 原封孔工 一 “ 两堵一注”封孔工艺 ／ ， 、 、 ＼ ， 、 ＼ L 一 ／ ／ |． -一 一 ， 一 抽采时 I司， d 图6 抽采纯量对比曲线 2 ． 3 新屯矿 1 4 2 6 0工作面穿层钻孔预抽实例 新屯矿 1 4 2 6 0 工作面为突出煤层工作面，北部 为 F c 断层及 1 4 2 6 2 轻放工作面采空区；西南部为 一 3 0 0 m水平大巷保护煤柱和佛店保护煤柱；南部 为 F b断层。本地区无可采保护层。地面平均标高 为 1 7 5 m，工作面标高为 一 3 0 0 一 _ 4 1 0 m。煤层倾 角为 6 。～1 2 。，工作面煤层结构简单，含两层夹 石。工作面长度 7 0 m，推进长度 5 4 6 m，煤厚平均 5 ．5 m，实测煤层原始瓦斯含量最大值为 7 ．4 2 m 3 ／ t ， 储量 2 5 ．4 万 t 。为提高工作面瓦斯治理效果，设计 在工作面煤层底板 1 5 m左右布置一条瓦斯抽采巷， 采用施工穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯区域防突措 施，如图 7 所示。 图 7 新屯矿 1 4 2 6 0 工作 面穿层钻孔预抽 示意 为缩短预抽钻孔的封孔时间、简化封孔工艺和 保证封孔质量 ， 新屯矿引进了 “ 囊袋式封孔材料” 。 该材料可直接与封孑 L 段瓦斯抽采管路捆绑，配套风 动注浆泵快速搅拌水泥砂浆，水泥砂浆通过 P V C 材质的注浆管首先注入 2 个囊袋；待囊袋先膨胀达 到封堵目的并触发爆破阀时，水泥砂浆开始进入囊 袋中间的瓦斯抽采管路与孔壁产生的空间，继续注 浆使注浆压力达到2 M P a 以上，即可结束封孔；之 后用水泥或黄泥将孔口处抹平，水泥砂浆凝固 2 4 h 后与抽采管路搭茬进行瓦斯抽采。在 1 4 2 6 0 底板抽 采巷按照相同的封孑 L 长度和封孔深度 ，用传统的 “ 聚氨酯封孔 口 水泥浆封孔”和 “ 囊袋式封孔材 料 水泥浆带压封孔 ”2种方法进行了现场 比较 。 技术人员对现场封孔过程 中的封孔时间、材料用量 和钻孔封孔参数进行了统计 ，见表 2 。 ∞ 阳∞∞ ∞∞ m O 堡 爨 器 王金宝等突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术研究与实践 2 0 1 5 年第 1 0期 通过对比分析，可以看出囊袋式封孔时间约 为 2 O～2 3 mi n ，材料用量 2 3 k g ，聚氨酯封孔所需 时间约为 5 0 m i n ，材料用量 4 0 k g 。囊袋式封孔操 作简单，带压封孔时孔 口 管安装容易，避免了固定 孔口管里端时因聚氨酯凝固时间控制不好易导致封 不到位的问题 ，而且使用的封孔材料仅是传统封孑 L 消耗材料量的 1 ／ 2 ，平均单孔封孔耗时也缩短 1 ／2 左右，极大地方便了井下工人材料运输，有效降低 了工人的劳动强度。此外，由于注浆泵在注浆时利 用囊袋 的膨胀封闭作用持续高压挤出水泥砂浆 中的 水分，加快了封孔材料的凝固，封孔段孔壁裂隙也 得到了有效封堵。 钻孑 L 孔 口负压在 1 5 ～ 2 3 k P a ，经过 5 0 d的现 场抽采浓度观测， 在钻孔封孔初期 ， 无论采用哪种 表 2两种封孔方式相关数据统计 封孔方式，在保证软连接钢丝带接口处不漏气时瓦 斯抽采浓度均达到 3 0 ％以上的规定要求 ；传统封 孔效果较差，最高瓦斯抽采浓度为3 5 ％，且有 2 个 钻孔抽采浓度在一段时间内为 0 ，5 0 d 后平均瓦斯 抽采浓度仅为 1 1 ．6 ％；这是由于聚氨酯 水泥砂浆 封孔材料后期干裂、收缩变形后会形成裂隙，且中 间段封孔材料不够致密，瓦斯抽采浓度很快 不 到 1 个月 就已降至 1 0 ％以下，第 5 0 d 时平均浓 度仅为 5 ％左右，继续抽采效果已不明显。而囊袋 式封孔时最高瓦斯抽采浓度达到 6 7 ％，最低也在 2 0 ％左右，5 0 d 后平均瓦斯抽采浓度仍保持在 3 0 ％ 以上；这是由于囊袋封孔在高压下其表面能与钻孔 壁面很好的接触，有利于封孔材料水分的保持，且 中间段封孔材料较致密，瓦斯抽采浓度下降较为缓 慢，钻孔的瓦斯抽采时间得到延长。 在 1 4 2 6 0 瓦斯抽采巷施工穿层钻孔预抽区段煤 层瓦斯区域防突措施时，推行了 “ 囊袋式封孔材料 水泥砂浆”快速封孔工艺。在 1 4 2 6 0 刮板输送机 槽、运料巷掘进前，对预抽区域进行了区域防突措 施效果检验，检验期间未出现明显的喷孔、顶钻等 瓦斯动力现象 ，实测的残余瓦斯含量为 4 ．2 9～ 5 ．7 5 m 。掘进期间区域验证时钻屑解析值指标最 大值为 1 4 0 P a ，钻屑量最大值为 2 ．8 k 咖 ，且回风 瓦斯浓度一直保持在 0 ． 3 3 ％以下，实现了掘进工作 面抽采效果达标。 2 应用 “ 两堵一注”封孔工艺封孔效果较 好，同等条件下与传统工艺封孔相比，钻孔抽采瓦 斯浓度下降较缓慢 ， 抽采 4 0 5 0 d 后平均抽采浓 度可达传统封孔的 2 ．5～3 倍，且平均浓度仍保持 在 3 0 ％以上，石门揭煤工作面抽采时间由原先的 7 2 d 缩短至 3 0 d ，揭煤作业工期由原先的 5～6 个 月缩短至 2～3 个月；经过预抽的采掘工作面回风 瓦斯浓度也有大幅度下降，由原先的 0 ．5 ％ ～0 ． 6 ％ 下降至 O ．2 ％～O ．3 ％，避免了瓦斯超限事故影响采 掘作业 ，为进一步提高防治煤与瓦斯突出能力和瓦 斯抽采效果提供了可靠手段。 3 采用囊袋式封孔装置封孔与传统聚氨酯 封孔相比，封孔工艺简单，单孔封孔过程耗时短、 用料省，提高了封孔效率 ， 节约了封孔村料 ，降低 了工人材料运输劳动强度，有很大的社会经济效 益。采用 “ 两堵一注”封孔新技术后 ，通顺公司 0 2 1 7 1 0工作面 、新屯矿 1 4 2 6 0工作面 、羊东矿 8 2 6 3工作面、九龙矿 1 5 2 3 5工作面和大淑村矿 1 7 2 1 0 3 工作面的采掘接替平均提前 2 个半月 ，合 计增加煤炭产量 7 8 ． 6 万 t ，经济效益显著。 参考文献 【 1 】 【 2】 3 结 论 【 0 】 1 扩孔筛管解决了地质条件复杂特别是煤 【 4 】 层松软、破碎带 、断层构造带施工钻孔时容易发生 塌孔的问题，既保证了钻孔孔壁的完整稳定 ，又提 【 】 供了瓦斯抽采通道 ，不影响瓦斯溢出。 袁亮． 松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术【 M】 ． 北京煤 炭工业出版杜 ， 2 0 1 4 ． 丁守垠 ， 李德参． 煤层抽采钻孔合理封孔深度的确定【 J ] ． 淮 南 职业技术学 院学报 ，2 0 0 9 1 4 6 ． 王兆峰，武炜． 煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析【 J 】 ． 煤炭科学技术，2 0 1 4 ，4 2 6 3 1 3 4 高振勇，张志刚，尹斌． 提高聚氨酯封孔质量的研究【 J ] ． 矿业安全与环保，2 0 0 9 s 1 3 7 3 8 ．4 1 ． 张铁钢． 矿井瓦斯综合治理技术【 M】 ． 北京煤炭工业出版 杜 ，2 0 I 1 ． 6 5