瓦斯抽采钻孔封孔成套技术及应用研究.pdf

第4 9 卷 第4 期 煤炭工程 C OAL E NGI N EE RI NG Vo 1 ．4 9， No ． 4 d oi 1 0． 1 1 7 9 9 ／c e 2 01 7 04 01 1 瓦斯抽采钻孔封孔成套 技术及应 用研 究 刘延保 1 ．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 ，重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 7 摘要 针对 目前瓦斯抽采钻孔存在的封孔质量问题 ，提 出了以新型无机封孔材料、封孔器 为一体的瓦斯抽采钻孔封孔成套技 术，进 一步发展 完善 了 “ 两堵一注” 带压 注浆封孔工 艺。该 成套技术在保德煤矿进行 了现场试验应用。在 1 0 0 d的考察期 内试验 钻孔组平均浓度达到 了 8 0 ％ 以上 ，有效解决了保德煤矿存在封孔质量不足的问题 ，为保德煤矿下一步瓦斯抽采钻孔封孔工艺 的选择确定提供数据参考及建议。 关键词 瓦斯抽采 封孔工艺；封孔质量 ；成套技术 中图分类号T D 7 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 7 0 4 0 0 3 2 0 4 Te c h no l o g i c a l s e t o f g a s d r a i na g e dr i l l i ng h o l e s e ali n g a nd i t s a pp l i c a t i o n LI U Ya nb a o ， 1 ． N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f G a s D i s a s t e r D e t e c t i o n ，P r e v e n t i o n a n d E m e r g e n c y C o n t r o l ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7，C h i n a ； 2 ． C h i n a C o al S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g G r o u p C h o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s e a l i n g q u al i t y o f g a s d r a i n a g e d r i l l i n g h o l e i s o n e o f t h e m a j o r f c t 0 r s f o r g a s d r a i n a g e e f f e c t ．A i m i n g a t t h e p r o b l e ms o f g a s d r a i n a g e s e ali n g q u a l i t y ，a h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g i c a l s e t w i t h n o v e l i n o r g a n i c s e a l i n g ma t e r i a l a n d h o l e s e ali n g i mp l e me n t Was p r o p o s e d，wh i c h p e r f e c t e d t h e p r e s s u ri z e d g r o u t i n g h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y o f“ t w o s e a l i n g a n d o n e g r o u t i n g ”．T h e t e c h n o l o gy W as t e s t e d i n t h e B a o d e C o al Mi n e ， a n d t h e a v e r a g e g a s c o n c e n t r a t i o n o f t e s t d ril l i n g gro u p w a s o v e r 8 0 ％ i n t h e l O 0 d a y s i n s p e c t i o n p e r i o d，t h e p r o b l e m c a u s e d b y p o o r q u a l i t y h o l e s e ali n g wa s e ff e c t i v e l y s o l v e d ．An d i t p r o v i d e d t h e d a t a r e f e r e n c e a n d s u g g e s t i o n for t h e s e l e c t i o n o f g a s d r a i n a g e h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y i n B a o d e Co a l Mi n e ． Ke y wo r d s g a s d r a i n a g e ； s e a l i n g t e c h n o l o g y； s e ali n g q u ali t y；t e c h n o l o g i c a l s e t 瓦斯抽采是防治矿井瓦斯灾害事故的根本措施和主要 途径⋯ ，但是我国煤矿瓦斯抽采效果并不理想 ，据统计约 有 6 5 ％的回采工作面瓦斯抽采浓度低于 3 0 ％以下_ 2 ] ，究其 原因一方面是受煤层地质赋存条件及煤层渗透率等 自然因 素制约；另一发面是受抽采钻孔封孔质量的影响。因此， 提高抽采钻孔的封孔质量是改善抽采效果最直接 、经济、 高效的技术途径。 目前，煤矿常用的瓦斯抽采钻孔封孔方式主要有机 械式封孔、高分 子聚 合材 料封 孔、无 机 化学 材料 封孔 等| 3 。 ] 。机械式封孑 L 是利用封孔器与钻孔孔壁的摩擦或粘接 进行简易的密封，其操作简单、可重复使用，但封孔深度 较浅而且对于裂隙较发育钻孔封孔试验效果较差，通常只 3 2 作为Jn ,- t 抽放钻孔使用。高分子聚合材料封孔形式多样， 可适用于单段、多段、“ 两堵一注”等多种工艺．该材料具 有膨胀性高、质量轻、硬化快的特点，但由于其不能有效 的进入钻孔周围的裂隙且无法阻挡钻孑 L 的蠕变和裂隙通道 的形成 J ，容易导致钻孔瓦斯浓度衰减较快。无机化学材 料 封孔 以水泥砂浆为 主 ，具有 价格低 廉 、取材方便 的优 点 ． 但对于近水平或缓倾斜煤层并不适用 ．主要是因为水泥砂 浆凝固时容易在钻孔顶部形成月牙形孔隙而形成漏气通道。 为了解 决 目前封孑 L 存在 的 问题 。本 文在 吸收 几种 封孔 方式 优点的基础上 ，提 出了 以新 型无 机封 孔材 料 ，封 孔器 为一 体的 “ 两堵一注”带压注浆封孔成套工艺技术 ，并在现场 开展 了试验应用研究 。 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 1 3 基金项目“ 十三五”国家科技重大专项 2 0 1 6 Z X 0 5 0 6 7 0 0 4 0 0 4 ，2 0 1 6 Z X 0 5 043 0 0 5 0 0 3 ；国家 自然科学 基金项 目 5 1 5 7 4 2 8 0 ；重庆市基础科学与前沿技术研究专项 c s t c 2 0 1 5 j e y j B X 0 0 7 6 作者简介刘延保 1 9 8 1 一 ，男 ，山东淄博人 ，博士，副研究员，主要从事煤岩瓦斯动力灾害及煤层气开发方 向的研 究 ，E ma i l y a n b a o l i u 1 6 3 ． e o m。 引用格式刘延保．瓦斯抽采钻孔封孔成套技术及应用研究 『 J ] ．煤炭工程，2 0 1 7 ，4 9 4 3 2 3 5 ． 2 0 1 7 年第4 期 煤炭 工 程 1 “ 两堵 一注 ” 带 压注 浆封 孑 L 工 艺 1 ． I 技 术 原理 煤 层开采过 程I f 1 ’⋯ j 受地 应 力作用掘 进 _挂道 煤岩体 发十变彤甚 至破胖 彤 成松动 ．在松 动罔 范 内裂 隙发育 抽 采钻孑 L 的施 I ． j 受到扰 动影 响 ．进 ⋯步 破坏原有 的应 力平 衡 ， 钻孔 怙 J 会 肜成 大 量的 裂隙 “ ， 是这些 裂隙 的存 j { 一j 松 动阁范 罔 的微小 裂隙贯 通构 成 漏气通道 随 着时 『 日 j 摊移 ，钻孔还 会受 到 采掘影 响 ，发 q 蠕变变彤 。裂 隙持续 发育 毫达到新的应 力平衡 通过 对仆下瓦斯抽 果系统 的分析 ．造 成原 始兀 斯抽 采 浓度降 低或 者衰减 较伙 的 { 三 崾足外 界空气 在抽 采 负．『 { i 的作川下 ．通过 巷道松 动 J 乏 钻孔 的煤体 裂 隙和抽 采 后期持续 发育的裂隙 构成 的漏 气通道进 入抽 采 系统 ．从I 怖释抽采 丸斯 。 。 1 2 j 、I 此 ．提 岛埘 扎质 赶的芙 键址 埘钻 孔 周 裂隙的封堵 ，同时 要求封堵 材 料能 够 主动 给 史撑 以 5 } l 止钻孔 裂隙 的持续 发育 “ 曲堵 一 注” 带压沌浆封孔 I 即址利川注浆设 备将 封孔 浆液 材料带 压注 入抽 采钻孔 裂隙 r { 1 ， 封 堵 裂隙 的MI I 、r ，达到 对钻孔 周 煤 体 施J J l 】 动 支护 的 } ] 的．最终 保障抽 果效果 1 ． 2 工 艺 流 程 “ 阴堵0 带 K ,5 浆 封孔址利} I J 封孑 L 器对封孔段 I烛 j 端 逃 蚶堵以形成 一个 十 I j 埘密 闭 的空 『日 ] ．然 利 刑 浆没 备 以 定汴浆J 力向密 闭 人 仃膨胀 性的 无机封 孔 村 料浆体 ，待浆休 材料 ‘ 效渗 人刮煤 体 裂隙后膨 胀硬 化 ，| 芒 成封 孔。 r艺流程如 1 所爪 “ 堵一 注”封孑 L l_ l 成功 的关键是注浆段两端 的封堵 f 1 】 埘 孔材 料能 甭有效 封堵 钻孔 裂隙以提供主动的 支撑 竹 _ 川 、 } i 浆 l狮 注浆』 _ 2封孔 材料及 装 备 基于 “ 两堵 一 ” 带 注浆封 孑 L I 艺的 技术 删 ，{ 1 煤科 I 集 冈重庆研究院钉 限公 司研 制 _ r H DI型 尤机封 孔 材料和 F K J W 型矿川 注浆 封孔 器 ．并形 成 与之 套的 “ 两 堵一汪” 带压注浆封孔成套技l术 2 ． 1 H D I 型 无机封 孔 材料 封孑 L 材料是 “ 两堵一 注” 带压 注浆封孔 一 T 岂f { 1 至关 承 要的部分 ．针对水泥砂浆凝 时易收缩 且流动性 筹的川题 ， 研发了 H D I 型 九机埘 孔材料 ．并 通过 _r相|火标 准规范 的 检验。测试结果丧 叫 ，l i d I型封孑 L 材料 具有 良好 的流 动 性 、膨胀性 、阻燃悱 及抗静 电性 ．满足 瓦斯于 1 采钻 孔封 孑 L 材料的强度 、膨胀性 、 封性等性能要求 。 H D I 无机 封孔 材 料 良好 的 流动 性 使其 能 够快 速 、 仃效渗入 到钻孑 L 刷 例煤 体 裂隙 中 ．并伴 随 发生 膨 胀 反应 ， I 1 ． 膨胀后 的封孔 材料 小会变形 收缩 ，使封孔 材 料能够继 续 向钻孑 L 周同缝 隙渗 透流 动 ，最终 封孔 材料 j 煤 体完 全 结合，构成一个骼体 ，达到封堵钻孔微小裂隙的理想密封 效 果 2 ． 2 F Kl W 型 矿用 注浆封 孔 器 目前 ．煤 矿采川的 “ 两堵 一沣” 封孔 普遍 采j H 高 分 了聚合材 料 聚氨 酯 作为封孑 L 段 两端 的挡板 ，虽 然聚 氨 酯具 有较好 的膨胀 性 和渗透 性 ．但是抗 压能 力低 ，膨 胀 方 向 确 定 ．容易 蹦 漏浆通 道进 无 法实现 带 注浆 ，成 功 率卡 丌 对较 低。瞧 袋』 埘 孔 器 临 时封孔 时 良好 的支撑作 不 1 J 密 闭效 果 ．将 干 1 为 “ 两堵一 注” 封孑 L I 艺封孔 段 两 端 的挡 板 ．不仅 可 以简 化操 作程 序 ，还能 够充 分 j 煤 结 合，实现带乐注浆 、 此，任综合分析囊袋封孔器结构特 点 和 l i D I型无机 封孔 材料 特性 的基 础 I ．研 发 r F I QW 矿川 注浆 封孔 、 结构 如『囊 1 2所 ，主要 I h偏心 橡胶 圈 、封孑 L 囊袋 、快接接 头 、单向爆破 阀 、注浆 管 、返浆 管 、 瓦斯抽采管等构 成。F K J w 矿川注浆封 孔器 技 术指标 表 1 i 浆采H D l L 封扎材 料 图 2 F K J W 型矿用注浆封子 L 器结构示意图 图 l “ 两堵一注” 带压注 浆封 孔工 艺流程图 陔 1 的特点是 炬服 r机 械 _ t ／ Y t 、高分子发 池 聚合 材料封孔 等 I 仔在的 小能 ’ 效埘孔 钻予 L 怙 】 同裂隙的 弊端 ． 从抽 采源 I 根本解决 j ’ 抽 采凡斯浓 度低 秆 】 衰减快的 M题 ． 仃效 延 K了抽 采时 ，捉【 岛 r几斯 采半 表 1 F KJ W 型矿用注浆封孔器主要技术指标 煤炭工程 2 0 1 7年第4 期 F K J W型矿用注浆封孔器工作原理 利用注浆泵等设备 向注浆管内注入封孔材料浆体 。当注浆压力达到一定压力 时．封孔囊袋内单向爆破阀打开，浆体开始注入封孔器囊 袋 ；封孔器囊袋的体积和囊袋 内浆体压力不断增大，囊袋 与孔壁紧密结合 ，当囊袋内压力达到一定压力时，封孔囊 袋外单向爆破阀打开，浆体不断进入两个囊袋之间的密闭 空间；当浆体将密闭空间注满时，返浆管开始返浆 ；将返 浆管对折或在端部安装压力表，继续注浆到预定的压力并 保持一定时间，注浆完成。 3 现场应用及效果考察 采用研发的瓦斯抽采钻孔封孔成套技术在神华神东煤 炭集团公司保德煤矿开展了现场应用试验。保德煤矿属高 瓦斯矿井。年产量 8 Mt ，现主采 8 煤层。根据 2 0 1 2年 山 西省煤矿矿井瓦斯等级鉴定报告 ，8 煤层瓦斯绝对涌出量 1 2 9 ． 0 3 m ／ mi n ．相对瓦斯涌出量 1 1 ． 2 m’ ／ t ，煤层透气性 系 数 0 ． 1 7 0 ． 8 m ／ M P a d ，钻 孔瓦 斯 流量 衰减 系数 0 ． 1 3 1 0 ． 0 3 4 5 d ～。属可抽采煤层。 目前 。该矿主要采用高分子聚合材料 聚氨酯 配合棉 纱等材料封孔。现场调研表明，聚氨酯材料在反应过程中 发热大 。凝固后 自身强度较低 ，且遇水易收缩，与煤体 的 结合强度差。造成封孑 L 质量参差不齐，瓦斯抽采浓度偏低。 例如。8 1 5 0 6一号回风平巷预抽瓦斯平均浓度仅为 2 0 ％一 4 0 ％ 。 3 ． 1试验 方案 试验地点选择在 8 1 5 0 6一号回风平巷。煤层底板标高 5 9 5 6 2 5 m。工作面设计为 2 4 0 m，试验钻孔布置如图 3所 示。试验钻孔封孔数量为 2 0个 ，钻孔孔径为 9 4 m m，钻孔 深度 2 2 0 m左右．钻孔倾角 3 。 一 5 。 ，钻孔间距 5 m。 圈 3 8 l 5 o 6一号 回风平巷试 验钻 孔区域图 为了更好地优化封孔技术，采用 了三种不 同的封孔方 式进行对 比试验。其中，1 0个钻孔采用新型无机材料与封 孔器 “ 两堵一注”封孔，5个钻孔采用水泥砂浆与聚氨酯 “ 两堵一注”封孔．5 个钻孔采用 自胀式封孔器封孔。三种 封孔方式均采用孔径 5 0 ra m抽采管，具体封孔参数见表 2 。 3 ． 2 试验效果分析 根据生产现场实际情况 。试验重点考察了 3 0 d内全部 试验钻孔的浓度变化以及 “ 两堵一注”带压封孔 1 0 0 d内的 浓度流量变化。在抽采前期 3 0 d内，抽采负压均在 3 0 k P a 左右 ，试验组钻孔瓦斯抽采浓度对比见表 3 ，平均瓦斯浓度 3 4 对 比如 图 4所示 。 表 2 不 同封孔工艺封孔参数表 表 3 试验组瓦斯抽采钻孔浓度对E 匕 表 封孔工艺 最 高浓度／ ％ 最低浓度／ ％ 平均浓度／ ％ 接抽时间／ d 图 4 各试验组瓦斯抽采钻孔平均浓度对比图 通过试验数据 分析 表 明 ，三种 封孑 L 方式 均较 现有 的钻 孔平均浓度有一定提升 ，聚氨酯 “ 两堵一注”和 自胀式封 孔器的平均浓度相近，分别为 5 5 ． 6 ％和 5 6 ． 6 ％，而 “ 两堵 一 注”带压注浆的钻孔平均浓度最高，达到了8 3 ． 5 8 ％。另 外，采用聚氨酯 “ 两堵一注”和 自胀式封孑 L 器封的钻孔平 均浓度变化波动较大 ，试验钻孔浓度参差不齐，高浓度钻 孑 L 与低浓度钻孔相差十分悬殊；而 “ 两堵一注”带压注浆 的钻孔平均浓度变化小 ，未出现明显衰减特征，钻孔最高 浓度差在 3 o ％以内 。 为了进一步分析，对初期效果较好的 “ 两堵一注”带压 注浆钻孔组进行持续考察。其浓度变化如图 5所示。可见在 1 0 0 d的接抽期内。各钻孔浓度仍未出现明显衰减，钻孔平均 浓度达到了8 0 ％以上。该组钻孔接入的独立支管纯瓦斯流量 o l o 2 0 3 0 4 O 5 O 6 0 7 0 8 O 9 0 1 O 0 接抽时间／d 图 5 “ 两堵一注”带压注浆各钻孔 1 0 0 d浓度变化 蠼 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 蚰 艇擦 2 0 1 7 年第4期 煤炭工程 初期 为 0 ． 3 3 4 m ／ m i n ，1 0 0 d后仍 可达 到 0 ． 3 1 4 m ／ m i n ，有 效 保证了抽采效果。 综合 以上分析结果 表 明，以 H DI型无机 封孔 材料 和 F K J W型矿用注浆封孔器为一体的 “ 两堵一注”带压封孔 成套技术。有效提高了封孔质量，为保德煤矿下一步瓦斯 抽采钻孔封孔工艺的选择确定提供数据参考及建议。 4结论 1 基于 “ 两堵一注”带压注浆封孔工艺的技术原理， 研发了以 H D-I 型无机封孑 L 材料和 F w 型矿用注浆封孔 器为一体的瓦斯抽采钻孔封孔成套技术。该技术具有使用 简便 、效果明显和适用范围广等优势。 2 该成套技术现场试验表 明 。采用“ 两堵 一注”带 压 注浆封孑 L 工艺的钻孔瓦斯抽采浓度明显高于采用其他封孔 工艺的钻孔．在 1 0 0 d的考察期内试验钻孔组平均浓度达到 了 8 0 ％以上．有效提高了封孔质量 ，为保德煤矿下一步瓦 斯抽采钻孔封孔工艺的选择确定提供数据参考及建议。 3 工程应用实践表明，瓦斯抽采钻孔封孔成套技术可 较好地应用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔的封孔，具有显著的 工程价值和经济效益。 参 考文献 [ 1 ] 林柏泉． 矿井瓦斯防治理论与技术 [ M] ． 徐州中国矿业 大学出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] 翟成 ，向贤伟 ，余旭 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压 力峰值位置距离工作面约 1 0 m。 3 二次采动期间，1 2 2 0 2回风巷最优支护方案为采 用 D W2 8 4 0 0 ／ 1 1 0型、D W2 5 4 0 0 ／ 1 1 0型两种单体支护 ， 单体排距 0 ． 6 m，每排 6根 ，超前 支护距 离 3 0 m。通过采 取 退锚和强制放顶措施，1 2 2 0 2回风巷和工作面机尾段矿压显 现明显改善 通过调整 1 2 0 支架至机尾段支架安全 阀开启 压力，机尾段架前漏矸明显减少。 4 实践表明一次采动期间，采取有效措施控制巷道 一 次变形量。对二次采动顶板控制作用明显；留巷巷道帮 部一次支护 到位 ，否 则二 次采 动期 间片帮很 难 控制 ，从 而 影响顶板管理二次采动期间，工作面超前矿压显现明显 大于一次采 动。 参考文献 [ 1 ] 权学金 ，李广余 ，葛逸群 ，等．巷旁充填沿空 留巷 技术与应 用 [ J ] ． 煤炭科技，2 0 0 6 1 2 0 - 2 1 ． [ 2 ] 翟新献，周英． 沿空留巷巷旁充填体与顶板岩层的相互作 用研究 [ J ] ．煤矿设计 ，1 9 9 9 8 6 - 8 ． [ 3 ] 周华强 ，侯朝炯 ，易宏伟．国内外高水巷帮充填技术 的研究 与应用 [ J ] ． 矿山压力与顶板管理，1 9 9 1 ，8 4 2 - 6 ． 『 4 ] 张东升 ，茅县彪 ，马文顶．综放沿空 留巷 围岩 变形 特征的试 验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ，2 0 0 2 3 3 3 1 3 3 4 ． [ 5 ] 赵英利． 基于综放沿空留巷的全煤巷锚杆 索 加固技术 [ J ] ．矿 山压力与顶板管理 ，2 0 0 2 2 3 4 - 3 8 ． [ 6 ] 何满潮 ，张 国锋．白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤 柱开采技 术研究 [ J ] ．采 矿 与安 全 工程 学 报 ，2 0 1 1 ，2 1 4 5 1 1 5l 3 ． [ 7 ] 金龙．白皎煤矿切顶卸压沿空成巷开采采场矿压规律研究 [ D] ．北京 中国矿业大学 北京 ，2 0 1 2 ． [ 8 ] 王 巨光 ，王刚．切顶卸压沿空 留巷技 术探讨 [ J ] ．煤炭工 程 ，2 0 1 2 ，4 4 1 2 4 2 5 ． 责任编辑郭继圣 35