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第 1 8 卷 第5期 总第 1 1 4期 2 0 1 3年 1 0月 煤 矿 开采 C o a l mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 . 1 8 N o . 5 S e ri e s N o . 1 1 4 Oc t o b e r 2 01 3 突 出煤层 瓦斯 抽 采钻 孔封 孔新 技 术研 究与实 践 范育青 ,朱栋 ,汪华君 ,辛程鹏 ,张敬 中 1 . 毕节学院 资源与安全工程学院,贵州 毕节 5 5 1 7 0 0 ; 2 .江苏建筑职业技术学院 矿业与交通工程学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 [ 摘要] 针对工作面煤巷扰动裂隙的客观存在,瓦斯抽采钻孔封孔质量难以满足钻孔密封要 求、抽采瓦斯浓度和流量偏低等问题,提出了双胶囊配合带压黏液的封孔新技术,其基本原理是采用 高压胶囊封堵瓦斯气室同时配合低压胶囊封堵黏液,黏液封堵钻孔裂隙,实现抽采钻孔的密封;并对 双胶囊中间段采取 了加长加粗的改进技术。利用 A N S Y S软件对封孔过程中钻孔周 围煤体应力进行 了 分析,并结合应力渗透理论对封孔效果进行了考察。通过理论分析,确定了合理的封孔工艺参数,并 进行 了现场工业性试验。结果表明双胶囊配合带压黏液封孔技术可增加封孔深度和提高封孔质量, 使瓦斯抽采浓度提高4 0 % ~ 6 0 %,平均瓦斯流量提高 1 5 m / m i n左右,且高浓度抽采周期可达 2个月。 [ 关键词] 突出煤层;瓦斯抽采;双胶囊装置;带压黏液;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]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 3 0 5 - 0 0 9 9 0 5 Ne w Te c h n o l o g y o f S e a l i n g M e t h a n e Dr a i n a g e Ho l e i n Ou t b u r s t Co a l - s e a m a n d I t s P r a c t i c e F A N Y u q i n g , Z H U D o n g , WA N G Hu a - j u n , X I N C h e n g p e n g , Z HA N G J i n - z h o n g 1 . R e s o u r c e s&S a f e t y S c h o o l , B ij i e I n s t i t u t e , B i j i e 5 5 1 7 0 0,C h i n a ; 2 . Mi n i n g C o m mu n i c a t i o n E n g i n e e r i n g S c h o o l , J i a n g s u I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e V o c a t i o n T e c h n o l o g y ,X u z h o u 2 2 1 1 1 6 C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f b a d h o l e s e a l i n g q u a l i t y ,l o w me t h a n e d r a i n a g e c o n c e n t r a t i o n a n d fl o w b e c a u s e o f fi s s u r e s i n c o a l - b o d y o f r o a d wa y,n e w s e a l i n g t e c h n o l o gy o f d o u b l e c a p s u l e w i t h p r e s s u r e mu c u s wa s p u t f o r w a r d . I t s p rin c i p l e wa s a p p l y i n g h i g h p r e s s u r e c a p s u l e t o s e ali n g me t h a n e r o o m a n d a p p l y i n g l o w p r e s s u r e c a p s u l e mu c u s t o s e ali n g fi s s u r e s . Mi d d l e s e c t i o n o f d o u b l e c a p s u l e wa s p r o l o n g e d a n d b o l d i n g . C o al s t r e s s s u r r o u n d i n g b o r e h o l e w a s a n a l y z e d w i t h ANS YS s o f t w a r e . Ho l e s e a l i n g e ff e c t w a s a n aly z e d w i t h s t r e s s s e e p a g e t h e o r y . O n t h e b a s i s o f t h i s ,r a t i o n a l h o l e s e a l i n g p a r a me t e r s w a s d e t e r mi n e d a n d o n t h e - s p o t t e s t w a s ma d e . R e s u h s s h o w e d t h a t thi s t e c h n o l o g y c o u l d p r o l o n g h o l e s e a l i n g l e n g t h a n d i mp r o v e s e a l i n g q u ali t y ,a n d me t h a n e d r mn a g e c o n c e n t r a ti o n i n c r e a s e d 4 0 % 一 6 0% ,a v e r a g e me t h a n e fl o w i n c r e a s e d t o 1 5 m / mi n.a n d h i g h c o n c e n t r a t i o n d r a i n age p e ri o d c o u l d r e a c h 2 mo n t h s . Ke y wo r d s o u t b u r s t c o a l s e a m ;me t h a n e d r a i n a g e;d o u b l e c a p s u l e d e v i c e ;p r e s s u r e mu c u s ;h o l e s e a l i n g t e c h n o l o gy 瓦斯抽采是治理矿井瓦斯和防治煤与瓦斯突出 最有效方法之一 ,然而 目前大多数矿井瓦斯抽采率 不达标 ,究其原 因除了煤层瓦斯治理基础工作做得 不够及抽采瓦斯方法选择不当外 ,瓦斯抽采钻孑 L 封 孔效果满足不 了工程要求也是一个重要原 因 , 而封孔效果 主要 由封孔材料 的性 能及封孔技术 决 定。此外 ,由于煤体受巷道采掘集 中应力扰动 、钻 孔成孔扰动及孔壁吸附瓦斯解吸煤体收缩劈裂裂纹 影响,导致抽采钻孔周 围煤层孔 隙压力变化 ,结果 产生导气的微裂隙或裂纹网络 ,外界空气在抽采负 压的作用下易从这些孔 隙通道进入钻孔内,也是 目 前导致瓦斯抽采浓度下降 、有效抽采时间缩短,抽 采效率低下的关键 。 现阶段 的封孔技术主要是采用机械注水泥砂浆 封孔 、发泡聚合材料 封孑 L 、封孔 器封孔 等 j 。采 用水泥砂浆封孔可以保证倾斜钻孔的封孔质量 ,但 对于近水平或缓倾斜钻孔却不适用 ;采用发泡聚合 材料封孔 ,具有发 泡倍数高 、质量轻、封孔迅速、 效果好 等优点 ,但对操 作人员要求高 ,易造成废 孔 ,且封孔长度短,不能有效封堵钻孔瓦斯抽采松 动裂隙带 ;快速封孔器封孔具有速度快 、可重复使 用及成本低等优点 ,但效果较差 ,只适用于临时抽 采封孔 J 。现场应 用还 发现 由于受 到采 动影 响、 地质条件与施工工艺的限制 ,导致瓦斯抽采浓度下 降 、抽采周期缩短 。 鉴于此 ,本文提出了采用双胶囊配合带压黏液 的封孔新技术 ,阐述了其基本原理 ,并对双胶囊装 置进行了改进 ;利用 A N S Y S软件对封孔过程 中钻 孔周 围煤体应力进行 了模拟分析 ,结合应力渗透理 论对封孔效果进行 了考察 ;通过理论分析 ,确定了 合理的封孔参数 ,并进行 了现场工业性试验。 1 双胶囊配合带压黏液封孔技术 1 . 1 基本技术原理及设备选型 [ 收稿 日期 ]2 0 1 3 0 5 - 2 9 [ 基金项 目]贵州省科学技术基金资助项 目 黔科合 J字 [ 2 0 1 2 ]2 0 1 0号 ;贵州省重点支持 学科建设基金资助项 目 [ 作者简介]范育青 1 9 8 0 - ,男, 江苏灌云人,硕士,讲师,主要从事矿井开采及灾害防治方面的教学与科研。 9 9 总第 1 1 4期 煤矿 开 采 2 0 1 3年第5期 双胶囊配合带压黏液封孔技术 ,是基于工作面 煤巷扰动裂隙的客观存在 ,采用两段胶囊 ,其中一 段为高压胶囊,位于封孔位置的最底端;另一段为 低压胶囊 ,位于封孔位置的最外端 。通过油路系统 给高压胶囊注入油液 ,使其膨胀封孔 ,并主动与孔 壁煤体耦合 ,经过一定时间的耦合期 ,油压基本稳 定 ;低压胶囊为水力封孔胶囊 ,通过水泵向其内部 注水 ,使其膨胀封孔 ;两端胶囊之间的部分通过注 浆泵注入黏液 ,黏液在压力作用下能较好渗入到孔 壁煤体裂隙中,凝固后生成对孔壁煤体具有较高黏 结性的有机塑性体,达到封堵钻孔及周边煤体裂隙 的作用。该技术原理可以简单地描述为高压胶囊 封堵瓦斯气室同时配合低压胶囊封堵黏液 ,黏液封 堵钻孔裂隙 ,实现抽采钻孔 的密封 ,从而大幅度提 高钻孔内瓦斯抽采浓度和延长瓦斯抽采期。其封孔 原理及结构如图 1 所示。 图 1 双胶囊配合 带压黏液封孔 示意 高低压胶囊 内部均穿过无缝钢管作为瓦斯抽采 管 ,使得气室 内瓦斯气体通过抽采管进入管外的瓦 斯抽采系统。 低压胶囊的主要作用是与高压胶囊共同封堵两 端胶囊之 间的黏液,其承受 的压力要小 于高压胶 囊 ,其耐压范围为 0 6 MP a 。由于低压胶囊位置处 于封孔位置的最外端 ,因而其内部还需要通过由瓦 斯气室导出的瓦斯抽采管 、向高压胶囊注油液的高 压油管、向两胶囊之间注液 的注液管及给 自己注水 的注水管 。低压胶囊结构如图2所示。 l 2 3 4 5 / ⋯“~⋯ ⋯⋯⋯⋯ / 1 / \ I \ 1 一注水管 ;2 一滑 动块 ;3 一胶囊 ; 4 一 瓦斯抽采管 ;5 一 高压油管 ;6 一注液管 图2 低压胶囊内部结构示意 注水泵和注油泵选用 X R B 2 B型乳化液泵,额 定压力 2 0 MP a ,流量 8 0 L / mi n 。同时 ,为了防止注 水时出现漏水或压力无法升高的现象 ,采用单向阀 结构 。 注液泵采 用矿用 手动 K S Z B 1 6 0 2型注浆 泵 , 1 0 0 该泵无需用电、气驱动 ,工作时不产生噪声 ,质量 轻,操作简单 ,运输方便 ,封孔质量高,适用于化 学材料注浆工作 ,能准确高效地完成注浆工作 ,是 一 种技术先进 、性能安全 的封 孔注浆设备 。其 主要参数如表 1 所示 。 表 1 K S Z B 1 6 0 - 2型注浆泵主要参数 压力表选 用 S G S型双功能高压水 表,额定压 力 2 0 MP a ,最小 流量 0 . 1 m / h ,最大 流量 5 m / h , 测量允许最大误差为 5 %。 注水管和注液管的内径为 68 m m,额定压力 6 MP a 。注液管承受 的压力与钻孔 内瓦斯压力相对 应 ,并略高于孔 内瓦斯压力。 高压 油 管 的 内 径 为 6~8 ram,额 定 压 力 2 0MPa。 1 . 2 双胶囊装置改进技术 由于胶囊要固定在瓦斯抽采钢管上 ,注水或注 油时胶囊将会无法完全膨胀 ,因而将胶囊一端 固定 在滑动块上 ,使胶囊膨胀时向一侧收缩从而达到完 全膨胀 。 由于煤体内存在大量的构造裂隙 ,尤其是在受 采动影 响较大 的煤体 内,裂 隙发育程 度更 高 。 为了避免扰动裂隙对封孔段的影响,对双胶囊 中间 段采取加长加粗的改进措施。首先将中间段连接长 度改为多段钢管连接 ,根据需要确定钢管长度 ;其 次将中间钢管加粗,从而减小 了向中间部分注入黏 液的量 ;同时相应增加 中间段注油管 高压油管 和瓦斯抽放管的长度。经过这两方面的改进,可增 加封孔长度 ,改善密封效果 。 1 . 3 封孔材料的选择 封孔材料主要包括封孔胶囊和黏液。外界因素 对胶囊 的老化会使胶囊的承压能力降低 ,容易产生 破损 ,直接降低胶囊与钻孔的耦合 。特别是水汽的 存在会渗入到胶囊里层,引起胶囊里层钢丝的氧化 生锈 ,直接降低胶囊的承压能力 ,因而胶囊对外界 因素变化的适应能力非常重要 。同时 ,瓦斯抽采周 期决定了高压胶囊需要长时间保持在一定的高压 下 ,高压胶囊必须要有较强的耐压能力 ,特别是在 较高的应力条件下能维持一定的时间。黏液在压力 作用下要能够较好地渗入到孔壁煤体内部裂隙中, 且不受钻孔的微量变形的影响,提高煤体完整、均 一 性 ,有效封堵瓦斯泄露微孔、裂隙通道 。因此 , 总第 1 1 4期 煤矿 开采 2 0 1 3年第 5期 周围瓦斯渗透率 k 最 小,渗透率越小瓦斯的渗透 阻力也就越大 ,可以有效封堵高压胶囊里端瓦斯气 室内部的气体 ;而高低压胶囊中间黏液充填裂隙过 程 中煤体应力也有所增大,渗透率相应 降低 ,外界 空气在抽采负压的作用下不能进入钻孔 ,从而实现 了抽采钻孔的密封。 3实践应用及效果分析 3 . 1 试验工作面概况 试验地点为贵州某突出矿井 M9煤层 的 1 0 9 0 3 工作面,矿井相对瓦斯涌 出量 为 3 6 . 7 m 。 / t ,绝对 瓦斯涌出量为 2 3 . 3 8 m 。 / m i n ;1 0 9 0 3工作面标高为 1 2 6 2 . 6~1 2 3 5 . 5 m,煤 层 平 均 厚 度 2 . 5 m,倾 角 1 0 。 ,倾 向长 1 5 0 m,平 均走 向长为 8 7 6 m,地质储 量为 0 . 5 9 2 Mt ,可采储量为 0 . 5 4 7 6 Mt ,工作面相对 瓦斯 涌 出 量 为 1 8 . 7 7 m。 / t ,绝 对 瓦 斯 涌 出量 为 1 0 . 8 7 m / ra i n ,瓦斯 压力 为 1 . 2 MP a ,采 空 区绝对 瓦斯涌出量为 1 0 . 5 5 m / m i n 。 3 . 2 封孔参数的确定 1 封孔长度为 了避免扰动裂 隙对封孔段 的影响,在设计抽采钻孔封孔长度时应考虑扰动裂 隙的影响范围,工作面和巷道两帮煤层瓦斯抽采钻 孔的合理封孔长 度 , 可分别采用公 式 1 、 2 进行计算 J 。计算 后再 比较两参 量 的结 果 , 以大者为合理封孔长度。 L 2 . 6 3 b 4 A t / a 鸵 1 L 2 4 . 2 5 A t / a 2 式中,b 为工作面煤巷宽度 ,m;A为煤层透气性 系数,m / M P a d ;P 。为 原 始 瓦斯 压 力 , M P a ;t 为工作面暴露时间 ,d ;o为煤层瓦斯含量 系数 ,m /m MP a 。 根据 M 9煤层的 1 0 9 0 3工作面的地质参数 ,利 用式 1 计算得 L 7 . 9 7 m,利用式 2 验证得 L 9 . 3 1 m。考虑煤层瓦斯赋存地质条件 、煤层透 气性系数及煤体地质情况及扰动裂隙影响冗余度的 需要 ,确定封孔长度为 1 0 m。 2 封孔半径 封孑 L 半径就是带压黏液扩散 所达到的有效范围,主要基于钻孔扰动裂隙影响范 围而言。黏液扩散半径越大 ,孑 L 壁煤体裂隙被黏液 充填的密实性越高 ,封孔效果越好。根据经验,瓦 斯抽采钻孔的煤体扰动破坏范围一般为孔径的 5 ~ 1 0倍 。根据试验工作 面回风巷瓦斯抽采计划 ,抽 采钻孔孔径为 0 . 1 2 m,按最大扰动影响范围考虑 , 封孑 L 半径取 1 0倍孑 L 径 ,为 0 . 6 m。 3 钻孔 间距 由于钻 孔扰 动裂 隙的存在 , 1 0 2 钻孔间距不得小于 2倍 的钻孔扰动裂隙影 响半径。 由封 孑 L 半 径 分析 知 ,钻孔 裂 隙最 大影 响 半径 为 0 . 6 m,则相邻抽采钻孑 L 间距不能小于 1 . 2 m,为 了 避免相邻钻孔之间产生影响,钻孔间距取 5 m。 4 黏液封孔压 力 即为带压黏液封孔 时实 现有效封孔半径的注浆理论压力。根据现有理论模 型 ,并结合现场煤层注浆技术的一些经验,推导出 注浆封孔半 径 黏液扩散半径 R与黏 液封孔压 力 注浆压力P 黏液黏度 及注液时间 之 间的关系式为 P z Rr 0 / o . 0 9 3 / 6 r 00 一P l 3 式中,P 为裂隙水压力 ,P a ;6为裂隙或孔隙的宽 度 ,c m;r n 为钻孔半径 ,e m,r 0 m r / 2 ,m为钻孔 不均匀系数 ,一般取 1 . 2 ;r 为钻孔理论孔径 ,c m。 为检验公式 3 计 算出的注浆压力 P 是 否 合适,将其计算结果带入式 4 进行验证 j 。若 由式 4 计算 的黏液扩散半径大于式 3 采用 的最大注浆封孔半径 ,则说 明该注浆压力满足理论 要求。 R2 8 3 . 8 2 P o - 。 Mo 2 3 / - o . 。 4 式 中, 为煤的粒度模数 ,M 2 . 5 5 5 X 1 0 K,K为 煤体渗透系数 ,c m / s 。 根据试验煤层及封孔材料相关室 内实验得出公 式 3 、 4 所需的计算参数如表 2所示 。 表2 黏液封孔压力计算参数 PI 6 . 8 r o m R m / K . / 一 / T / P a / mm mP a/ mm o m s s 8 mm - 。 ⋯ / s 0 0. 4 l 3 7 2 6 0 0 Q0 晒 ~Q0 8 1 . 2 8~ 2 0 . 4 4 9 0 0 由式 3 计算得 出注浆压力 P 0 . 4 1 MP a , 将其带入式 4 验证得出黏液扩散半径 R 9 8 0~ 1 8 5 0 m m,大于借助经验确定的最大注浆封孔半径 6 0 0 m m,因而可确定该注浆压力满足理论要求。在 实际应用 中,为了达到最佳封孔效果 ,应在理论计 算 的基础上再适当增加压力 ,以便使黏液能够充分 地压 入孔 壁煤 体 裂 隙 中,最终 确 定注 浆 压力 为 0 . 5MPa。 3 . 3 实践应用及效果分析 为了考察双胶囊配合带压黏液封孔技术的封孔 效果 ,在试验地点 1 0 9 0 3采面 回风巷 ,以 5 m为 间 距 ,距离工作面 1 0 m开始 ,依次施工 1 0个试验钻 孔 。其 中2号、4号和 5号钻孔采用原封孔技术封 孔 ,其余 7个钻孔采用双胶囊配合带压黏液封孔技 术封孔 。试验钻孔参数如表 3所示。 封孔完 毕后 , 每 隔5 d 对各钻孔 瓦斯浓 度进行 范育青等突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔新技术研究与实践 2 0 1 3年第5期 表 3 试验钻孔参数 孔号 钻孔倾角/ 。 L W . / m 封孔 长度/ m 抽采负压/ k P a 测定 每次测 3 组数据 ,取 3次所测浓度数据的 平均值作为各孔 的最终瓦斯浓度 ,累计观测对 比 2 个月。各钻孔在封孔后 1个月的抽采瓦斯平均浓度 及平均流量如图 5所示。 图5 钻 孔平 均抽采浓度和平均流量 由图 5可以看出 1 在类似条件下 ,采用原封孔技术封孔的 2 号 、4号和 5号钻孔瓦斯浓度衰减很快 ,单孔瓦斯 抽采平均浓度均在 2 5 % 以下 ,平均瓦斯 流量均在 2 0 m / m i n以下 ;而采用双胶囊配合带压 黏液封孔 技术封孔 的 7个钻孔 ,单孔瓦斯抽 采平均浓度 在 6 5 % ~ 8 5 %之间 ,瓦斯抽采管内的平均瓦斯流量在 3 0~ 4 0 m / m i n之 间,且高浓度抽采周期维 持时间 较长 ,一般可达 2个月 。 2 双胶囊 配合 带压黏液封孔技术优 于原封 孔技术 ,瓦斯抽采 平均 浓度提高 4 0 % ~6 0 % ,平 均瓦斯流量提高 1 5 m / mi n左右。 4结论 1 本文提 出了双胶囊配合带压黏液 的封孔 新技术 ,阐述 了其基本原理,并对双胶囊装置进行 了改进 ,将胶囊一端固定在滑动块上 ,使胶囊膨胀 时向一侧收缩从而达到完全膨胀 ;在双胶囊中间段 采取了加长加粗的改进措施 ,从而增加了封孔长度 并减小了向中间部分注入黏液的量。 2 利用 A N S Y S软件对封孔过程 中钻孔周 围 煤体应力进行 了模拟分析 ,结合应力渗透理论对封 孔效果进行了考察 ,结果表明 高低压胶囊处应力 值较大,煤体内瓦斯渗透率降低,高压胶囊处煤体 周围瓦斯渗透率最小 ,可 以有效封堵高压胶囊里端 瓦斯气室 内部的气体;而高低压胶囊中间黏液充填 裂隙过程 中煤体应力 也有所增大 ,渗透率相应 降 低 ,外界空气在抽采负压的作用下不能进入钻孔 , 从而实现了抽采钻孔 的密封。 3 通过理论分析,确定 了合理的封孔参数 , 实践应用结果表 明采用高低压胶囊配合带压黏液 封孔工艺 比原封孔工艺抽采效率大大提高,瓦斯抽 采平均浓度提高 4 0 % 一 6 0 %,平 均瓦斯 流量提高 1 5 m / m i n 左右;且高浓度抽采周期维持时间较长, 一 般可达 2个月 。 综上,高低压胶囊配合带压黏液封孔新技术, 增加了封孔深度 ,实现了封孔技术 由手工 向机械的 转换 ,提高 了瓦斯抽采浓度并延长了高浓度瓦斯抽 采期 ,保证了瓦斯抽采效果 ,具有较强的推广应用 价值。 [ 参考文献] [ 1 ]孙凯 民,许德岭 ,杨 昌能,等.利用 采场 覆岩裂 隙研 究优化 采 空区瓦斯抽放参数 [ J ] .采 矿与 安全工 程学 报 ,2 0 0 8 ,2 5 3 3 6 6 3 7 0 . 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