瓦斯抽采钻孔漏气类型划分与高效封孔技术应用研究.pdf

周厚权,申凯,陈宾. 瓦斯抽采钻孔漏气类型划分与高效封孔技术应用研究[J]. 矿业安全与环保,2019,46133-36. 文章编号1008-4495201901-0033-04 应应应用用用技技技术术术 瓦斯抽采钻孔漏气类型划分与高效封孔技术应用研究 周厚权1,2,申摇 凯1,2,陈摇 宾1,2 1. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037; 2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037 摘要通过对钻孔漏气及封孔机理的分析,指出瓦斯抽采钻孔主要存在 a、b 和 c 共 3 种类型的漏 气点,其中 c 类即煤体复合裂隙为当前抽采钻孔主要的漏气类型。 为提高肥田煤矿 16 号煤层的瓦斯 预抽效果,在 11161 运输平巷开展了高效封孔提质技术的试验。 通过对已封钻孔内甲烷体积分数轴向 分布规律的实测,分析其钻孔主要存在 c 类漏气,确定试验点合理封孔深度为15 m,并开展封孔对比试 验考察。 在约 70 d 的考察期内,试验钻孔在同一抽采时期的平均抽采甲烷体积分数比聚氨酯封孔工 艺的抽采甲烷体积分数提高 30 40,且未出现明显的衰减现象,表明高效封孔提质技术可有效解 决抽采钻孔 c 类漏气问题,具有较好的工程应用价值。 关键词瓦斯抽采;钻孔;漏气类型;封孔工艺;封孔深度;抽采效果 中图分类号TD712. 6摇 摇 摇 文献标志码A 收稿日期2017-11-19;2019-01-02 修订 基 金 项 目 “ 十 三 五 冶 国 家 科 技 重 大 专 项 2016ZX05067004 - 004; 企 业 科 技 创 新 创 业 资 金 专 项 2018QN005 作者简介周厚权1978,男,重庆忠县人,副研究员, 主要从事煤矿瓦斯灾害治理及煤层气开发方面的研究工作。 E-mailZHQMKY_11163. com。 Research on Leakage Types and Efficient Sealing Technology for Gas Drainage Borehole ZHOU Houquan1,2, SHEN Kai1,2, CHEN Bin1,2 1. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037,China; 2. CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China AbstractThrough analyzing the mechanism of borehole leakage and sealing, it was pointed out that there were mainly 3 types type a, type b and type c of gas leakage points in gas drainage borehole. Among them, type c, namely coal composite fracture, was the main type of gas leakage in current drainage boreholes. In order to improve the pre-drainage effect of gas in No. 16 coal seam of Feitian Coal Mine, the experiment of efficient borehole sealing and quality improvement technology was carried out in 11161 transport roadway. Based on the measurement of the axial distribution law of methane volume fraction in the sealed borehole, it was analyzed that there was mainly type c gas leakage in the borehole, and the reasonable sealing depth of the test site was determined to be 15 m, and the comparative test of borehole sealing were carried out. During the inspection period of about 70 days, compared with the polyurethane sealing process in the same drainage period, the average volume fraction of methane extracted from the test borehole increased, the range for increasing was from 30 to 40, and no obvious attenuation occurred. The results show that the efficient sealing technology can effectively overcome the type c leakage in drainage boreholes and has excellent engineering application value. Keywordsgas extraction;borehole; leakage type;sealing technique;sealing depth; extraction effect 摇 摇 钻孔抽采瓦斯是高瓦斯及煤与瓦斯突出煤矿井 下治理瓦斯灾害的主要措施之一。 由于瓦斯抽采系 统采用负压抽采,外界空气在负压的作用下易进入 钻孔,从而稀释抽采系统内的瓦斯浓度[1]。 抽采瓦 斯浓度偏低,一方面会导致瓦斯利用难度加大或利 用成本增高,大部分抽出的瓦斯被直接排放到大气 33 第 46 卷摇 第 1 期 2019 年 2 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 另一方面,部分瓦斯浓度甲烷体 积分数处于爆炸界限内,存在瓦斯爆炸的隐患。 据 不完全统计,我国大部分煤矿的抽采瓦斯浓度低于 30 [2],抽采瓦斯浓度偏低已成为限制我国瓦斯抽 采利用取得突破及形成规模化产业的瓶颈。 钻孔抽采瓦斯是我国井下抽采瓦斯的主要方 式,而封孔质量的好坏会直接影响钻孔抽采瓦斯的 效果。 国内学者针对抽采钻孔封孔问题,已提出了 多种行之有效的封孔工艺。 翟成等[3-4]研发了一种新 型柔性膏体材料,根据瓦斯浓度变化进行重复补浆, 实现抽采钻孔的动态封孔;杨磊等[5]在分析钻孔漏气 原因的基础上提出了一种径向膨胀渗透封孔技术,利 用该技术将封孔材料沿径向有效渗入围岩裂隙带;王 振峰等[6]提出了一种可施加主动支护力的封孔装置 及工艺,支护力可达 1郾 0 MPa。 上述封孔技术均在现 场应用时取得了较好的封孔效果。 在抽采钻孔合理 封孔参数研究方面,多数学者认为钻孔的合理封孔 深度应结合巷道围岩应力“三带冶分布确定,可通过 实测钻屑量、钻屑瓦斯解吸量等指标的方法实现[7-9]。 笔者提出一种瓦斯抽采高效封孔提质技术,通 过提高钻孔封孔质量进而提高瓦斯抽采效果,以确 定合理的封孔深度和高效封孔工艺为技术核心,是 一种综合性的瓦斯抽采高效封孔技术。 1摇 瓦斯抽采钻孔封孔机理 瓦斯抽采钻孔是在巷道掘进后,由巷帮向待回 采煤体施工圆柱状孔,因此,需将煤体钻孔视为一 个整体来分析瓦斯抽采钻孔漏气原因及密封机理。 1郾 1摇 钻孔漏气原因分析及类型划分 根据矿山岩层运动理论,回采巷道的掘进使围 岩原始应力的平衡受到扰动,应力重新分布达到新 的平衡状态,在此过程中巷道围岩及煤体产生了不 同程度的变形,同时在巷道两侧的煤体内形成了原 生次生型的复合裂隙系统。 瓦斯抽采钻孔漏气与 封孔原理如图 1 所示。 1瓦斯抽采管;2封孔器;3封孔材料封隔段; a、b、c漏气点类型。 图 1摇 瓦斯抽采钻孔漏气与封孔原理示意图 由图 1 可见,在瓦斯抽采负压的作用下,煤体、 裂隙、瓦斯抽采钻孔、抽采管、封孔器、封孔材料形成 为一个有机的瓦斯抽采钻孔系统,漏气通道存在该 系统内。 钻孔瓦斯抽采系统的漏气点主要有 3 种类 型a 类为封孔器或封孔材料与抽采管的间隙;b 类 为封孔器或封孔材料与钻孔孔壁的间隙;c 类为钻孔 周围煤体存在的复合裂隙。 外界空气在孔内负压的 作用下,通过这 3 种类型的漏气通道进入钻孔和抽 采管内部,导致煤体内原始高浓度瓦斯气体被稀释。 目前常见的封孔技术可将 a、b 类漏气进行较理 想的密封,而 c 类漏气因复合裂隙具有不规律性、非 直接接触、分布不确定等特点而难以密封。 1郾 2摇 瓦斯抽采钻孔封孔机理 瓦斯抽采钻孔封孔是利用封孔装置和封孔材料 将钻孔同外界空气之间的漏气通道进行阻隔,起到 密封钻孔的作用。 如图 1 所示,封孔材料由封孔设 备注入到钻孔孔壁和抽采管形成的环形空间内,将 a、b 类的漏气通道密封。 而对 c 类复合裂隙通道,主 要采用“两堵一注冶式带压注浆封孔工艺解决。 该封 孔工艺首先在待注浆段的两端利用封孔器封孔囊 袋膨胀后起挡板作用,形成一个两端受限的环形注 浆空间,待此空间被浆液注满后,由于两端受限,浆 液受注浆压力作用沿径向向煤体裂隙内渗透流动, 达到密封瓦斯抽采钻孔的目的。 对于瓦斯抽采钻孔周围的煤体裂隙,目前尚无 精确描述其分布的方法,但是其在钻孔轴向方向上 仍具有一定的规律性,而“两堵一注冶类封孔工艺可 定点封孔,因此封孔深度的确定对确保封孔效果起 决定作用。 根据矿压“三带冶分布理论,沿钻孔轴向 方向,煤体内的应力状态可以分为 3 个区域玉为应 力降低区,域为应力增高区,芋为原岩应力区见 图 1 [10-11]。 3 个区域内的应力不同导致煤体裂隙 发育程度不同,封孔深度需要根据“三带冶的分布情 况进行合理确定。 2摇 试验矿井概况 试验矿井为贵州肥田煤矿,为煤与瓦斯突出矿 井。 矿井一期主采 16 号煤层,实测瓦斯最大压力值 为 0郾 83 MPa,瓦斯含量为13郾 73 m3/ t,煤层透气性系 数平均为 0郾 052 9 m2/ MPa2d,平均钻孔流量衰 减系数为 0郾 311 d-1,煤层瓦斯压力较大,原始瓦斯 含量高,煤层透气性差,是介于可以抽采与较难抽采 之间的煤层,瓦斯治理难度大。 采用矿用聚氨酯材料封孔,封隔段前后两端采 用浸泡散装聚氨酯的棉纱封堵,封隔段中的袋装聚 43 Vol郾 46 No郾 1 Feb郾 2019 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 以此为合理封孔参数,设计钻孔 封孔工艺方案,开展现场试验并考察效果。 3郾 2摇 瓦斯抽采钻孔漏气类型的确定 煤层的原始瓦斯浓度甲烷体积分数一般在 90以上,瓦斯气体在负压作用下由钻孔深部向孔 口流动过程中,外界空气在抽采钻孔轴向方向的不 同位置处渗漏入抽采钻孔,造成甲烷体积分数降低, 因此可以通过测量钻孔内部的甲烷体积分数,分析 瓦斯抽采钻孔的主要漏气类型,从而为设计瓦斯抽 采钻孔封孔方案提供依据。 在 11161 运输平巷选择了 5 个甲烷体积分数在 30以下的已封孔瓦斯抽采钻孔,利用探测束管测 量负压抽采状态下瓦斯抽采钻孔0郾 5 30郾 0 m 深度处 的甲烷体积分数,每个钻孔深度处取 3 次测量数据的 平均值,并绘制甲烷体积分数变化曲线,如图2 所示。 图 2摇 抽采钻孔内甲烷体积分数分布曲线 由图 2 可知,甲烷体积分数自钻孔孔底至孔口 呈现逐渐衰减规律,且在不同深度处的衰减速率不 同。 在 20 30 m 深度处,钻孔孔壁围岩处于应力增 高区的应力恢复段和原岩应力区,煤体复合裂隙发 育程度低,外界空气难以在此处渗漏入抽采钻孔,甲 烷体积分数衰减速率较低;在 10 20 m 深度处,钻 孔孔壁围岩处于应力降低区和应力增高区,复合裂 隙较发育,同时由于抽采钻孔封孔段仅达到 10 m 处,大量空气仍能通过 10 m 以上深处的裂隙进入抽 采钻孔,甲烷体积分数出现大幅降低;在孔口至瓦斯 抽采钻孔 10 m 深度处,由于气体全部由 10 m 处的 抽采管管口内流入抽采管内,该深度范围内不再有 瓦斯和空气流入,仅有微量空气通过 a、b 类漏气通 道在抽采管连接不严处渗漏入,甲烷体积分数衰减 幅度不明显;个别点出现甲烷体积分数上升是由于 不同时间瓦斯流动的波动性引起的,不影响整体规 律性的分析。 综上分析可以判断,影响该区域抽采甲烷体积 分数波动的主要因素为 c 类漏气,其原因在于封孔 长度较短,空气依然可以在 10 m 以上深处的裂隙通 道进入钻孔。 根据甲烷体积分数变化规律确定后期 试验的钻孔封孔深度为 15 m。 3郾 3摇 钻孔封孔工艺方案 对于抽采钻孔 c 类漏气,封孔工艺首先要控制 封孔段可以覆盖复合裂隙较发育的深度,同时注浆 过程中浆液可向漏气裂隙通道中渗透,在有效封堵 漏气通道的同时,提高封孔材料与围岩的结合程度。 根据对已封孔抽采钻孔漏气类型的分析,采用优化 后的“两堵一注冶 封孔工艺方案进行封孔,如图 3 所示。 图 3摇 优化后的“两堵一注冶封孔工艺方案示意图 “两堵一注冶封孔工艺可以实现封孔段可控,在 保证封孔效果的同时提高经济性。 有效封孔段从孔 口 3 m 开始,两端采用长 1 m 的封孔器[12]作为堵 板,中间注浆段长 10 m,封孔深度达到 15 m;注浆压 力 2郾 0 MPa,使封孔浆液注满封孔段后,仍可向周围 裂隙有效渗透;用聚氨酯固定孔口抽采管并封堵孔 口。 封孔浆液采用 HD-玉型无机封孔材料[13-14],其 具有优良的流动性和膨胀性,满足“两堵一注冶封孔 工艺技术要求[15]。 3郾 4摇 封孔效果考察 “两堵一注冶封孔工艺方案在贵州省肥田煤矿 11161 运输平巷开展了现场试验。 11161 运输平巷 本煤层预抽钻孔平行布置,钻孔间距为 2 m,钻孔长 53 第 46 卷摇 第 1 期 2019 年 2 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety b 类,封孔 器或封孔材料与钻孔孔壁的间隙;c 类,钻孔周围煤 体存在的复合裂隙。 c 类漏气由于复合裂隙的分布 不确定性而成为抽采钻孔主要的漏气类型。 2通过对已封钻孔内抽采甲烷体积分数分布的 测量,以及抽采甲烷体积分数的变化规律,确定肥田 煤矿 11161 运输平巷的抽采钻孔主要为 c 类漏气, 合理的封孔深度为 15 m。 3在 11161 运输平巷开展了高效封孔提质技术 与原有封孔工艺的对比试验,在约 70 d 的封孔效果 考察期内,试验钻孔在同一抽采时期的平均抽采甲 烷体积分数较聚氨酯封孔工艺的抽采甲烷体积分数 提高 30 40,抽采效果提升明显,表明高效封孔 提质技术可有效解决抽采钻孔 c 类漏气问题,具有 较好的工程应用价值。 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, 2005. 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