裂隙发育区域均压封孔瓦斯抽放技术_章飞.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 裂隙发育区域均压封孔瓦斯抽放技术 章飞 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 基于渗流理论， 推导了瓦斯抽采过程中， 煤层裂隙内负压分布模型， 并首次提出了顺层 钻孔均压封孔瓦斯抽放技术， 该封孔技术采用双负压进行抽放， 利用囊袋式封孔器在抽放钻孔 内形成主、 副抽放腔室， 在主、 副抽放腔室所产生负压的共同作用下， 煤层裂隙内的抽放负压会 二次分布， 降低了主抽放腔室与外界的压差， 同时副抽放腔室所产生的负压会产生屏蔽作用， 阻 止空气流向主抽放腔室， 从而减少抽放过程中漏风， 达到提高瓦斯抽放浓度、 抽放效率的目的。 在中岭煤矿 12033 运输巷进行了均压封孔瓦斯抽放技术现场试验， 传统封孔工艺 （聚氨酯封孔） 初始 5 d 平均瓦斯浓度为 30.67， 10 d 平均瓦斯浓度为 21.44，均压封孔工艺 0～50 d 平均瓦 斯抽放浓度为 65.69。 关键词 瓦斯抽采； 裂隙发育； 均压堵漏； 渗流； 抽采浓度 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0079-05 Technology of Uni Pressure Sealing Gas Drainage in Fissure Development Area ZHANG Fei （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract Based on the seepage theory, the distribution model of the negative pressure in the coal seam cracks during gas extraction is deduced, and the gas drainage technology of equalizing pressure and sealing holes in the borehole along the seam is proposed for the first time. The sealing technology adopts double negative pressure for pumping, and the main and secondary pumping chambers are ed in the drilling hole by using the bag-type sealing device, under the joint action of the negative pressure generated by the main and secondary pumping chambers, the negative pressure in the coal seam cracks will be distributed twice, which reduces the pressure difference between the main pumping chambers and the external environment. At the same time, the negative pressure generated by the auxiliary pumping chamber will have a shielding effect, which preventing air flow to the main pumping chamber, thus reducing air leakage in the pumping process, and achieving the purpose of improving gas drainage concentration and efficiency. The field test of gas drainage technology of equal-pressure sealing hole was carried out in 12033 transportation lane of Zhongling Coal Mine. The average gas concentration of the traditional pore sealing process （polyurethane pore sealing） was 30.67 at the initial 5 d, 21.44 at the 10 d, and 65.69 at the average gas drainage concentration at the 0 to 50 d. Key words gas extraction; fracture development; uni pressure plugging; seepage; extraction concentration 钻孔抽放是我国煤层瓦斯灾害治理的主要方式 之一，理论上密封严实不漏气的钻孔抽出的瓦斯浓 度 （体积分数） 应接近 100[1]， 但我国多数矿井顺层 钻孔接抽 1 个月后瓦斯浓度降到 30以下， 2 个月 后瓦斯浓度降到 16以下， 穿层钻孔 1 个月后瓦斯 浓度将到 16以下， 导致这些问题的关键因素均是 抽放钻孔密封质量差，抽放过程中存在漏气。为有 效解决这一问题，大量学者进行了卓有成效的研 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.016 章飞.裂隙发育区域均压封孔瓦斯抽放技术 ［J］ .煤矿安全， 2020,51 （3） 79-83. ZHANG Fei. Gas Technology of Uni Pressure Sealing Gas Drainage in Fissure Development Area［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 79-83. 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2018YFC0808001） 移动扫码阅读 79 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 究，中国矿业大学周福宝教授提出了粉料颗粒二次 封孔方法[2-3]， 该方法是在正常封孔的基础上， 进行 二次封孔，利用高压空气吹入微细膨胀粉料，在抽 放负压的作用下使粉料颗粒深入钻孔周边的裂隙群 内， 从而封堵裂隙， 减少抽放漏风； 另有学者提出了 带压封孔技术（两堵一注） [4-9]，该方法是采用封孔 器、 聚氨酯、 水泥浆液等封孔材料进行封堵钻孔， 并 在封孔段中部形成空腔，利用注浆泵高压往空腔内 注入封孔材料 （水泥浆、 黏液或其他材料） ， 利用高 压将浆液压入裂隙内，达到封堵裂隙，减少漏风的 目的； 还有一种封孔工艺是膨胀材料封孔技术[10-12]， 该工艺是往钻孔注入一定配比的材料，利用材料本 身的化学反应所产生的膨胀效果，渗入裂隙，达到 封堵裂隙的目的。总体来看，目前的封孔技术在解 决裂隙漏风的问题上均是采用其他介质来封堵裂 隙， 其存在的主要问题 ①封孔工艺都比较复杂， 操 作不当容易造成封孔失败；②由于裂隙发育的复杂 性，采用上述方法很难完全封堵住裂隙；③裂隙发 育随抽放时间的变化性，随着抽放的过程，煤体的 弹性潜能得以释放[13]， 煤层会发生变形、 位移和卸 压， 钻孔周边的孔 （裂） 隙发育、 扩张， 产生新的漏风 通道。针对裂隙发育区域瓦斯抽放漏风的技术难题， 基于渗流理论， 提出了裂隙发育区域均压瓦斯抽采封 孔技术， 并在中岭煤矿进行了现场试验及应用。 1基本原理 裂隙发育区域均压封孔瓦斯抽采技术，采用双 负压进行抽放， 布置 2 趟抽放管路 （主抽放管路、 副 抽放管路） ，首先将第 1 节封孔器连接好注浆管、 主 抽采管送入抽采钻孔内， 在间隔 5～8 m 接入第 2 节 封孔器， 并连接好注浆管、 主抽采管、 副抽采管， 将 整套装置送入预定钻孔深度， 一般深度为 12～15 m， 连接注浆管至高压注浆泵，当注浆压力达到 2.5 MPa 时， 即停止注浆， 此时囊袋封孔器已膨胀， 并与 钻孔壁紧密结合，同时注入的膨胀水泥浆液，在凝 固后具有一定的强度，阻止了钻孔的变形，导致的 钻孔壁漏风。主抽放管接连至主要抽放管路，副抽 放管接连至副抽放管路，打开阀门进行抽放，至此 封孔完毕。封孔器结构示意图如图 1。 抽放过程中， 由于副抽放腔室产生的负压， 使煤 （岩） 裂隙内的负压会重新分布， 降低了主抽放腔室 与外界的压差，大部分自外界漏入的空气，通过副 抽采管排出，减少了主抽采管的漏风量，提高了瓦 斯抽放浓度，显著改善瓦斯抽放效果；且该抽放方 法， 随煤 （岩） 体裂隙的发育、 抽采时间等方面的影 响， 均较小， 确保了瓦斯抽放系统稳定性。均压抽放 瓦斯封孔技术示意图如图 2。 2理论分析 因为在抽采过程中，漏风通道多为煤体内发育 的较大裂隙，该区域内由于卸压作用瓦斯已大量解 吸运移，抽采过程中的漏风与瓦斯的运移耦合作用 较小， 同时该区域应力处于稳态。因此， 在进行均压 封孔漏风模型推导时提出了假设①煤层内的漏风 图 1封孔器结构示意图 Fig.1Schematic diagram of the sealing structure 图 2均压抽放瓦斯封孔技术示意图 Fig.2Schematic diagram of the pressure equalization sealing technology 80 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 3未采用均压封孔漏风示意图 Fig.3Schematic diagram of air leakage without the pressure equalization sealing technology 图 4采用均压封孔漏风示意图 Fig.4Schematic diagram of air leakage using the pressure equalization sealing technology 通道均为圆柱状，且所有通道的半径相等；②忽略 煤体内的瓦斯压力与抽放负压的耦合作用；③抽放 过程中，空气在煤层裂隙内的流动符合达西定律； ④抽采管在主、 副抽采气室所产生的负压相等。 基于上述假设，认为空气在煤体内的流动符合 达西定律且为层流， 其流量计算如下 Q＝ hS 3 aLU 2 （1） 式中 Q 为漏风风量， m3/s； h 为通风阻力， Pa； S 为漏风通道截面积， m2； a 为层流状态下的摩擦阻力 系数； L 为漏风通道长度， m； U 为漏风通道周长， m。 采用均压封孔进行抽采过程中，煤体内的漏风 通道可以简化为 3 种类型①仅和主抽放气室联通 的漏气通道 a； ②和主抽放气室、 副抽放气室均联通 的通道 b； ③仅和副抽放其实联通的漏气通道 c。假 设在钻孔的周围存在有 n 条 a 型漏风通道、 m 条 b 型漏风通道， 未采用均压封孔漏风示意图如图 3。 漏入主抽采气室的风量计算如下 Qm＝ m i ＝ 1 ∑Qai m j ＝ 1 ∑Qb3j（2） 式中 Qm为未采用均压封孔时漏入主抽采室总 风量， m3/s； Qai为通过第 i 条 a 型通道漏入主抽采室 的风量， m3/s； Qb3j为通过第 j 条 b 型通道漏入主抽采 室的风量， m3/s。 根据风量守恒定律可得 Qb3＝Qb1＋Qb2（3） 式中 Qb3为通过 b 型通道支路 3 的风量， m3/s； Qb1为通过 b 型通道支路 1 的风量， m3/s； Qb2为通过 b 型通道支路 2 的风量， m3/s。 根据上述假设， b 型漏风通道的各支路 b1、 b2、 b3 除长度以外， 具有相同的风阻参数， 将式 （1） 、 式 （3） 代入式 （2 ） 得 Qm＝ n i ＝ 1 ∑ haiS 3 ai aLaiU 2 ai ＋ n j ＝ 1 ∑（h b1jS 3 b1j aLb1jU 2 b1j ＋ hb2jS 3 b2j aLb2jU 2 b2j ） （4 ） 式中 hai为第 i 条 a 型通道的风阻， Pa； hb1j、 hb2j 分别为第 j 条 b1 型、 b2 型通道的风阻， Pa； Lai为第 i 条 a 型通道的长度， m； Lb1j、 Lb2j分别为第 j 条 b1 型 和 b2 型通道的长度， m； Sai为第 i 条 a 型通道的周 长， m； Ub1j、 Ub2j分别为第 j 条 b1 型和 b2 型通道的周 长， m； 为第 i 条 a 型通道的面积， m2； Sb1j、Sb1j分别为 第 j 条 b1 型和 b2 型通道的面积， m2。 根据风压守恒定律 hb1hb2 hahb hbhb1hb3 ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ （5 ） 式中 ha为 a 型通道的风阻， Pa； hb1为 b 型通道 支路 1 的风阻， Pa； hb3为 b 型通道支路 3 的风阻， Pa； hb为 b 型通道的总风阻， Pa。 在实际的抽采过程中， Lai＞Lbj， hahb，对 a 型、 b 型漏风通道的漏风量 Qai＜Qbj， 同时在实际的煤体中， 裂隙发育是相互沟通的，仅有少数裂隙是单独发育 的， 未相互沟通， 即 m＞n， 因此漏入主抽采气室的风 量主要是通过 b 型通道。 采用均压封孔漏风示意图如图 4。 漏入主抽采气室的风量计算如下 Q 1 m＝ n i ＝ 1 ∑ haiS 3 ai aLaiU 2 ai ＋ m i ＝ 1 ∑ （hb－h1） S 3 bj aLbjU 2 bj （6） 式中 Q 1 m为采用均压封孔时漏入主抽采室总风 量， m3/s。 从式 （6） 可知， 当采用均压封孔抽采工艺后， 虽 81 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 然通过 a 型通道漏入抽采室的风量没有变化，但通 过 b 型通道漏入主抽采室的风量会大量减少，同时 在抽采过程中，其漏风主要是通过 b 型通道漏入主 抽采室。因此， 从理论上看， 采用均压封孔抽采工艺 后可大量减少漏风， 提高瓦斯抽采浓度。 3现场试验验证 3.1试验方案 实验矿井选择为我国西南矿区某矿，该矿井为 突出矿井，井田内煤的变质程度均为无烟煤，试验 地点选定在 3煤层 12033 运输巷， 该区域煤层原始 瓦斯为 14.67 m3/t。 为验证均压封孔方法的有效性，对现场试验方 案进行了如下设计 1） 设计在 12033 运输巷划分出 2 块试验区域 （试 验区域 I 和试验区域 II） ， 为避免相互影响每块试验 区域间隔 30 m， 保证了各块试验区域的瓦斯赋存情 况、 煤层赋存情况、 地质情况等基本一致。 2 ） 在 2 块试验区域采用相同的封孔方法， 在试 验区域 I 副抽放管不接入抽放管路，试验区域 II 主、 副抽放管均接入抽放管路。 3 ） 每块试验区域设计施工 5 个钻孔， 钻孔间隔 4 m， 封孔深度均为 15 m。 3.2试验效果 封孔接抽后， 对瓦斯抽采浓度进行了 50 d 的跟 踪考察， 每 5 d 测定 1 次瓦斯浓度， 不同封孔工艺瓦 斯浓度变化曲线如图 5，不同封孔工艺平均瓦斯浓 度变化曲线如图 6。 从图 5 和图 6 可知，采用传统的封孔工艺初始 瓦斯浓度均较低， 1-I～5-I 抽放钻孔在初始 5 d 瓦 斯平均浓度仅为 30.67，而在 10 d 平均瓦斯浓度 为 21.44， 出现了一定程度的衰减， 表明在初始抽 放时就存在一定程度的漏风，而且随着抽放时间的 进行，漏风程度进一步扩大。采用均压封孔工艺初 始 5 d 平均瓦斯抽采浓度为 68.54，而在 10～50 d 平均瓦斯抽采浓度为 65.38， 瓦斯抽采浓度未出现 明显衰减， 且瓦斯抽采浓度一直保持较高的水平， 达 到了瓦斯治理预期效果， 节约了瓦斯治理时间。 现场试验结果表明，均压瓦斯封孔能有效防止 漏风， 且随抽采时间的进行， 瓦斯抽采系统稳定， 效 果显著。 4结论 1） 提出了均压封孔方法的原理和工艺。均压封 孔方法的原理是指利用双负压，降低主抽放腔室与 外界的压差及副抽放腔室产生负压的屏蔽作用， 显 著减少外界空气进入主抽放腔室，从而大幅度提高 钻孔内瓦斯抽放的浓度和延长瓦斯抽放期。 2） 基于气体流动理论， 推导了均压封孔抽采过 程中， 漏风风量模型， 研究发现采用均压封孔较普通 封孔方式漏风风量大为减少。 3） 现场试验结果表明， 采用均压封孔方法瓦斯 抽采浓度一直维持在较高的水平， 稳定性好， 随着抽 放时间的延长， 未出现明显衰减现象， 能有效解决瓦 斯抽采过程中钻孔漏风的问题，显著改善瓦斯抽放 效果， 提高瓦斯治理效率， 具有重要的推广应用前景。 参考文献 ［1］ 周福宝， 孙玉宁， 李海鉴， 等.煤层瓦斯抽采钻孔密封 理论模型与工程技术研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2016， 45 （3） 433-439. ［2］ 周福宝， 李金海， 昃玺， 等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次 封孔方法研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2009， 38 （6） 图 5不同封孔工艺瓦斯浓度变化曲线图 Fig.5Gas concentration variation curves of sealing different technology 图 6不同封孔工艺平均瓦斯浓度变化曲线 Fig.6Average gas concentration variation curves of different sealing technology 82 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 的封堵原则。 2 ） 按照巷道顶板淋水封堵原则， 结合巷道淋水 区断面特点及巷道顶板围岩结构特征，对巷道顶板 和巷帮封堵注浆钻孔参数进行设计，确定了巷道封 堵注浆钻孔布置参数。 3） 对顶板钻孔封堵注浆管路固定及封孔方式进 行了优化， 提出了 “先帮后顶， 帮部由下向上， 顶板 先两侧后中间”的累积注浆施工工艺，并试验确定 了巷道顶板注浆压力为 2～4 MPa，巷帮注浆压力为 4～6 MPa。 参考文献 ［1］ 刘守强， 武强， 曾一凡. 煤矿防治水细则 修订要点解 析 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （3） 1-4. ［2］ 王丰旺， 张伟.屯兰矿南翼下组煤胶带巷土地沟断层 破碎带防治水方案 ［J］ .中国煤炭， 2018， 44 （12） 113. ［3］ 武强， 张小燕， 赵颖旺， 等.矿井巷道突 （透） 水蔓延模 型研究及应用 ［J］ .煤炭工程， 2018， 50 （2） 1-5. ［4］ 成荣秋， 吴燕清.基于 KPCA-FDA 方法的矿井突水水 源判别研究 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （11） 194-195. ［5］ 杨建， 刘基， 靳德武， 等.有机-无机联合矿井突水水源 判别方法 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （10） 2886-2894. ［6］ 张培森， 颜伟， 张文泉， 等.含隐伏断层煤层回采诱发 底板突水影响因素研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2018， 35 （4） 765-772. ［7］ 陈春慧， 宋选民.基于深浅孔注浆技术的破碎顶板岩 层巷道综合治理 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （4 ） 161-164. ［8］ 张智华.高应力软岩斜巷底鼓机理及全断面注浆技术 ［J］ .煤矿安全， 2015， 46 （10） 104-107. ［9］ 张军波， 赵苏杭， 张宏博.动压影响回采巷道分区注浆 加固技术研究 ［J］ .中国煤炭， 2019， 45 （2） 53-56. ［10］ 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