综采工作面三位一体钻孔密封高效瓦斯抽采技术研究及应用_马德林.pdf

约工期约 2 个月， 多回收原煤约 3.2 万 t， 取得了显著 的经济效益。 作者简介 李海燕 （1977-） ， 男， 山西介休人， 毕业于太原理工大学 采矿工程专业， 采矿高级工程师， 现任山西汾西宜兴煤业有 限责任公司副经理。 （收稿日期 2018- 9- 14） 综采工作面三位一体钻孔密封高效瓦斯抽采技术研究及应用 马 德 林 （山西省大同煤矿集团有限责任公司通风处 ，山西 大同 037003 ） 摘要 为保障工作面的瓦斯抽采效果，通过具体分析巷道壁面喷涂和煤层瓦斯充填护孔对瓦斯抽 采效果的影响， 提出采用三位一体钻孔密封高效瓦斯抽采技术， 结合工作面的具体情况对封孔工艺进 行设计， 并对应用效果进行对比分析。结果表明 工作面采用原有封孔技术时瓦斯抽采的浓度会逐渐 降低至 8～10， 采用三位一体密封高效抽采技术， 瓦斯抽采浓度一致保持在 48～58左右， 保证了 瓦斯的安全高效抽采。 关键词 瓦斯抽采 ； 钻孔密封 ； 壁面喷涂 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0047- 03 Research and application of high-efficiency gas drainage technology for three-in-one drilling and sealing of fully mechanized mining face MA Delin （Department ofVentilation, DatongCoal Mine Group Co., Ltd., Shanxi Province , Datong 037003 , China ） AbstractIn order to ensure the gas drainage effect of working face, by analyzing the influence of roadway wall surface spraying and coal seamgas fillingand retaininghole on gas drainage effect, it is proposed toadopt three- in- one drillingand sealinghigh- efficiencygas drainage technology, combined with the specific working surface. The sealing process is designed and the application effect is compared and analyzed. The results showthat the concentration of gas extraction will be gradually reduced to 10 when the working face adopts the original sealing technology. The high- efficiency extraction technology of the three- in- one sealing is adopted, and the gas drainage concentration is consistentlymaintained at about 60, which ensures the gas. Safe and efficient extraction. Key words Gas drainage ; drillingseal ; wall coating 1工程概况 该矿属于高瓦斯矿井， 2 煤层绝对瓦斯压力范 围为 0.5～0.67MPa， 瓦斯含量为 5.83～7.58 m3/t， 透 气性系数为 0.4625m2/ （MPa2.d） ， 属可以抽放煤层。 某工作面配风量 2425m3/min，回采期间主要为本煤 层钻孔抽采 （正、 付巷均施工有钻孔抽采） 、 上隅角 （两趟） 埋管抽采及裂隙带钻孔抽采三种抽采方法， 在进行抽采工作时为保证抽采效果， 通过在顺槽内 采动帮采用壁面进行喷涂、 固液混合钻孔密封以及 充填护孔的三位一体封孔瓦斯抽采技术进行瓦斯 抽采工作， 现针对这三种措施的具体方法对本煤层 瓦斯抽采效果的影响进行分析。 2巷道壁面喷涂对瓦斯抽采的影响 为有效防止在瓦斯抽采时煤壁出现漏气现象， 故需对钻孔周围裂隙及巷帮裂隙进行有效封堵， 使 用壁面喷涂能够对煤壁的裂隙形成很好的封堵， 从 源头上对隔离漏气通道， 现通过 FLUENT 软件对瓦 斯抽采钻孔的煤壁采用的壁面喷涂前后的抽采效 果进行模拟对比分析，根据工作面现场的具体情 况， 建立如图 1 所示的几何模型， 模型中煤层沿孔 径径向的长度为 50m，沿钻孔方向的长度为 100m， 并在模型中设置观察点 A， 其坐标为 （2,27） ， 设置煤 层压力为 2MPa， 钻孔孔口抽采压力为 - 20kPa。 图 1煤层瓦斯抽采几何模型 2.1未喷涂煤壁抽采效果 根据瓦斯抽采的现场情况可知， 在进行本煤层 瓦斯抽采作业时， 巷道内的气体会通过钻孔的封孔 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 47 ChaoXing 段或者裂隙进入到钻孔， 现对巷道一侧的漏风情况 进行考察， 为简化研究视漏风侧的压力出口值为 0， 以此条件对煤层瓦斯的抽采压力随时间的变化情 况进行考察， 根据模拟结果选取考察点 A 具有代表 性的点进行瓦斯压力随抽采时间变化规律的拟合， 曲线图如图 2 所示。 分析图 2 可知， A 点的瓦斯压力会随着时间的 增加呈现出明显的负指数规律下降， 在 16d 以前， A 点的瓦斯压力会急剧下降，且在 26d 时降低为负 值， 钻孔开始出现漏风现象， 在 60d 时钻孔的漏风 达到 - 20kPa。 图 2未喷涂煤壁时 A 点瓦斯压力 - 时间曲线 2.2喷涂煤壁抽采效果 在巷道一侧煤壁喷涂时， 将模型一侧设为完全 不漏风的状态， 通过建立的数值模拟模型对不同抽 采时间下， 本煤层的瓦斯压力的变化规律进行模拟 分析， 通过选取模型中较具有代表性的考察点 A 中 对瓦斯压力随时间的变化规律进行拟合， 得出曲线 图如图 3 所示。 图 3喷涂一侧煤壁后瓦斯压力 - 时间变化曲线 分析图 3 可知， A 点的瓦斯压力随着时间的呈 现出明显的指数规律下降， 且下降较为剧烈的区域 为前 25d， 25d 后下降速度逐渐平缓， 最后趋近于一 个定值， 这即可说明在煤壁在喷涂后完全不漏气的 状态下， 巷道壁面处的瓦斯会逐渐被抽走， 但由于 抽采能力的有限， 不会降低到零， 且抽采半径不会 随着时间的增长无限增大。 根据上述分析可知壁面在未采取喷涂措施时， 瓦斯压力会随着抽采时间的增大而逐渐减小， 并且 在最终会变为负值， 当巷道煤壁采取喷涂措施时， 在 一定范围内， 瓦斯抽采的有效半径随着抽采时间的增 长而逐渐变大， 抽采效果良好， 据此可知壁面喷涂能 够有效的减小负压损耗， 提高瓦斯的抽采效率。 3煤层瓦斯充填护孔抽采研究 工作面在进行瓦斯抽采作业时采用充填护孔 的方式保护钻孔， 该方法即为在抽采气室中注入高 透气性的多孔流体状态材料，在多孔材料凝固后， 能够有效的防止钻孔坍塌， 确保瓦斯抽采的可持续 性[1-3]， 具体充填护孔的方式如图 4 所示。 1- 煤体； 2- 多孔介质材料； 3- 瓦斯抽采管； 4- 钻孔封孔段 图 4充填护孔方法示意图 在工作面进行充填护孔作业时， 主要使用的为 多孔介质材料，在施工时就地选用煤屑作为骨料， 使用泡沫轻质土作为钻孔抽采气室的多孔介质充 填材料， 泡沫轻质土是通过物理方法将发泡水溶液 制备成泡沫得到，由于泡沫轻质土泡孔结构的存 在， 能够与内部泡孔形成沟通， 提升透气性， 同时其 作为钻孔充填材料具有良好的抵抗冲击的特性， 能 够有效的防止钻孔的失稳变形[4-5]。 在进行充填护孔作业时， 其操作流程为 首先 使用钻机在预定的位置处施工穿层瓦斯钻孔或者 本煤层钻孔，在钻孔打设完毕后进行退钻作业， 通 过空心钻杆向打设完毕的钻孔内注入充填材料， 最 后进行常规的钻孔封孔作业。 4三位一体封孔抽采技术 4.1封孔抽采技术 在工作面瓦斯抽采钻孔的孔径为 130mm， 抽采 负压为 20kPa 的条件下，在运输顺槽内选取部分钻 孔采用三位一体的封孔技术进行瓦斯抽采， 工作面 进行瓦斯抽采工作时采用壁面喷涂、 固液混合钻孔 密封及充填护孔的方式进行瓦斯抽采工作， 具体现 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 48 ChaoXing 场进行瓦斯抽采时施工顺序如图 5 所示。 图 5三位一体封孔抽采技术流程图 现场施工采用固液混合流体的方法进行封孔 时， 通过将蓄能稳压设备与注浆管路进行连接， 以此 保证在注浆完成后封孔段流体材料的压力能够处于 指定的流域，从而有效确保在新的裂隙出现时流体 材料不会由于供给不足而出现封孔段失效的现象。 在封孔作业完成后，在孔口处进行喷涂以在煤 壁面上形成隔膜层，阻止煤壁与外部空气相接触， 保 证瓦斯抽采的高效性， 在进行煤壁喷涂作业时， 以钻 孔为中心， 对周围 3m圆形区域内进行有效喷涂。 4.2效果分析 为对三位一体封孔抽采的效果进行分析， 选取 运输顺槽在原始封孔技术下的钻孔与采用三位一 体封孔技术的钻孔进行对比分析， 本次试验共计选 取 20 个钻孔，将采用三位一体封孔工艺的钻孔标 记为Ⅰ类钻孔， 采用该封孔技术的钻孔共计 18 个， 将采用采用原有 “两堵一注” 封孔工艺的钻孔标记 为观察孔， 通过对瓦斯抽采作业时进行持续 30d 的 观测， 能够得出Ⅰ类钻孔与对比孔瓦斯抽采浓度间 的对比曲线， 具体曲线图如图 6 所示。 图 6Ⅰ类试验孔与观察孔对比曲线图 通过分析图 6 可知， 工作面运输巷内本煤层瓦 斯抽采的考察钻孔和试验钻孔均有着较高的初始 抽采浓度，这表明巷道在掘进期间由于开挖的影 响， 使得巷道周围的煤体形成卸压作业， 增大了煤 层的透气性系数，进而导致钻孔内的瓦斯含量很 高，通过对比曲线图可知在 30d 的考察时间内， 试 验孔的瓦斯抽采浓度一致保持在 48～58左右， 而采用原始封孔工艺的观察孔瓦斯抽采的浓度会 随着时间的增加出现较快的衰减， 在监测到 30d 左 右时瓦斯抽采的浓度已经降低至 8～10， 出现这 种现象的主要原因为在抽采初期由于孔内的瓦斯 含量大， 在抽采一定时间后， 随着钻孔内游离瓦斯 数量的减少， 采用原有封孔工艺的密封质量较差的 弊端会显现的越来越明显， 观察孔的瓦斯抽采浓度 逐渐降低， 进而致使试验钻孔与观察孔相对比的瓦 斯抽采浓度增量在逐渐增大。 综合上述分析可知工作面采用三位一体密封 高效抽采技术， 通过在煤壁上进行喷涂、 固液混合 钻孔密封以及充填护孔三种技术相结合的方式， 提 高了封孔效率， 保证了瓦斯的安全高效抽采。 5结论 针对工作面的具体地质条件， 通过具体分析瓦 斯抽采作业时巷道壁面喷涂、 煤层瓦斯充填护孔对 瓦斯抽采效果的影响， 提出三位一体封孔技术进行 高效瓦斯抽采作业，并对应用效果进行监测分析， 得出采用三位一体密封封孔工艺的瓦斯抽采浓度 一致保持在 48～58左右， 可知三位一体密封抽 采技术保证了瓦斯安全高效抽采。 参考文献 [1] 章光,吴金刚,杨龙杰.非等压应力场上向长距离穿层瓦斯 抽采钻孔密封长度研究[J].岩石力学与工程学报,2018,37 S13422- 3431. 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