大倾角碎软低渗煤层封孔提浓成套技术_黄学满.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 新疆矿区煤炭、 煤层气资源丰富， 煤炭储量占全 国的 40以上，煤层气预测储量占全国的 26， 是 全国重要的煤炭基地之一[1-3]。但新疆煤层气资源勘 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 2016ZX05067004-004， 2016ZX05043005-003； 中煤科工集团科技 创新创业资金专项资助项目 （2019-TD-QN038） ； 中煤科工集团重 庆研究院有限公司自立创新引导资助项目 （2018YBXM32） 大倾角碎软低渗煤层封孔提浓成套技术 黄学满 1， 巴全斌2， 3 （1.重庆工程职业技术学院 资源与安全工程学院， 重庆 402260； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 3.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 新疆艾维尔沟矿区大倾角碎软低渗煤层存在预抽瓦斯浓度低且衰减快问题， 抽采效果 不理想。为解决该技术难题， 基于围岩应力和裂隙带分布特征确定合理封孔参数， 根据管流流体 力学理论， 研发了抽采钻孔封孔参数检测装备， 实现了封孔深度、 密封效果等参数的检测检验； 提出了径向膨胀主动承压注浆封孔工艺， 设计研制新型浆体膨胀封孔材料及工艺装备， 形成了 适合新疆地区大倾角多煤组赋存条件的高效封孔提浓成套技术装备。结果表明 通过在新疆焦 煤二一三〇煤矿应用试验， 经检测抽采钻孔封孔深度应超过 12 m， 试验钻孔封孔注浆压力达到 1.5 MPa， 单孔瓦斯抽采浓度提高比例在 96以上， 抽采效果大幅改善。 关键词 大倾角煤层； 碎软低渗； 封孔提浓； 瓦斯抽采； 抽采效果 中图分类号 TD713文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0061-05 Complete Set of Technology of Hole Sealing and Concentration Increasing in Big Dip Broken Soft and Low Permeability Coal Seam HUANG Xueman1, BA Quanbin2,3 （1.School of Resources and Safety Engineering, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China; 2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 3.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China Abstract The large dip and broken soft low permeability coal seam in Ewirgol Mining Area in Xinjiang has the problems of low pre-drained gas concentration and fast attenuation, and the extraction effect is not ideal. In order to solve this technical problem, a reasonable hole sealing parameter was determined based on the surrounding rock stress and crack zone distribution characteris－ tics, according to the theory of pipe flow hydrodynamics, the equipment for testing the parameters of the drilling hole sealing was developed, and the testing and inspection of the sealing depth and sealing effect were realized. The radial expansion active pres－ sure grouting sealing technology was proposed, and a new design was developed. The slurry expansion sealing material and process equipment have ed a complete set of high-efficiency sealing and concentration increasing technology equipment suitable for the occurrence conditions of large inclination multiple coal groups in Xinjiang. The results show that through the application test in Xinjiang Coking Coal No.2130 coal mine, the borehole sealing depth of the tested drilling should exceed 12 m, the grouting pres－ sure of the borehole sealing of the test borehole reached 1.5 MPa, and the single-hole gas drainage concentration increased by 96 more than 96, the extraction effect has been greatly improved. Key words large angle coal seam; soft and low permeability; sealing and concentration increasing; gas drainage; extraction effect DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.012 黄学满，巴全斌．大倾角碎软低渗煤层封孔提浓成套技术［J］．煤矿安全，2020，51（11） 61-65. HUANG Xueman, BA Quanbin. Complete Set of Technology of Hole Sealing and Concentration Increasing in Big Dip Broken Soft and Low Permeability Coal Seam［J］. Safety in Coal Mines, 2020, 51（11） 61-65. 移动扫码阅读 技术 创新 61 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 1钻孔周围裂隙场分布 Fig.1Fissure field distribution around the borehole 查开发起步较晚，研究基础工作及开发技术水平相 对于东中部地区薄弱[4]。长期以来， 新疆矿区主要为 浅部开采， 对煤层气开发、 瓦斯抽采等开展少， 另外 典型的多煤组、大倾角碎软煤层特点使得井下钻孔 施工困难、 成孔率低； 高寒地区温度低， 影响常规封 孔材料性能， 井下封孔效果差、 抽采浓度不高， 使得 煤层气资源的抽采难以取得较好的效果，煤矿生产 安全性也无法得到有效保障[5-6]。抽采钻孔封孔作为 井下煤层气开发利用的重要环节之一，具有承上启 下的关键作用，封孔质量的好坏直接关系到抽采效 果及后续煤层气利用气源保障。因此，在近几年发 展起来的高效抽采技术、碎软煤层钻孔与抽采技术 的基础上，针对新疆煤矿区的多煤组、大倾角特点 进一步研究和完善，形成适合新疆煤层气赋存特点 的抽采钻孔高效封孔提浓成套技术装备，为新疆煤 层气开发与利用产业的发展提供有效的技术支撑。 1矿井概况 新疆焦煤 （集团） 有限责任公司艾维尔沟矿区地 处天山山区， 呈近东西向狭长状展布， 西高东低， 东 西长 23.4 km， 南北宽 1.5～4 km， 面积 50 km2， 最大 海拔落差达 775 m。煤层总厚度 22.78 m， 可采煤层 总厚度 21.76 m， 煤层顶底板岩性多为细砂岩、 粉砂 岩、 砂砾岩。二一三〇煤矿位于矿区中西部， 核定生 产能力为 1.20 Mt/a， 为大倾角、 碎软、 煤与瓦斯突出 煤层群开采，主采 4 号、 5 号、 6 号煤层，煤层厚度 0.4～9.77 m， 煤层倾角 35～43， 煤的硬度系数 f 值 0.3～0.5，煤层透气性系数 0.029～0.594 m2/ （MPa2 d） ， 煤层瓦斯压力 0.6～2.0 MPa， 矿井绝对瓦斯涌出 量 10.92～29.53 m3/min， 相对瓦斯涌出量 5.86～30.05 m3/t， 为煤与瓦斯突出矿井。 矿井瓦斯抽采主要以钻孔预抽和采空区抽采为 主，采用本煤层顺层钻孔和底板瓦斯巷穿层钻孔预 抽。其中， 25213 工作面轨道巷瓦斯抽采钻孔倾角 19左右， 孔径 94 mm， 孔深 41～47 m， 封孔材料采用 水泥注浆，钻孔孔口使用马丽散封堵，利用抽采管 自然返浆， 封孔深度 9 m。该区域钻孔单孔浓度低、 衰减较快， 抽采达标时间长， 抽采效果不理想。 2封孔提浓技术原理 2.1抽采钻孔围岩应力和裂隙带分布特征 抽采钻孔周围围岩应力及裂隙场形成主要为 2 部分一部分是巷道开挖过程中产生的巷道两侧围 岩应力重新分布和裂隙场形成，另一部分是钻孔施 工产生[7-8]。巷道形成后， 围岩受力状态由三向变成 了近似两向， 岩石强度大幅度地下降， 围岩中依次出 现破碎区、 塑性区、 弹性区和原岩区[9]。而在钻孔施 工过程中， 类似于小型巷道开挖， 钻孔周围应力重新 分布， 机械钻进破坏了煤体完整性， 煤体原有应力场 平衡被破坏， 钻孔周边煤体产生新的损伤和破坏， 在 钻孔径向一定范围内也形成了类似巷道裂隙场的分 布[10]。钻孔周围裂隙场分布如图 1。 图 1 中阴影部分为巷道开挖和钻孔二次扰动形 成的钻孔周围煤体裂隙场分布。根据煤岩的应力应 变特性， 破碎区、 塑性区内部产生大量裂隙并相互贯 穿， 为瓦斯流动提供了良好通道， 煤层透气性显著提 高， 瓦斯排放能力增强， 同时也构成了外界空气进入 钻孔的通道，空气在钻孔内外压差的作用下通过联 通的裂隙进入钻孔内造成抽采浓度降低，其中漏气 量最大的部分位于巷道破碎区和塑性区范围，向煤 体深部逐渐减少。 要保证钻孔内的抽采浓度，不仅要保证封孔材 料和抽采管、 钻孔内壁的结合处的气密性， 而且还要 切断空气摄入通道，因此抽采钻孔的封孔深度要到 达弹性区处，针对易失稳的碎软煤岩层需要到原岩 区范围，同时要求封孔材料能渗入钻孔壁周围的裂 隙内。 2.2径向膨胀主动承压注浆封孔工艺 根据抽采钻孔周围裂隙场分布特征，除了确定 的钻孔合理封孔深度，即掌握了孔内裂隙较发育的 横向长度范围外， 还需有效封堵钻孔周围裂隙[11-16]， 提出了径向膨胀主动承压注浆封孔工艺，采用具有 膨胀性的无机封孔材料和实现带压注浆封孔工艺。 工艺原理是利用注浆泵将封孔材料带压注入钻 孔周围裂隙中， 对钻孔周围煤岩体施加主动支护， 待 材料有效渗入到煤体裂隙中，膨胀硬化反应后完成 封孔。具体工艺操作， 在抽采管两端设置挡板， 使其 内部形成密闭空间，然后利用注浆设备将封孔材料 62 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 带压注入密闭空间中，完成瓦斯抽采钻孔封孔。径 向膨胀主动承压注浆封孔工艺原理如图 2。 3封孔提浓成套技术装备 3.1抽采钻孔封孔参数检测技术装备 1） 检测技术原理。根据管流流体力学理论， 当 钻孔封孔质量好以及钻孔周边不漏气时，在抽采负 压作用下，抽采钻孔内瓦斯浓度随孔深的加基本保 持不变， 抽采负压呈线性衰减； 当钻孔封孔质量差、 封孔深度不足或钻孔周边某一位置漏气时，在抽采 负压作用下，抽采钻孔内瓦斯浓度和负压沿孔深的 分布将出现突变[17-20]， 即在在孔口至漏气位置区域 内瓦斯浓度急剧降低，而漏气位置以内区域瓦斯浓 度较高。 2） 装备构成及操作。抽采钻孔封孔参数检测装 备主要由瓦斯参数探测管、快接三通装置及封孔参 数检测仪组成， 封孔参数检测装置工作原理如图 3。 瓦斯参数探测管，主要为封孔参数检测仪提供气体 样品，使用时探测管一端深入抽采钻孔内部采集不 同位置气体样品，另一端与快接三通上的采样测量 口相连。快接三通由 2 个接口和 1 个采样测量口组 成， 其中 2 个接口主要用于连接抽采管和接抽管， 采 样测量口一端连接瓦斯参数探测管，另外一端连接 封孔参数检测仪。封孔参数检测仪实现对抽放钻孔 不同深度的压力、瓦斯浓度的自动测量并输出测量 结果， 并自动生成统计报表和瓦斯浓度曲线图。 3） 封孔效果参数评判准则。结合图 3 所布置测 点位置，根据参数检测结果，提出了评判抽采钻孔 密封质量和封孔参数的方法 ①若测点 C1处的瓦斯 浓度明显低于测点 C0处， 则表明抽采管破损或接口 漏气；②若测点 C2处的瓦斯浓度明显低于测点 C1 处， 则表明抽采管封孔效果差； ③若测点 C3处的瓦 斯浓度明显低于测点 C2处，则表明封孔深度不足； ④若测点 C4处的瓦斯浓度明显较小， 则表明抽采钻 孔的深部存在漏气点。 3.2径向膨胀主动承压封孔技术装备 1） 新型浆体膨胀封孔材料。根据新疆矿区碎软 低渗煤层抽采钻孔对封孔材料的强度、 膨胀性、 密封 性等性能要求， 新型封孔材料组成， 按照质量比分别 为水泥 48～55，粉煤灰 8～10，硫酸钙 8～ 9， 碳酸钙 18～20， 二氧化硅 8～9， 甲基纤维 素 0.2～0.3，抗裂剂 0.8～1.8，减水剂 1～ 2， 铁粉 0.8～1， 铝粉 0.8～1.0， 草酸 0.2～ 0.4。经过试验测定， 新型封孔材料膨胀反应时间 为配料完成后 15～45 min， 膨胀稳定时间短， 膨胀后 不收缩变形，浆体材料的可注性、流动性和现场可 操作性较好， 保证了材料能够向钻孔周围裂隙渗透， 有效封堵微小裂隙。 2） 自适应囊袋式注浆封孔器。为实现径向渗透 式主动承压封孔工艺要求，提高对不同钻孔条件的 适应性，研发了适用于不同孔径和抽采管径的新型 自适应囊袋式注浆封孔器， 自由膨胀外径不小于 30 mm， 囊袋宽度 230 mm， 承压达到 2.0 MPa， 自适应 囊袋式注浆封孔器如图 4。 封孔器工作时， 首先利用 注浆泵通过注浆管注浆， 封孔囊袋内单向阀打开， 浆 液水体通过封孔囊袋滤出， 浆体在囊袋内部堆积， 囊 袋体积和内部浆体压力不断增大，囊袋与孔壁紧密 结合， 当囊袋内压力达到一定值时， 封孔囊袋外爆破 阀打开， 浆体不断进入囊袋之间的密闭空间， 待注浆 压力达到要求时停止注浆。 3） 便携式气动封孔注浆泵。根据径向膨胀主动 承压注浆封孔工艺要求， 设计实现一定压力要求、 轻 便的气动注浆设备， 具有体积小、 质量轻、 使用可靠 特点。工作时利用井下压风气压差的作用，使泵杆 内的活塞上下运行，带动导料活塞开闭，起到提料 送料的作用，调整压风的流量与气压可以控制和调 图 2径向膨胀主动承压注浆封孔工艺原理 Fig.2The principle of radial expansion and active pressure grouting sealing technology 图 3封孔参数检测装置工作原理 Fig.3Working principle of sealing parameter detection device 63 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 7试验钻孔瓦斯抽采浓度曲线图 Fig.7Concentration curves diagram of gas drainage in test borehole 节气动注浆泵的送料流量。同时，为提高气动封孔 注浆泵的工作效率及使用便捷性，配套设计专用搅 拌筒和搅拌器， 气动封孔注浆泵结构如图 5。 气源压 力 0.4～0.63 MPa， 气源流量 0.4～0.55 m3/min， 额定工 作压力达到 2.5 MPa， 流量达到 22 L/min。 4应用效果 4.1合理封孔参数检测结果 通过在二一三〇煤矿 25213 工作面轨道巷应用 抽采钻孔封孔参数检测技术装备进行抽采钻孔封孔 质量和参数检测。根据封孔参数检测情况显示， 25213 工作面轨道巷钻孔孔口抽采浓度普遍较低， 日平均抽采瓦斯浓度最大仅为 27.6，且大部分浓 度集中在 10～20之间，平均瓦斯抽采浓度为 18.4， 抽采钻孔封孔质量参差不齐， 整体抽采效果 一般，且存在钻孔塌堵孔现象。抽采钻孔封孔参数 检测曲线如图 6。封孔深度 9～12 m 范围内钻孔内 存在瓦斯抽采浓度突变点， 即漏气点， 钻孔深度超 过 12 m 以后，钻孔内部瓦斯抽采浓度呈现线性增 长趋势。基于现场实测封孔参数检测情况可知， 该 区域抽采钻孔封孔深度应超过 12 m。 4.2效果考察 在 25213 工作面轨道巷开展了封孔提浓成套技 术装备试验， 试验钻孔 13 个， 试验采用以上新型封 孔材料、自适应新型封孔器和便携式气动封孔注浆 泵成套技术装备。 试验过程中， 注浆压力达到 1.5 MPa， 封孔深度 延深至 13 m， 跟踪考察试验钻孔的抽采数据变化情 况。在考察时间 25 d 内， 试验钻孔瓦斯抽采单孔浓 度最大为 83， 日平均瓦斯浓度变化范围在 26.93 ～49.36，衰减幅度较小；其中 2、 4、 6、 7、 9、 10、 13试验钻孔平均瓦斯浓度保持在 36以上，封孔 效果较好。通过对比分析试验钻孔与原有封孔抽采 效果可以得到，单孔瓦斯抽采浓度提高比例达到 96以上， 抽采效果大幅改善。 试验钻孔瓦斯抽采浓 度曲线如图 7。 图 4自适应囊袋式注浆封孔器 Fig.4Self-adaptive bladder type grouting hole sealing device 图 5气动封孔注浆泵结构图 Fig.5Pneumatic sealing grouting pump structure diagram 图 6抽采钻孔封孔参数检测曲线 Fig.6Detection curves of sealing parameters of drainage borehole 64 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 5结语 1） 基于松动圈裂隙场理论确定合理封孔深度， 得到封孔深度要超过巷道松动圈范围，同时要求封 孔材料能够有效密封钻孔周围的裂隙；根据管流流 体力学理论，在负压状态下通过检测抽采钻孔内不 同深度的瓦斯浓度和抽采负压分布规律，实现合理 封孔深度等封孔参数装备检测。 2 ） 形成了适用于新疆矿区大倾角、 碎软低渗煤 层赋存特点的抽采钻孔高效封孔提浓成套技术， 包 括封孔参数检测和径向膨胀主动承压封孔技术装 备，为新疆矿区井下煤层气开发高效封孔提浓提供 技术保障。 3） 通过在新疆焦煤二一三〇煤矿应用结果表明， 经检测抽采钻孔封孔深度应超过 12 m， 试验钻孔封 孔注浆压力达到 1.5 MPa，单孔瓦斯抽采浓度提高 比例在 96以上， 抽采效果大幅改善， 为推动新疆 煤层气开发利用产业的发展提供技术支撑。 参考文献 ［1］ 赵旭生， 刘延保， 申凯， 等．煤层瓦斯抽采效果影响因 素分析及技术对策 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （1） 179. ［2］ 赵力， 杨曙光．新疆煤层气产业发展现状及存在问题 ［J］ ．中国煤层气， 2018， 15 （3） 3－6． ［3］ 张玉垚， 程晓茜， 弓小平， 等．新疆典型矿区低煤阶煤 层气成藏差异对比研究 ［J］ ．中国矿业， 2019， 28 （6） 172－179． ［4］ 宋明智．新疆煤炭供需平衡分析及产业发展技术路线 研究 ［D］ ．北京 中国矿业大学 （北京） ， 2013． ［5］ 张琨， 杨曙光， 木合塔尔 扎日， 等．新疆艾维尔沟矿区 瓦斯赋存影响因素分析 ［J］ ．煤矿安全， 2013， 44 （9） 175－177． ［6］ 王正帅．艾维尔沟矿区抽采半径影响因素及其影响程 度分析 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （12） 164－171． ［7］ 张磊．抽采钻孔孔周裂隙扩展机理及其检测技术研究 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2019． ［8］ 吴教锟．基于应力分布特征的顺层钻孔合理封孔深度 研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2017， 44 （1） 62－65． ［9］ 黄瑞峰， 张志刚， 程波．井下抽采钻孔瓦斯浓度控制机 理及方法研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （5） 128. ［10］ 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， 46 （1） 33－36． ［11］ 王振锋， 周英， 孙玉宁， 等．新型瓦斯抽采钻孔注浆封 孔方法及封堵机理 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （3） 588. ［12］ 国林东．软煤顺层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺及合理 参数研究 ［D］ ．北京 煤炭科学研究总院， 2019． ［13］ 巴全斌， 赵旭生， 刘延保．松软煤层顺层钻孔带压注 浆封孔技术研究应用 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （7） 61－63． ［14］ 刘延保， 熊伟．顺层瓦斯抽采钻孔封孔提浓技术及应 用 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （1） 63－66． ［15］ 周俊． 煤矿井下瓦斯抽采钻孔封堵技术的研究现状 及发展方向 ［J］ ．矿业安全与环保， 2017， 44 （6） 74. ［16］ 罗伙根， 李振兴．保德煤矿顺层瓦斯抽采钻孔封孔工 艺研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （8） 88－90． ［17］ Ba Q． Research on gas leakage mechanism and detec－ tion technology of coal mine gas drainage［J］ ． IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 2020, 446 1-7. ［18］ 杜其堂， 魏风清．抽采钻孔封孔质量检测方法研究与 应用 ［J］ ．中州煤炭， 2014 （8） 43－45． ［19］ 杨宏民， 任发科， 王兆丰， 等．瓦斯抽采钻孔封孔质量 检测及定量评价方法 ［J］ ．煤炭学报， 2019， 44 （S1） 164－170． ［20］ 张天军， 宋爽， 李树刚， 等．瓦斯抽采钻孔封孔质量检 测技术与应用 ［J］ ．西安科技大学学报， 2017， 37 （5） 623－629． 作者简介 黄学满 （1972） ， 江西彭泽人， 研究员， 主要 从事安全技术与管理的教学与科研工作。 （收稿日期 2020-08-06； 责任编辑 王福厚） 65