高瓦斯综放面顺层钻孔二次封孔优化设计研究_申潞杰.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 0引言 我国矿井的瓦斯抽采率较低， 无法有效改善高瓦 斯矿井安全生产现状， 也大大限制了矿井生产能力 [1]。 目前， 高瓦斯矿井抽采率低主要原因时抽采孔的封孔 质量差。 当前井下封孔技术主要有机械注水泥砂浆封 孔、 封孔器封孔、 聚氨酯树脂封孔等手段。 但这些封孔 手段漏气严重，忽略了钻孔四周煤体裂隙的影响， 导 致封孔质量差， 瓦斯抽采浓度降低[2,3]。 本文以 3211 综 放面为研究对象， 根据二次封孔技术的原理， 研究改 进型二次封孔技术，应用到顺层钻孔的封孔工作中， 并对改进型二次封孔技术现场工艺进行优化设计， 研 究结果可为条件类似的矿井提供技术指导。 1矿井概况 伯方煤矿 3211 工作面位于井田西北部，北部为 断层带， 南与 3209 工作面相邻， 东侧与二盘区回风大 巷相接。3211 工作面推进长度设计 2673m， 可采长度 2525m， 采长 180m， 埋深 224～344m， 采用一次采全高 综放开采工艺。3211 工作面主采煤层 3 煤层， 煤层 厚度 4.64～5.77m， 平均 5.46m； 含 1～3 层夹矸， 夹矸总 厚 0.1～0.4m； 煤层倾角 2～7； 平均 5； 煤层硬度 f1～2，层理、节理为中等发育；煤层透气性系数为 0.84m2/MPa2d，属于低透性煤层。工作面瓦斯压力为 0.88MPa， 煤层瓦斯含量为 4.22m3/t。 2矿井原封孔技术与瓦斯抽采效果 2.1原封孔技术方案 井下瓦斯抽采管外径 50mm， 长度 20m， 钻孔的 直径为 89mm，原采用聚氨酯封孔袋方式进行封孔。 首先用封孔袋在抽采管前段 2m 处进行密封， 每 2 个 封孔袋为 1 组， 固定在抽采管上， 共 7 组， 各组间隔 300～500mm， 待封孔材料充分混合后， 送入钻孔， 如图 1 所示。图中 L1（约为 1.0m ） 为抽采管花管段， 在抽采 管前段四周打上花眼， 可以在送管和抽采的过程中防 止煤屑堵塞抽采管， 保证抽采效果； L2（约为 0.5m ） 为 高瓦斯综放面顺层钻孔二次封孔优化设计研究 申 潞 杰 （山西兰花科技创业有限公司伯方煤矿分公司 ， 山西 高平 ，048400 ） 摘要 针对伯方煤矿 3211 综放面赋存情况， 实测分析了原封孔工艺抽采效果， 显示原工艺封孔效 果较差， 初始抽采浓度低、 抽采浓度衰减快、 抽采时间短和瓦斯浓度变化异常； 根据二次封孔技术的原 理， 研究了改进型二次封孔技术， 确定了封孔深度 16m， 一次封孔长度 8m， 粉料腔室长度 7m， 实测结 果显示改进型二次封孔技术所封钻孔在平均单孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量和平均有效抽采时 间方面分别提高了 10.3， 1.3L/min 和 22.2d， 封孔效果良好。 关键词 高瓦斯综放面 ； 顺层钻孔 ； 二次封孔 ； 优化设计 ； 抽采效果 中图分类号 TD712.62文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0065- 04 Optimum Design of Secondary Sealing for Bed Drilling in Fully Mechanized Caving Face with High Gas Content SHEN Lujie Shanxi Lanhua TechnologyVenture Co., Ltd. BofangCoal Mine Branch , Gaoping 048400 ， China Abstract Aimingat the occurrence of3211 fullymechanized cavingface in BofangCoal Mine, the actual measurement and analysis ofthe o- riginal sealing effect show that the original sealing effect is poor, the initial extraction concentration is low, the extraction concentration de- creases rapidly, the extraction time is short and the gas concentration changes abnormally. According to the principle of secondary sealing technology, the improved secondary sealing technology is studied, and the sealing depth is 16 m, the length of primary sealing is 8 m, and the powder concentration changes abnormally. The length of material chamber is 7m. The measured results showthat the average single hole gas extraction concentration, gas extraction pure flowand average effective extraction time ofthe sealed boreholes bythe improved secondaryseal- ingtechnologyare increased by10.3, 1.3L/min and 22.2d, respectively. The sealingeffect is good. Keywords high gas fullymechanized cavingface ; beddingdrilling; secondarysealing; optimization design ; extraction effect 65 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 缓冲段，防止聚氨酯封孔袋膨胀堵塞花管； L3（约为 8.0m ） 为封孔段； 矿井原封孔工艺对 L4段未采取任何 封堵措施， 只在孔口处用棉布堵住， 其中 L3L415.0m。 图 1矿井原封孔工艺示意 2.2原方案下瓦斯抽采效果观测 本次观测选取 3211 综放面回风平巷 600m 处矿 方采用原封孔工艺密封的 10 个钻孔，均在成孔当天 进行钻孔密封抽采工作， 主要观测钻孔的瓦斯抽采浓 度、 抽采混合流量和瓦斯抽采纯流量观测结果， 如图 2 所示。 （a ）239 钻孔（b） 240 钻孔 （c ） 241 钻孔（d） 242 钻孔 （e） 243 钻孔（f ） 244 钻孔 图 2原方案下瓦斯抽采观测效果 由图 2 可知， 在原封孔方案下钻孔最高瓦斯抽采 浓度为 45～85，最低瓦斯抽采浓度为 1～10； 瓦 斯的抽采混合流量最高为 11～28L/min，最低为 6～9L/min。 分析以上数据可得到矿方原封孔工艺密封 的钻孔存在以下问题 1 ）钻孔初始抽采浓度普遍不高， 封孔质量差； 2 ）抽采瓦斯浓度低， 高浓度状态的抽采时间短， 一般在 23 天左右时，因瓦斯抽采浓度低于观测设置 水平而停止进行观测。 3 ）瓦斯抽采浓度的衰减速度比较快。 封孔当日， 瓦斯抽采浓度较高， 随后， 瓦斯抽采浓度下降迅速， 一 般在 9 天后低于初始状态的 20。 4 ）瓦斯抽采浓度差异较大。瓦斯抽采浓度变化 无规律， 存在较大异常， 差异大， 严重影响了抽采系统 的安全性。 3顺层钻孔改进型二次封孔技术试验 3.1改进型二次封孔技术工艺 改进型二次封孔技术是基于煤层钻孔裂隙发育 研究和二次封孔技术原理进行改进封孔的， 该技术既 可以保证封孔初期瓦斯抽采效果达到一个很高的水 平， 还可有效的对钻孔周边裂隙进行封堵， 延长钻孔 抽采周期， 提高钻孔抽采效果。具体工艺如下所述 1 ）确定封孔深度。 基于巷道松动圈理论， 封孔深 度大于巷道松动圈半径， 但小于应力集中峰值点的距 离。 本文通过测定钻屑量变化规律确定出巷道松动圈 大小， 和应力峰值点的位置， 由此确定封孔深度[4， 5]。 2 ）确定封孔材料以及用量。目前聚氨酯类发泡 材料凭借着发泡倍数高、 固化速度快、 工艺简单等优 点得到了广泛的应用[6]。改进型二次封孔技术在一次 封孔阶段采用中国矿业大学与天津大学合作研制的 赛瑞聚氨酯封孔材料， 其与钻孔壁的粘结性、 致密性 及其强度等均效果较好， 可以通过改变材料配比调节 发泡时间适用于不同长度的钻孔密封。 3 ）确保钻孔初次密封质量。改进型二次封孔技 术中， 保证钻孔初次密封的质量是改进型二次封孔技 术的关键之一。 在钻孔初次密封阶段我们通常采用棉 布卷料的方法进行封孔， 通常封孔长度根据现场工作 经验略小于封孔深度的一半， 但具体长度还要根据钻 孔的实际情况确定。 4 ） 实施粉料输送阶段。钻孔初次密封阶段完成 后， 向钻孔内送入长度 1.5～2.0m 的粉料输送管， 粉料 输送管末端露出钻孔 0.5m 方便连接粉料输送设备， 孔口用棉布蘸聚氨酯发泡材料堵住，封堵长度为 0.3～0.5m。 调节主风路风压至 0.15MPa， 向钻孔内输送 粉料。 通过粉料机上的压力表示数或高压胶管内的粉 料运动状态判断粉料输送情况， 然后将粉料输送管用 66 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 黄泥或者棉布封死， 即完成改进型二次封孔技术的全 部操作。 3.2试验地点与方法 本次实验采用对比试验的方法， 即对比改进型二 次封孔技术与矿方原封孔技术瓦斯抽采效果。 试验地 点同样选择在 3211 综放面回风平巷紧挨矿方原封孔 工艺密封的钻孔， 预计施工 20 个试验钻孔， 采用改进 型二次封孔技术进行钻孔密封， 观测记录钻孔的瓦斯 抽采浓度、 抽采混合流量和瓦斯抽采纯流量。当连续 2 次以上瓦斯抽采浓度均小于 16时， 停止观测。 3.3试验设计方案 在施工设计方面， 改进型二次封孔技术参照矿方 原封孔工艺进行， 钻孔前段的密封长度保持与矿方原 封孔工艺保持一致， 但是在工艺上采用棉布卷料的方 法， 棉布长度为 6m， 膨胀后封孔段长度可达 8m， 钻孔 密闭腔室内预留 1.5m长的粉料输送管，孔口用棉布 卷裹混合聚氨酯进行密封。 输送粉料颗粒阶段， 用井下压风管路连接粉料机进 行动力输送， 将粉料通过风力输送到钻孔密闭腔室内。 3211 工作面回风平巷平均钻屑量随巷道煤体深 度的变化关系如图 3 所示。 图 3平均钻屑量与煤体深度之间的变化关系 由图 3 可以确定，巷道松动圈半径约为 12m， 应 力集中峰值点为 17m， 因此封孔深度应在 12～17m 之 间。考虑到回风平巷两帮施工大量穿层钻孔， 周边煤 体严重受到施工穿层钻孔所产生的破坏， 因此在二次 封孔技术实施的过程中， 封孔深度应大于穿层钻孔的 长度， 取 16m为试验钻孔的最佳封孔长度。 3.4优化设计试验结果 自钻孔封孔接抽后开始试验钻孔的瓦斯抽采效 果观测， 主要观测钻孔的瓦斯抽采浓度、 抽采混合流 量和瓦斯抽采纯流量观测结果， 如图 4 所示。 （a ） 256 钻孔（b） 257 钻孔 （c ） 258 钻孔（d） 262 钻孔 （e） 263 钻孔（f ） 264 钻孔 图 4改进方案下瓦斯抽采观测效果 由图 4 可知， 在改进封孔方案下钻孔最高瓦斯抽 采浓度为 95～98，最低瓦斯抽采浓度为 11 ～15； 瓦斯的抽采混合流量最高为 10～26L/min， 最低 为 5～8L/min。 图 5 为封孔技术方案改进前后所封钻孔瓦斯抽 采效果对比图， 图中显示， 改进后的方案比原方案在 平均单孔瓦斯抽采浓度、 瓦斯抽采纯流量和平均有效 抽采时间方面分别提高了 10.3， 1.3L/min 和 22.2d， 改进型二次封孔技术大大提高了瓦斯抽采效率， 延长 高浓度瓦斯抽采周期。 图 5方案改进前后对比 4结论 1 ）实测伯方煤矿 3211 综放面原封孔工艺抽采 效果并进行分析。伯方煤矿煤层裂隙中等发育， 原封 孔工艺时效果较差，主要表现为瓦斯抽采浓度低、 衰 减快、 差异大， 抽采时间短。 2 ）在 3211 综放面进行改进型二次封孔技术对 比试验， 确定封孔技术工艺参数为 封孔深度 16m， 一 次封孔长度 8m， 粉料腔室长度 7m。（下转第 71 页 ） 67 ChaoXing （上接第 67 页 ） 3 ） 改进型二次封孔技术所封钻孔在平均单孔瓦 斯抽采浓度、抽采纯流量和有效抽采时间方面分别 提高了 10.3， 1.3L/min 和 22.2d，具有良好的封孔 效果。 参考文献 [1] 程远平, 付建华, 俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 [J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 26 （2） 127- 139. 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