“三软”煤层注水封孔技术的试验研究.pdf

第 1 O卷 第 3期 中 国安全科学学报 2 0 0 0年6月 C h i n a S a f e t y S c i e n c e J o u r n a l V o 1 ．1 0 No． 3 J u n． 2 000 “ 三软“ 煤层注水封孔技术的试验研究 张 子 安 陈 学 习 华北矿 业 高等专 科 学校 【 摘 要 】 在 分 析 “ 三 软 ’ ’ 煤 层 封 孔 特 性 的 基 础 上 ， 选 择 了合 适 的 封 孔 方 法， 试 验 研 究 了 B i mb a r 1型封 孔 器封 孔技 术 ， 并 对 封 孔器 应用 中 的问题 进 行 了讨 论 ， 设 计 了一种 与 之 配套 使 用 的单 向 自动截止 阀 ， 成功 地 实现 了“ 三软” 煤层 注水 ， 孔 ， 可供 类似 条件 的煤 层 实施该技 术 参考 。 【 关键 词】 “ 三软” 煤层 封 孔器 封 孔技 术 1 引 言 煤层注水是当前降低采煤 工作面煤 尘产生量 的最有效措施之 一。 煤层注水的效果 ， 在很大 程度上取决于封孔方法和封孔质量 。对于“ 三软” 煤 层 ， 结合煤 质 自身的特 点 ， 选择行之有效 的 封 孔方法 ， 简单 可靠地封住钻孔 ， 是进行煤层注水首先要解决 的技术关键 。笔 者在郑州矿 区典 型 的“ 三软” 煤 层 ， 进行 了封 孔器封 孔技术 的试验 与研究 ， 得 出了适 用而有 益的结论 ， 可为类似 条 件的煤层实施注水封孔技术提供参考 。 2 封孔方法选择分析 煤 层注水 常用 的封孔方法有水泥砂浆封孔 、 化学合成材料封孔和封孔器封孔 ， 其 中水泥砂 浆封孔是 目前普遍采用 的一种封孔方法 ， 在中硬 、 硬煤 层中应用 ， 封孔速度 快 ， 封 孔可靠 ， 效 果 很 好 ， 但在“ 三软 ” 煤层 中采用此法 ， 却存在许多 问题 。一是“ 三软 ” 煤层煤 的强度低 ， 松软 易碎 ， 打钻时必须采用风排粉 ， 才 易成孔 。 当钻孔很深时 ， 风排粉不 易将孔 内的粉渣排净 ， 这时充填水 泥砂浆 ， 由于煤壁 间煤粉的存在而造成封孔不严 。另外 ， 郑州矿 区“ 三软 ” 煤层煤的焦油含量很 高 ， 亲水性较差 ， 煤 的接触 角为 5 7 ． 8 o [ ， 水泥砂浆凝 固后 ， 不能与孔壁很好地粘结 ， 容 易发生漏 水现象 。在郑州矿 区试验这种封孔方法效果不佳 。 化学合成材料封孔 ， 多见于国外煤矿煤 层注水和瓦斯抽放孔 的封孔技术跚。 这种封孔方法 和水泥砂浆封孔相 似 ， 不同的是其 充填材 料具有特殊 的化学性 质 ， 如 固化后膨胀 、 强度增 大等 特点 。我国常见的封 孔合成材料 为聚氨酯 ， 其固化后膨胀强度较大 ， 粘结性 强 ， 密 实 ， 因而封孔 质量较 好 。但 目前 我国的聚氨酯 生产还 处于初步 发展阶段 ， 质量不稳定 ， 达不到预 定的封孔效 果 ， 同时价格 昂贵 ， 经 济上不合理 。此种封孔方法在 我国 尚不成熟 。 封孔器 的封孔方法具有 操 作简单 ， 封孔器可复 用 ， 节省工时和材料消耗 ， 封孔 成本低 等特 点 ， 目前应用 比较广泛 。但对于“ 三软 ” 煤层 ， 采用封 孔器封孔的方法 ， 一直存在疑虑 ， 主要原 因 国家“ 九五” 攻关 及 自然科学 基金 资助项 目 5 9 5 7 4 0 0 5 副教 授 一 宝 量 维普资讯 第三期 张子 安等 “ 三 软 ’ ’ 煤 层 注 水封 孔技 术 的试 验研 究 。 是“ 三软 ” 煤层煤 的强度 低 ， 松软 易碎 。 使用封孔 器封 孔 时 ， 封 孔 器 段煤 体容 易被 压 碎 而漏 水 ， 引起孔 壁塌 陷 ， 从 而 导 致封孔 器卡死在钻孔 中 并难 以 取 出 ， 影 响 复 用 图 1 封孔器封孑 L 状态示意图 率 。 分析封孔器 在钻孔 中的工 作情 况 如 图 1 ， 可以看 出 ， 实现封孔成功有 两个 关键 一是封 孔 器 部分 注水膨胀后 能够 密封住钻孔 ， 不漏 水 ； 二 是保证注 水期 间钢管部分的钻孔 不塌 陷 。对于 硬煤层及 中硬煤 层 ， 由于 煤质硬 ， 抗压强度大 ， 孔不 容 易变 形 ， 封 孔 器 也 能很 好地 与煤 壁接 触 ， 这 两 个 技 术 关 键 都 可 以得 到 保 证 。 对于“ 三 软” 煤 层 ， 钢管 部分 的钻孔可通过提高钻 图 2 B i mb a r l 型封孔器 孔质量来 防止塌陷 ， 而封孔器部分 ， 则要求封 孔器 注水膨 胀后 ， 其膨胀压力低于煤体强 度 ， 不 压 碎煤体 ， 并 能很好 地与煤壁接触 。 为此 ， 引进 了法 国的一种膨 胀性 能较好 ， 富有弹性 的新 型封孔 器 B i mb a r 1型封孔器 并用其进行 了“ 三软 ” 煤 层注水的封孔试验 。 3 封 孔器封孔 3 ． 1 B i mb a r l型封 孔器工作原理 和有关性能技 术参数 B i mb a r l型封 孔 器 的结 构 如 图 2所 示 ， 其工作原理是 从水泵出来的压力水经过封 ； 孔 器 的胶管 作 用于球 阀 单 向 阀 上 ， 由于 球 7 5 阀被弹簧压紧， 在水的压力没有达到一定的 j 值 阀值 时 ， 球 阀不能够被打 开 ， 这时胶管 内 6 0 的压力升高， 胶管膨胀， 直到与钻孔的孔壁贴 譬 5 0 紧为止。 当压力达到阀值时， 封孔器就封住了 ； 钻 孔 ， 这 时 压力 打 开球 阀 ， 水 经 喷 嘴 注入 钻 孔 。 注水期 间 ， 封孔器胶管 的膨胀压力 主要 来 源 于压力水 经过喷嘴处 的压力 降 。注水结 束 幽 J 一 ／ | | | | 1 0 1 2 3 4 5 6 7 充入 压 力 ／ MP a 3 B i mb a r l 型封 孔 器膨 胀 曲线 后 ， 封孔器胶管 内的压力下 降 ， 胶管依靠 自身 弹性 收缩 ， 封孔器 即可从 钻孔 内取 出。 B i mb a r l型封孔器 的有关 技术参数和膨胀 性能见表 1和图 3所示 。 表 1 Bi mb a r l 型封孔器有关技术参数 维普资讯 56 中国安全科学学报 Ch i n a S a f e t y S c i e n c e J o u r n a l 第 十 卷 2000焦 3 ． 2 B i mb a r l型封孔器使用中存在的问题 B i mb a r 1型封孔器虽然具有结构简单 、 封孔快 、 膨 胀性 能较好等优 点 ， 但 在“ 三软 ” 煤层注 水封孔中存在如下几个方面的问题 1 “ 三软” 煤层封孔过程中 ， 一般都采用长钻孔注水 ， 注水时间较长 ， 在整个注水期间 ， 由 于多种原因 ， 不可能做到不停 泵。 一旦停泵 ， 胶管就会收缩 ， 注水钻孔的一部分水就会通过封孔 器的外部胶管泄 出， 这不仅冲刷钻 孔造成孔径扩大 ， 使得封孔器再次膨胀时封孔不严 ； 而且还 会使钻孔周围的煤体湿润 ， 造成塌孔 ， 从而导致封孔器拔不 出来 。这是 目前封孔器封孔普遍存 在的问题 引。 2 由于封孔器 的胶管对煤壁的膨胀压力较低 ， 与煤壁的摩擦力较小 ， 随着注水压力的升 高 ， 有时会发生封孔器与孔壁的摩擦 力不够 ， 封孔器被抛出的现象 。 3 此封孔器对钻孔的质量要求较高 ， 试验 中采用鱼尾形钻头打钻 ， 不能满足封孔要求 。 在郑州矿 区超化煤矿 ， 使用这种封孔器进行 封孔试验 ， 经常出现钻孔外抛 或封孔器被卡死 在钻孔 中的现象 ， 单纯使用 B i mb a r l型封孔器在“ 三软” 煤层注水中封孔效果 不太理想 。 3 ． 3 B i mb a r l 型封孔器系统的改进 针对 B i m b a r l 型封孔器在“ 三软” 煤层注水封孔中存在的问题 ， 采用试验手段对注水系统 进行 了改进 ， 其原则和 目标是保证停泵期 间封孔器不收缩 ， 注水期间封孔器不外抛 。 为此 ， 设计 制造 了一种单向 自动截 止阀 结构见图 4 ， 与这种封孔器配套使用 。 单 向自动截止阀的出 水侧通过钢管与封孔器连 接 ， 进水侧连接水泵。 注水 时关 闭减压 回水 阀 门， 由 注水泵产生的压力水作用 于截 止阀 的钢 球上 ， 克服 弹簧阻力通过截止阀进入 封孔器 内。 当停泵时 ， 进水 侧 没有 压力 ， 钢球在 弹簧 和内部水压的作用下 自动 堵 死进水 孔 ， 从 而保 证封 孔 器 继 续 处 于 膨 胀 状 态 膨胀压力等于阀值 。当 注水结束需要拔 出封孔器 时 ， 打开减压回水阀门 ， 封 5 钻孔 a 单 向 自动截 止阀 ／|| t|t { }f}}l鲻聪；l}l}l鲻 6 一 封孔器 b 封孔器 配套 系统 图 4 单 向 自动截 止 阀及 封孔器 配套 系统 阀 孔器内压力水从减压 回水 阀门外流 ， 封孔器收缩 。 试验 中将单 向自动截止 阀与 B i mb a r l 型封孔 器配 套安装 ， 并用 自行设计 的六 刀片式钻 头 打 钻。该钻头 3个刀片用于钻进 ， 3个刀片用于切削 ， 打 出的钻孔光 滑圆直 ，符合 B i mb a r 1 型封 孔器的要求 。为防止注水压力高时封孔器被抛 出 ， 将封孔器用钢丝固定在注水管路的钢管上’ 。 试验 中间歇 注水 ， 经多次试 验后没有发生漏水现象 ， 注 水结束打 开减压 回水阀 门 ，封孔 器收缩 并能比较顺 利地拔出 ， 封孔效果较理 想 。 维普资讯 第三期 张子安等 “ 三软” 煤层注水封孔技术的试验研究 _ I 4 结 论 1 t t 三软” 煤 层注水封孔 ， 以选 择膨胀性 能较 好的 B i mb a r l型 系统改进 型 封孔器较 为 适 宜 。 2 使用封孔器封孔 ， 应采用六 刀片式或更好的钻头打钻 ， 以保证钻 孔质量 。 3 自行设计的单 向 自动截止 阀， 能保证 在停泵期 间使封孔器继续处 于膨胀状 态， 从而可 靠地封住钻孔 ， 具有关键性 的作用 。 4 在注水过程 中 ， 应将封孔器进行 固定 ， 以防止 注水期 间因摩擦力不 足被抛 出钻孔 ， 确 保封孔成功 。 收稿 2 0 0 0年 3月 } 作者地 址 北 京燕 郊华 北矿 业 高等专 科 学校 能源 X - 程 系 } 邮编 1 O 1 6 O 1 参 考 文 献 1 傅 贵、 邹得志、 张英华 ．煤与纯水平衡接触 角的测量与分析 ．煤炭转化 ， 1 9 9 7 4 ． 2 赵 正均 ．煤 层 注水 封孔 方 法 的探 讨 ．煤 矿 安全 ， 1 9 9 1 5 ． 3 史 富川、 康聚鼎编 ．矿井综合防尘技术与管理 ．北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 4 ． Ex p e r i me n t a l S t u d y o n Ho l e S e a l i n g Te c h n i q u e f o r I n j e c t i n g W a t e r i n t o‘ ‘ Th r e e S o f t ’ ’ Co a l S e a m Zha ng Zi a n Ch e n Xue xi No r t h Ch i n a M i n i n g Co l l e g e Abs t r a c t B a s e d o n a n a l y z i n g t h e h o l e s e a l i n g c h a r a c t e r i s t i c s i n “ t h r e e s o f t ”s e a m ，a p p r o p r i a t e h o l e s e a l i n g me t h o d i s s e l e c t e d． Th e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e o f Bi ml a r l ho l e s e a l i n g d e v i c e i s e x p e r i me n t e d．P r o b l e ms i n i s a p p l i c a t i o n a r e di s c u s s e d ． A k i n d o f o n e wa y v a l v e ma t c h i n g t h e d e v i c e i s d e s i g n e d ，b y wh i c h t h e h o l e s e a l i n g t h r o u g h i n j e c t i n g wa t e r i n t o“ t h r e e s o f t ”c o a l s e a m i S s u c c e e de d．Thi s t e c hni qu e i S a l s o f e a s i b l e t o be us e d i n c o a l s e a m und e r s i mi l a r c o n di t i o n． Ke y wo r d s “ Th r e e S o f t ”s e a m Ho l e s e a l i n g d e v i c e Ho l e s e a l i n g t e c h n i q u e * A s s o a ． Pr o f 维普资讯