本煤层抽放钻孔封孔技术研究与实施.pdf

第 3 0卷第 7期 V01 ． 3 0 No． 7 企业技术 开发 TECHN0LOGI CAL DEVELOPMENT OF ENTERPRI S E 2 0 1 1 年 4月 Ap r ． 2 01 1 本煤层抽放钻孔封孔技术研究与实施 李宏杰 河南理工大学 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘要 通过研究及 实践， 指 出采用新型本煤层钻孔封孔技术来解决使用传统方法存在 的抽采浓度低 、 抽 采量 小、 衰减 快、 微风 自燃、 瓦斯利用率低等问题。使 用该项新技术可有效提高封孔成功率， 抽放效果好 ， 具有显著的推广应用价值。 关键词 矿 井； 煤层 瓦斯 ； 抽放封孔技 术； 创新研究 中图分类号 T D 8 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 8 9 3 7 2 0 1 1 0 7 0 0 5 8 0 2 Re s e a r c h a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e c o a l s e a m dr a i n a g e d r i l l i n g a n d s e a l i n g t e c h n o l o g y L I Ho n g l i e H e n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ， J i a o z u o ， He n a n 4 5 4 0 0 3 ， C h i n a ● Ab s t r a c t T h i s p a p e r s y s t e ma t i c a l l y i n t r o d u c e s t h e r e s e a r c h a n d i mp l e me n t a t i o n t h a t s o l v i n g t h e p r o b l e ms o f l o w d r a i n a g c o n c e n t r a t i o n， s ma l l q u a n t i t y o f d r a i n a g e ， f a s t a t t e n u a t i o n， s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n b y b r e e z e a n d l o w g a s u t i l i z a t i o n b r o u g h t b y．t r a d i t i o n a l m e t h o d t h r o u g h u s i n g n e w c o a l s e a m d r i l l i n g a n d s e a l i n g t e c h n o l o g y ． T h e a d o p t i o n o f t h i s n e w t e c h n o l o g y c a n e f f e c t i v e l y j m p r o v e t h e s u c c e s s r a t e o f s e a l i n g a n d h a s g o o d g a s d r a i n a g e r e s u l t s ． wh i c h h a s s i g n i fi c a n t p o p u l a r i z a t i o n a n d u s i n g v a l u e ． ’ Ke y wo r d s c o a l mi n e ； c o a l s e s n q g a s ； d r a i n a g e s e a l i n g t e c h n o l o g y； i n n o v a t i o n r e s e a r c h 随着矿 区 向深部 延伸 ， 煤层 瓦斯压力 、 含量 不断增 大 ， 本项 目研究 的某一大型煤炭企业高突矿井数量 已达 到 1 5对。一部分矿井不具备开采保护层 的条件 ， 煤层开 采 前瓦斯不容 易得到有效抽 采 ， ． 影响 工作面 的安全生 产 。要解决突 出煤层瓦斯抽采率低 的问题 ， 在煤层透气 性 一定 、 钻孔 深度不变 的情况下 ， 对本煤层钻孔 的封孔 工艺进行研究和改进 ， 是提高抽采率的重要途径。 1 本煤层钻孔封孔技术现状 目前该 企业多数 矿井钻孔 封孔工 艺还延续 着 十余 年前 的聚胺脂 封孔法 ， 由于有效封孔 段较短 、 钻孔周 围 裂隙发育 等原因 ， 多数 钻孔存在漏气 现象 ， 钻 孔抽采 瓦 斯浓度 较低 ； 在 长时间负压抽采 下 ， 钻孔外 空气经 巷帮 裂隙和钻孔 裂隙进入煤体形成微供 氧 ， 导 致煤体发生 自 燃而造 成更大的损失 。随采 掘深度 的不 断增加 ， 高地应 力下及松软煤 层 中施工 的抽采钻孔很 快会 出现塌孔 现 象 ， 阻碍了瓦斯流动通道 ， 大 大降低 了抽采量 ， 钻 孔施工 后可利用有效长度降低。研究一种新型本煤层钻孔封孔 技术解决抽采浓 度低 、 抽 采量小 、 衰减快 、 微 风 自燃 、 瓦 斯利用率低等问题 ， 是该企业各矿急需解决的技术问题 。 2 研究的目的及意义 通过封孑 L 新技术 的研究 和应用 ， 可大大降低 钻孔 的 漏气率 、 增强封孔密封性 、 提 高抽采 浓度 、 消除 因孔 口漏 气 而导致巷壁煤层 自燃 隐患 等问题 ， 并有效增加钻孔可 收稿 日期 2 0 1 1 0 l 一 2 0 作者简介 李宏杰 1 9 7 0 一 ， 男， 河南平顶山人 ， 在读硕士研 究生， 高 级经济师， 主要从事企业管理与技术研究工作。 抽采长度 、 提升抽采量， 满足果掘工作商安全生产及综 合利用 的需求。 3 项目技术方案路线和目标 针对该企业 突 出矿井 瓦斯 治理工作 中封孔 技术 现 状 ， 采用理论分析 、 技术开发 、 实验室试验 和现场测试相 结合的方法 ，研究应用高强度高密封性封孔技术体系。 主要研究本煤层抽放钻孔周围裂隙分布规律和对封孔 的影 响 ， 结合 现场研制操作 方便 、 密封性好 的整套封 孔 新技 术 ， 达 到如下 目标 ①井下 高压水力压 裂影响范 围 内试验封孔数不 少于 1 0 0个 ， 封孔成功率不低于 9 0 ％， 3 个月 内联 网钻孔平均抽采浓度达到 3 0 ％以上 ； 漏气率不 高 于 1 0 ％、 孔 口负压 不低 于 1 5 k l a ； ②研制 一套本煤 层 抽放钻孔专用封孔泵并进行工 业性试验 ； ③编制本煤层 抽放钻孔封孔技术规范； ④确定该企业最佳封孔工艺。 4 - - 项目研究的主要内容 4 ． 1 本煤层钻孔周围裂隙的分布规律 ①钻孔轴 向裂隙分布 。 在 原岩煤体 中，煤体处于应 ． 力平衡 状态 。当受到采掘影响 以后 ， 应力平衡 随即遭 到 破坏 ，采 场周 围应力的大小和方 向将发生较大 的改变 。 在巷道周 边将 产生应力集 中区 ， 根据煤体力学状态 的不 同 ， 可 以将 其分为 4个 区域 I 为卸压 区 ； l I 为峰后 应力 集 中区； I II 为峰前应力集 中区 ； I V 为原岩应力区。据学者 对 我国许 多矿区现场实测 ， 得到韵 回采巷道应力极 限平 衡区宽度 为 1 O ～ 1 5 m， 抽采钻孔 钻进过程 中必将经过这 4 个区域 ， 由于钻孔 直径较小 ， 暂不考 虑钻孔对 该 4 个 区 域的影响 ， 则可认为钻孑 L 轴 向裂 隙由大 到小并 且长度 范 第 3 0卷第 7期 李宏杰 本煤层抽放钻孔封孑 L 技术研究与实施 5 9 围 为 1 0 ～ 1 5m。 ②钻孑 L 径向方 向裂隙分布。钻孔孔壁周围的煤体可 以分为破碎 区、 塑性 区和弹性 区。一般认为 ， 孑 L 周卸压区 半径等 于从钻孔 中心 到孔周 应力增 大为原岩应力 8 。 的 点的距离 。钻孔 的径 向卸压 区半径经模拟计算 得出 ， 直 径为 8 9 mm钻孔施工后 ，其径 向卸压 圈直径为 2 0 4 m m 即钻孔周 围裂 隙存在 的范围 ；同样可 以计 算 出直 径 1 2 0 m m钻孔径向卸压 圈直径为 2 7 4 m m 。可以计算 出在 煤体理想弹塑性软化 条件及具有一定单轴抗压强度下 ， 钻孔施工后 ，其径 向卸压 圈直径一般为施工直径的 2 I 3 倍 以上 ， 如煤体较软 ， 则其径 向卸压圈直径较大。 4 ． 2 负压状态下瓦斯 的泄漏效应及封孔工艺 目前常用封孔方法漏气存在两条途径 ， 一 条是钻孔 内封孔材 料与孔壁结合不 紧密 以及径 向裂隙未封堵 导 致 的漏气 ， 另一种是 由于封孔深度短而导致巷道煤壁内 的裂隙未封堵产生 的漏气。 4 ． 3 本煤层钻孔封孔新工艺 通过 以上分析 ，初步确定钻孔封孑 L 采用带 压封孔 ， 封孔深度为距巷帮 1 2 - 1 6 r n范围段 ， 即封孔段有效长度为 3 ～ 5 m。使用 注浆设备将具有一定膨胀性及较好渗透性 的材料 注入两段封堵胶囊 内 ， 再继续 压力注浆 ， 使浆 液 在压力的作用下进人钻孔周 围裂 隙， 浆液凝 固后具有较 强 的抗压性能及密封性能 ， 从而达到密封钻孔的 目的。 4 ． 4 装置及材料研制 ①专用注浆泵研制。钻孔封孔时需要一定压力 的浆 料才能压人到钻孔 周围的裂隙圈 内， 目前市场上 的注浆 泵一 般存在额定压力 与体积 、 重量成 正 比的特点 ， 通 过 对其他泵种的分析与研究 ， 本项 目综合各种泵的优点并 经过大量试验 自行研 制一种具有压力 高 、 重量轻 、 操作 方便 的新型注浆泵 ， 注浆压力可达到 1 0 M P a 以上 ， 整机 重量控制在 3 0 k g 左右 ， 注浆流量达到 6 ～ 8 L ／ m i n 。 ②专用胶囊埋管装置研制 。本项 目研究带压封孔 ， 因此需将封孔埋 管里 外两端安装胶囊 以形成 密闭的空 问 ， 通过安装在 两端胶囊和注浆 管上的单 向阀 ， 先从注 浆向两端胶囊注入微膨胀 浆料 ， 停滞一定 时间后再继续 注浆 ， 这时两端胶囊 内封孔 材料已开始反应并关 闭单 向 阀， 在压力下作用浆料将两端胶囊之间的单向阀打开并 以一定 的压力注入封孔材料 ， 当注入浆料 为封孔段空 间 体积的 0 ． 5 倍 时 ， 停止注浆 ， 反应倍率为 2 ～ 3 倍的封孔材 料在密 闭的空间 向封孔段 钻孔周 围裂 隙扩展 ， 最终堵塞 裂隙。 ． ③高强度化学封孔料研制应用。对于项 目研究所需 用的高强度 注浆料 主要通过与相关厂家进行技术交流 ， 研制 出成 本相对较低 的符合封 孔要求性能 的专用化学 浆料。研究过程对两种材料进行 了对 比， 一种是 强度高 不膨胀材料 ， 但其成本较 高 ， 可用于对 压力要求较高 的 水力压裂钻孔中。本煤层封孔项 目最终确定了膨胀率为 2 ～ 3 倍左右的高强度注浆料 ，材料终凝后抗压强度可达 到 1 5 M P a 以上。 其膨胀率一般为 2 0 0 ％～ 3 0 0 ％， 封孔后对 封孔段提供一定 的支护应力。 ④二次封孔装置及材料研制 。钻孔完成每一次带压 封孔后 ， 经过一段时 间由于巷 道侧应力 的变化 ， 钻孔周 围可能会另外增加一些裂 隙， 导致钻孑 L 漏气 。因此 ， 项 目 研制了一种风 动吹粉装置 ， 将具 有一定流动性 的超细粉 状材料 吹进封 孔段外侧 ， 在漏 气负压的作用下 ， 粉料被 吸进裂隙并将 裂隙充填 ， 解决漏气现象。由于二次封孔 可以解决一次带压封孔后次生裂隙漏气现象 ， 因此 ， 二次 封孔所用粉料必须具有很好的流动性 ， 并具有一定粘性 ， 这样吸人裂隙后可与裂隙面接合并堵塞裂隙 。通过大量 的试验 与配 比 ， 研制 出了一种 以粉煤灰为主并添加多种 化学试剂的二次封孔专用磨料 ，材料平均粒径 1 ． 9 4 u m、 外 比表面积 2 1 4 0 m 2 ／ k g ， 经试验 ， 研制的粉料流动性好 ， 吸附裂隙表面能力强 ，可 以完全堵塞较小 的次生裂隙 ， 满足项 目要求。 5 新技术与现有封孔工艺经济技术比较 通过对封孔新工艺与现有封孑 L 技术综合对 比表明 ， 使用普 通聚胺 脂封孔方法虽成 本低 ， 但效果不好 ， 抽放 浓度不高且衰减较快 ； 使用 聚胺脂加水泥的全孔长封孔 方法虽 然效果有所提升 ， 但 每孔封孔劳动强度 大 ， 水泥 用量一般在 8 0 ～ 1 O 0 k g ， 成功率不高 ， 非常容易造成钻孔 堵 塞 ， 水泥凝 固后有一 定的收缩 ， 次生 裂隙造成钻孔漏 气 ； 使 用新技术封孔 成功率达到 9 0 ％以上 ， 每孔用封孔 材料量为 7 ～ 8 ， 使用二次 吹粉用量 8 ～ 1 5 ， 其 总成本 与水泥 聚胺脂法基本 一样 ， 但效果 明显 ， 抽放效果好 ， 具有显著推广应用价值。 参考文献 【 1 ]陈大欣， 王海龙． 任楼煤矿副井二次注浆加固堵水技术浅 析 f J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 7 2 7 3 ． [ 2 】孟凡龙， 蒋承林， 赵文斌． 煤层瓦斯测压中注浆封堵钻孔 围岩裂隙的分析【 J 】 ． 煤矿安全， 2 0 1 0 ， 4 1 1 8 7 9 1 ． 【 3 】赵保太 ， 林柏泉． “ i软” 不稳定低透气性煤层开采瓦斯涌 出及防治技术[ M ] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 7 ．