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采动影响下穿层钻孔二次封孔技术研究 李少华 徐学标 潞 安 集 团 伊田 煤业 有限 公司 摘 要 基 于对某煤矿 煤层瓦斯赋存 情况的总结 ， 分析 了其底板 瓦斯抽采 巷抽采钻孔设计 方案及封 孔工艺流程 ，指 出采 动影响是造成巷 道松 动圈扩 大、 钻孔漏气、 瓦斯浓度过低 的主要原 因， 根据其 瓦斯抽采过程 中存在 的实际 问题 ， 研 究设计 出一种 新型封 孔管技术 方案 ， 并进 行 了工 业性实验 ， 结果表 明， 在采动影响下应用新型瓦斯 抽采封孔技术 ， 可达到大幅度提高瓦斯浓度、 提高瓦斯抽采率的 目的。 关键 词 瓦斯抽采封孔 穿层钻孔采动影响 1概述 某煤矿瓦斯储 量丰富， 为 4 2 1 5 6万 ms 。二 1煤层钻孔流量衰减 系 数 a O ． 0 5 8 0 ． 0 7 d ～ ， 煤 层 透 气 性 系 数 入 O 1 1 5 3 0 ． 0 6 3 5 mV Mp a 2 ． d ， 具有矿井瓦斯抽采 的可行性。 出于 防止煤层 瓦斯 突出和降 低瓦斯涌 出量 的 目的 ， 按 照设计 ， 实施 煤层边掘进边抽 、 回采工作 面 密集交叉钻孔预抽煤层 瓦斯 ，采 空区高位钻孔 瓦斯抽采和石门揭 煤 瓦斯抽采 ， 以及邻 近层 瓦斯抽采即卸压煤层瓦斯抽采等措施。 在实施 煤层底板瓦斯抽采巷抽采瓦斯的过程 中， 由于受解放层 开采影 响， 导 致巷道松动圈范围扩大 ， 采 用传统 的聚氨酯封孔抽采瓦斯， 将导致钻 孔漏气 ， 瓦斯抽采率 降低 ， 对采煤 构成安全隐患 ， 因此需要研 究一种 新型 的瓦斯抽采封孔工艺。 2 2 5 o 2 1工作面底板岩巷抽采设计情况 二 1煤 层 瓦 斯 压力 梯 度 C P O ． 0 0 5 2 MP a l m，瓦斯 含 量 梯 度 C X O ． 0 3 8 m3 ／ t m。随着开 采深度不 断加深 ， 瓦斯压 力 ， 瓦斯含 量增 高 ， 煤与瓦斯 突出也越严 重。 开采解放层是防止煤层 瓦斯突 出最有效 的区域性措施 ， 为 了消 除二 煤层 的突 出危 险性 ， 保障安 全生产 ， 何 村 煤矿选 择下部 的低 瓦斯 非突出煤层 一 煤层作 为解放 层 先期开 采 ， 将二 煤层作 为被解放层。 同时 ，在 二 煤层 2 5 0 2 1工作面底板布 置了一 条抽采岩巷 一 7 0 抽采 巷 ， 在 抽采巷 内向二 煤层施工 穿层钻 孔进行 瓦斯抽采[3 1。一 与二 煤层 间距约 4 0 m， 属于 中远距离煤层 i 一 5 与 二 1 煤层之间 有 L 。 一 L g 四层灰 岩 ， 厚 8 ． 1 0～2 5 ．6 5 m， 其 中 L 7 灰 岩 单层厚 度 大 ， 层位 稳定 ， 上距二 煤层底板 5 ． 8 3～1 6 ． 4 0 m， 一般 1 O m 左右 ， 下距 一 煤 层 一 般 3 0 m 左 右 ， 经 计 算 L 7 灰 岩 位于 裂 隙 带 之上 ， 所 以选 择在 L 灰 岩 中布 置 在 二 煤 层 2 5 0 2 1工作 面 底板 布 置 一 7 O抽 采 岩 巷。 2 ． 1 7 O抽采巷钻场抽采钻孑 L 布置 2． 1 ． 1 钻 孔布 置原 则 ①钻孔必须深入到邻近层的卸压带内； 保持钻 孔不受岩压 活动影 响而 中断 i ⑧ 考虑打钻 是否方便。 2 ． 1 ． 2 设计 参数 a 钻 孔直径为 7 5 mm； ②钻 场钻 孔个 数为 8个 ； ③钻孔角度是根据卸压范围、 钻场孔数、 抽采半径等参数经过计 算及经验修正完成的。钻孔参数及布 置如表 1和图 1所示。 表 1 钻孔参数表 图 1 钻 孔布置示意图 从右到左分别是 1 ～ 8号孔 3 原封孔工艺效果 矿 上原采取传统的封 孔工艺聚氨酯封孔 ，即在钻场施工完成 之 后， 将封孔管用毛巾或棉纱捆扎后， 浸渍聚氨酯插 入钻 孔使发泡其膨 胀封孔， 预期瓦斯抽采 浓度可达 6 O ％左右。 但是 ， 封孔后一个月实测 资料显示 ， 最 高抽采瓦斯 浓度 2 5 ％ ， 如表 2所 示 远 远低 干预期 值。 这说 明底板巷抽采钻孔聚氨酯封孔存在严 重漏气 ， 这种封孔 方法 几乎不可行。 表 2 聚氨酯封孔后一个月瓦斯抽采 浓度统计 4 新型二次 封孑 L 工艺研究 实地考察发现 ， 2 5 0 2 1工作 面底板岩巷 一 7 O抽采巷 虽位于 裂隙 带之上 ， 但抽采巷上覆 岩层 产生许多裂隙 ， 甚至于巷 道变形 ， 顶板悬 矸 ，这是 由于受采动影 响和地质条件复 杂等原 因造成 的。此种情况 下，巷道松动圈范 围势必扩大 ，如 果按 照常规 的抽采钻孔封孔 方式 封孔长度 5 m ， 容易导致抽采 孔漏气， 影响抽采 瓦斯浓度和 抽采 量。 因此 ， 如果要保证抽采效果 的话 ， 单靠聚氨酯封孔远远不够 ， 必须 上接第 1 9 6页 6 - 2 更加 系统化 现今 ，虽然我国煤矿 的机械 设备 虽然 采用 了 目前最 为先进的机 电一体化技术 ， 但是远没有系统 ， 发挥其强 大的系统态势。相 比传统 的中小煤矿 ，我国国有新建 大中型煤矿在 系统 化方面应 用的效果较 好。我 国的煤炭机 电企业在 煤矿 机械 设计 制造 的过 程中．也要加强 系统化 方面 的意识 ，使其产品更加符 合煤矿现代化 对机 电一体化 的 要求。 6 ． 3 绿 色 化 在开发新型机 电一体化产品的时候 ， 要不断的开发那种环保、 噪 声低 、 低污染、 优质、 高效节能、 低粉尘 、 可靠性强的设备。 这是煤炭企 业机 电一体化 的大势所 趋．这也 是我 国煤矿采掘行业 的发展趋势。 1 9 7 6 ． 4 程 序 化 产品 的程序化是现代煤矿企业机 电一体 化发展 的必然趋势。但 是我国机 电一体 化产品在程序化上面的应用 ，尤其是 煤炭 企业 的机 械设备上。 与其他 国家相 比较羞距还 是很大的， 我们要加快产品的程 序化 ， 不断缩小与发达国家在这方面 的差距。 参考文献 ⋯ 赵文 珍 ， 王益 全 ， 等 ． 机 电一体 化 实用 手册 [ M】 ． 北 京 科 学 出版 社 ， 2 O O 5 ． [ 2 】 石美峰 ． 机 电一 体化 技术 的发展 与 思考 [J 】 ． 山西 焦 煤科 技 2 0 0 7 3 1 1 1 3． f 3 】 王洪波． 机电一体化技术及其应用研究I J ] ． 中国集体经济． 2 0 0 7 6 1 74． 改进抽采封孔工 艺， 并加大封孔长度。 4 ． 1封孔设备选型和材料 封孔工艺采取聚 氨酯封孔结合机械式注浆封孔 方式。封孑 L 设备 选型和材料如表 3示。 表 3 封孔 设备及 单孔材 料明细 4 ． 2 封孔工 艺流程 封 孔配套装备连 接方式如 图 2所示。其工 艺流程 主要包括孔 口 初封和 注浆封孔两个步骤。 4 ． 2 ． 1 孔 口初封 D抽采钻孔成， 后， 在钻孔内插入抽采管和一段 0 ． 6～O ． 8 m 的 注浆 管，注浆管在孔 口外端安 设球形阀门或接一段 0 ． 5 m 长的可折 弯胶皮软管 ②将聚氨酯A、 B液按等体积倒入容器内混合搅拌 1 mi n ，将混 合 液倒 在 毛 巾上 抹 平并 快 速 缠在 抽采 管 和注 浆 管上 缠绕 长 度 0 ． 3 m， 保持 注浆 管里 端露 出 O ． 1 m， 外端 露 出 0 ． 2 m ， 用铁 丝适 当捆 扎毛 巾后 ， 送 入钻 孔 口 ③5 mi n发泡膨胀， 逐渐硬化， 钻孔口即封好。 图 2 底 板巷 上向抽 采钻孔封孔方式示意图 4 ． 2．2 注 浆封 孔 ①将注浆管外端与注浆泵连接 ②将水泥、 水和添加剂按比例搅拌并过筛 ③ 开启注浆泵进行注浆， 开始时压力不超过 O ． 2 MP a ， 约 1 mi n 之后可适 当将压力增大 ④按钻孔直径和抽采管的长度计算注入水泥浆的数量 计算公 式见式 3 1 ， 当达 到计算注 浆量或抽采管 内有浆液流 出时 ， 立即停 止 注 浆 关闭注浆管阀门或将胶皮软管折弯后用铁丝捆扎 ，防止水泥 浆回流泄漏 ⑥拆除管路， 清洗泵具， 孔口注浆管阀门或胶皮软管 6 h后即可 回收。 单孔注浆量计算公式如下 肘 p ／ 4 0 3 1 式中 一单孔注浆量 封孔长度 ， m 钻孔直径 ， c m 西 c - 一抽采管外径 ， c m。 4 ． 3 封孔注意事项 4 ． 3 ． 1 用涂 抹聚氨酯的毛 巾缠绕注浆管和抽采管 时，保持注浆 管里端 露出 O ． 1 m ， 防止聚氨酯封堵 管 口， 且两管之间必须 夹有 毛巾， 防止漏水现 象。 4 ． 3 ． 2聚氨酯 A、 B液要尽可能地混合搅拌均匀，否则将影响两 管初封 效果。 4 ． 3 ． 3连接 好注 浆管路后 ， 先打水试泵 ， 确保注浆泵正 常后再开 始 注 浆 。 4 ． 3 ．4 水泥浆液必须过筛 ， 防止堵塞管路。 4 ． 3 ． 5 按计算注浆量控制注 浆 ， 不得过多注入水泥 浆。 4 ． 3 ． 6 注 浆时安排 专人观 测抽采管 ，当有浆液渗流时 必须 即可 停止注浆。 4 ． 3 ． 7 封孔长度根 据需要而定。 4 ． 4 新型封 孔方法实验效果分析 采用 二次封孔 方法在 一 7 O底板抽 采巷道进 行对 比试验 ， 共计在 7个钻场封孔 2 8个。 封孔后一个 月， 根 据矿 上实测瓦斯浓度数据 ， 随 即抽取 与聚氨酯封 孔对 应的 四个钻场 瓦斯抽 采浓 度数据进 行分析 如表 4所示 ， 结果显 示， 与原工艺对 比可知， 在 同等抽采负压情况 下 ， 新型封孔 方法 瓦斯抽采浓度远远高于原封孔 方法。 表 4 新型封孔方法封孔后一个月 瓦斯抽采浓度统计 5 结语 5 ． 1 由于受采动影响和地质条件复杂等因素影响 ，抽采巷上覆 岩层 往往会产生许多裂隙 ， 导致巷道 变形 ， 顶板 悬矸 ， 势 必造成 的巷 道松 动圈范 围扩大 ， 聚氨酯流动性 能差难 以到达钻孔裂隙深处， 封孑 L 效 果差。 5 ． 2 采用二次封孔方法， 并加大封孔长度 ， 即先以聚氨酯初步封 孔 ， 待聚氯酯膨胀凝 固后再采用水泥机械注浆封孔工艺封孔， 二者结 合。 这样 ， 聚氯酯除起到初期密封效果外， 还可为注浆封堵提供 支持。 水泥初注可 以借 助其 自身 良好 的流 动性渗入钻孔裂 隙进行封堵 ， 凝 固之后又可依靠 自身 良好的主动支护 能力 ，抵制 因采动影响造成的 钻孔变形塌孔 ， 提高钻孔 的密封效果 ， 进而提高钻孔的瓦斯抽采浓度 和抽采率。 参考文献 【 1 1 魏 胜 田． 高位钻 场穿层钻孔预 抽上覆被保护层 瓦斯技术【 J l ， 煤炭科学 技术 ， 2 0 0 7 ， 6 2 7 [ 2 】陈明．合理确定 煤矿 瓦斯抽采 量及抽 采系统 的探讨 [ J 】 ，煤炭工程 ， 20 07， 9 1 2． [3 】 王海锋， 程远平 ， 沈永铜 ． 高产高效工作 面顶板走向钻孔 瓦斯抽采技术 【 J 】 ． 采矿 与安全工 程学报 2 0 0 8， 2 3 6 ． [ 4 】4周世 宁， 林柏 泉． 煤层 瓦斯赋 存与流 动理 论【 M】 ， 北 京 煤炭工 业 出版 社 ， 1 9 9 9， 1 1 2～1 2 5 【 5 】 李九 青， 王紫光． 煤矿现代化煤矿 井巷工程 受构造及采 动影响的变形 规律和控 制【 J 1 ， 煤矿现代化 2 0 0 8 ， 1 4． 1 9 8