煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究.pdf

煤层瓦斯抽采钻孔带压封孑 L 技术研究 李 广 涛 平 顶山天安煤业股份 有限公司十 矿 ， 河南 平顶山 4 6 7 0 1 3 中图分类号 T D8文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 3 0 9 9 2 2 0 1 1 0 2 - 0 0 4 5 - 0 1 摘要 为解决平煤股份 十矿煤 层瓦斯抽采封孔技术这一 难题 ， 结合 国内外煤层 瓦斯抽 采封孔工 艺， 通过 对煤体渗透扩散机理 的研 究， 提 出 了煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技 术原理 ， 即 通过带压 注浆封孔 ， 实现封堵钻孔周 围煤 岩松 动裂 隙的 目的， 从 而达到 了理想封孔效 果， 并与改进 前抽 采效果进行 了对比． 大大提 高了煤层钻孔 瓦斯抽采浓度 。 关键词 瓦斯抽采 ； 封孔 工艺； 带压封孔 在煤炭开采过程 中。 瓦斯灾害一直 是威胁 矿井安全的主要灾害 之 一 。虽然 国内外学者在瓦斯治理方面进行 了大量试验研究工作 ， 但 实 践效果均差强人意。目前煤层瓦斯预抽采措施仍然被认为是预防瓦斯 灾害最 为有效 的方法之一。 抽采浓度偏低成为困扰瓦斯灾害预 防的瓶 颈 ， 一般来说造成钻 孔 抽采浓度低 的因素有很多 ， 其 中封孔工艺是 影响 因素之 一 ， 也是最 重 要、 最关键 的影响 因素。 目前十矿煤层 瓦斯抽 采孔普遍采用水泥砂 浆 封孔 、 开放式注浆 即无压注浆 ， 显然抽采浓度低与该工艺封孔效果 不 理想有很大 的关联。 因此 ， 开展带压封孔技术 研究是改变十矿煤层 瓦 斯抽采现状 的关键。 1 矿 井抽 采概况 平 顶山股份煤业股份 有限公 司十 矿 以下简称 十矿 是全 国瓦斯 治理难度最大 的煤矿之一 ， 井 田瓦斯具有储量 大、 含量高 、 压 力大 的特 点 ] 。 近年来 ， 随着煤层开采深度的进一步 增加 ， 复 杂瓦斯地 质因素的 相互作用使得开采条件变得渐趋恶化 ， 瓦斯动 力灾害逐渐显现并趋严 重， 而作 为该矿重要预防手段实施 的本煤层瓦 斯抽 采措施却存在着抽 采 浓度偏低 的现状 数据显示仅 为 5 ％左右 【 2 ] ， 严 重影响了十矿安全 生产 的进度。抽采效果是 以瓦斯抽采浓度 为首 要表现 形式 ， 并直接决 定 了瓦斯抽采进度 ， 因此 ， 如何提 高瓦斯抽采 浓度就成 为十 矿瓦斯 治 理方面亟待解决的首要问题。 2煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术 2 1煤层瓦斯抽采钻孔 带压封孔技 术原理 根据抽采钻孔封孔工艺现状分析和空气扩散渗透进入抽采管的 途径 ， 我们可 以清楚的知道 ， 要成功提高煤层钻 b -t 采 浓度 ， 其钻孔封 孔段 必须具备两个 关键 条件 一是抽 采钻 L 周 围煤体 裂隙封堵 密 实 [ 3 ] ； 二是封孔段不能 出现空气通道 [ 4 】 。 为了实现 这一 目标 ， 本文提 出 了煤层瓦斯抽采钻孔带压封 孔技术 ， 即双侧聚氯 酯 一水泥砂浆带压封 孔工艺。实现了封堵煤体 周围松动裂 隙、 杜绝空气通道形成 的目的， 从 而达到抽采 钻孔密封技术 要求 ， 提 高钻孔抽采浓 度 ， 进而提高 煤层瓦 斯抽采率。 2 ．2双侧聚氨 酯一水泥砂浆 带压封孔 工艺 该封孔工艺是对双侧聚氯酯 一水泥砂浆封孔工艺 的彻底 改进 ， 其 本质改进有 两点 一 、 为了加强重 力对 浆液在煤体扰 动裂隙 内渗 透扩 散的影 响， 对封孔段长度做 了重新调 整 ， 延长封孔段 长度 ； 二 、 给 浆液 的渗透扩散一个 直接的源动 力． 带有一定 的注浆压力 。 由于现在煤 矿企业所使 用的聚氯酯大多是预先调配 好的 ， 通过添 加一定试剂 方式对反应 时间调整余地 不大 ， 因此 ， 本 封孔工艺 中固定 抽采管、 配合延长封 孔段使 用的聚氨酯就不能采用将其均 匀涂抹 到缠 裹在抽采管预定位置毛 巾上 的方式 。 通过理论和试验论证决定采用手 压泵将聚氯酯注入预留固定位置的方式， 这样就可以解决由于反应过 快而带来的难 以实现 延长封孔注浆段长度 的问题 。 注浆压力的选择要根据钻 L 周 围煤体 情况 ，聚氨酯 固定段长度 、 抗压强度及抽采钻孔的密集程度等等作出。 该 工艺实施 步骤 1 封孔前 ， 利 用压风吹净孔 内钻屑 ； 2 然后将经过 严格挑选 的无裂缝抽 采管放入抽采 孔一定深度 ； 3 抽采 管预定 封孔段两端缠有具有一定 长度的用来约束聚氨 酯 不至于四溢流失的毛 巾； 4 利用预 留的聚氯酯注入 胶管将一定 量的聚氯 酯注入 ， 待聚氨 酯反应 完全 ， 再通过孔 口端预 留注浆管 利用压力可调风动注浆机 向封 孔段注入水泥砂浆 ， 要求达到一定的压力 ； 5 待 水泥凝固后并 网进行瓦斯抽 采。封孔 示意图 ， 如 图 2 1 所 图 2 1 双侧聚氨酯一 水泥砂浆封孔示意图 1 瓦斯抽采管2 水泥砂 浆封孔段3 _ 一聚氨酯 固定段 4 _ 一预留注浆管5 _ 一高压球 阀 2 ．3施 工 工 艺参 数 普通封孔 工艺参 数 开孔 长度 1 4 ． 4 m、 封 孔段长度 1 5 n q 、 抽 采管 长 度 1 4 ． 4 m设 计封 孔工艺 参数 封孔段 长度 1 5 m、抽采管 长度 1 5 1 5 m。根据十矿 的实际情况 ． 施工 队伍 的钻 头规格最小的 为 中5 4 mm， 故确定抽采管的孔径规 格为 中9 45 mm， 普通 工艺 开孔孔径选 为 中1 2 O mm，扫孔 L 径 为 中5 4 mm；设计 工艺施 工 L 径 选 中1 2 0 mm。确定十矿戊 组煤层 带压注 浆的注 浆压 力为 2 1 MP a本文 中所设 计 的封 孔工艺单孔需 0 ．6 3的聚氨酯 ，而普通封孔 工艺需要 0 3 1 5的 聚氯酯 。当水玻璃加热到 3 8 。时 ， 0 7 5 1比例 的灰浆凝 固速度达到最 快 ， 这 与添加波美度 3 9 。的水玻璃反应速 度相同。所以 ， 本 文注 浆用 的水泥与水玻璃也按上述 比例进行配 比。 3煤层 瓦斯抽 采钻 孔带压封孔工艺 的效果考察 参数 设计要求 封 孔后钻孔 封孔段可 以满足 注水承压 实验 ， 在 注 浆压力下封孔段周围不会 出现漏浆 、 涌浆现象。并 网抽采时 ， 可以实现 较高的抽采负压 。 本 文中所设计 的带压封 孔工艺与 普通封 L 工艺在十矿 戍 9 2 0 1 8 0 机巷进行试验。 设计封孔工艺钻 L 与普通封孔工艺钻孔共施 工 8个 ， 依 据十矿要 求可知 ， 一般 本煤层抽放钻 L 皆超过 5 O米 ， 封孔 长度一般在 2 O 米。 钻孔布置如图 3 1 所示 。 设计封孔工艺钻孔和 普通封孔工艺钻孔各 四个 ， 抽采管采用相同的 中8 9 X5 mm。 魅力 中国2 0 1 1年 2,E j 上 1 045 ～ 、 卜 ＼ 科技创新 S C I E N T I F I C AND T E C H NO L OGl C AL l NNOV A T I ON 8 正 一／／ l 。_ ／ L 5 图 3-1 试 验 钻 孔 布 置 图 1 1 孔设 计工 艺2 ． 一2 孔普 通工 艺卜3 孔设 计工 艺牛 4 孔普通工艺 5 _ 一5 孔普通工艺6 _ 一6 孔设 计工 艺7 7 对 普通工 艺8 _ 一8 孔设计工艺 封孔半径注浆扩散半径影响注浆加固范围内的煤体的密实性， 在给定注 浆布置条件下 ， 注浆扩散半径 越大 ， 各注浆 L 浆 液扩散圈相 交重叠厚度越大 ， 则煤体 被浆液充填的密实性越高。封 L 半径就是注 浆浆液扩散所达到的有效范围，主要基于钻孔扰动裂隙影响范围而 一 目0 有效半径是浆液渗透扩散的下限 ，一般结合煤体地质特性确定 。 其次封孔半径是注浆压力确定的基础。根据经验 ， 瓦斯抽放钻孔 的煤 体扰动破坏范围一般为孔径的 5 ～1 0倍 ， 考虑到抽采钻孔周围煤体 由 于地应力 的存在而具有随时问的卸压裂隙延伸 ， 故可确定钻孔扰动裂 隙影响范围较计算值大一些， 从而使得打钻活动照成的扰动裂隙影响 范 围均囊括在封孔半径影响范围之内。 注浆压力 注浆压力即为带压封孔时实现有效封孔半径 的注 浆理 论压 力。 3 ． 2实验结果分析 由于数据较多 ， 本文只取 了前 2 3天的抽采数据 ， 且文 中只列举 了 1 和 2 孔的瓦斯浓度变化 曲线作为直观的比较。 图 3 2 1 孔设计工艺瓦斯抽 采浓度 曲线 图 0 4 6 I 魅力中国2 0 1 1 年 2月上 图 3 3 2 普通孔钻孔抽 采浓度与时 间的关 系 从观测得 到的抽采数据 制咸 的浓度随瓦斯抽 采天数 的变化 曲线 中可以直观的看出 ， 随着煤层瓦斯 抽采工作的进行煤层瓦斯是呈现递 减态势 ， 这与煤与瓦斯突出的防治 目标正好吻合。从列出来 的曲线 图 中可以观察出 ， 本 文中所设计 的带压封孔工艺技术措施与普通单侧聚 氨酯 一水泥设计带压 封孔 工艺从抽采浓度变化 曲线效果来分析 ， 我们 可 以发现本 文所设计带压 封孔工艺较十矿 以前所采用 的封 孔工艺瓦 斯抽采浓度有大幅度的提 升 ， 可以实现大幅度提高煤层瓦斯抽采浓度 的要求。 4结论 带压注浆封孔技 术是借助注浆设备提供一定 的注浆压 力， 以此保 证封 L 材料在 L 壁裂隙内的渗透扩散 ， 加固 、 充填裂 隙， 在裂 隙面上形 成 网络 骨架 ， 增强煤体 强度 ， 凝 固后生 成对煤体具有较 高粘结性 的有 机塑性体。带压注浆封孔可以保证在钻孔周 围一定范围内形成人造外 壳从而 达到杜绝孔壁 裂隙对钻 L 瓦斯抽 采的影响。 以此作 出 以下结 论。 1 提出了煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术原理 。由于煤体是一 多孔且 裂隙发育 的介 质 ， 在地层压 力作 用下 ， 煤层本 身具有一定的 塑 性 ， 当钻孔在煤体 内钻 进时 ， 钻孔 周围煤体 内会形成一 定范围的松动 裂 隙 ， 瓦斯气体可 以通过这些裂 隙解 吸逸散 。 空气可 以通过这些裂 隙 渗透 到深部煤体 ， 因此 ， 必须对这些裂 隙进行处理 才能提高瓦斯抽采 浓度 。 2 根据带压封 孔技术原理 ． 就 目前采用的煤层瓦斯抽采 钻孔封 孔 工艺 自行 改造 设计 了一 套本 煤 层 抽 采钻 孔封 孔 工 艺 。经 十 矿 戊 9 2 0 1 8 0机巷 的实地封孔抽采表 明 带压封孔工艺技 术可 以成功的抽 取较高浓度 的煤层瓦斯 ． 很好的实现了提 高瓦斯 抽采浓度的 目的。 3 由于该煤层瓦斯抽采钻孔封孔 工艺能 够实现 较高瓦斯抽采浓度 。 满足提 高煤层瓦斯抽采浓度的要求 ， 因此有一定 的推广价值 。 参考文献 ⋯ 平顶 山股份煤业股份有限公 司十矿矿井地 质报告 ， 内部 资料 ， 平 煤 股 份 十 矿． 2 0 0 8 『 2 1平预 山股份煤业股份 有限公 司十矿 瓦斯地 质 图说 明书 ， 内部 资料 。 平煤股份 十矿， 2 0 0 8 ． [ 3 】俞启香． 矿井瓦斯防治【M】 ． 徐 州 中国矿业 大学出版社， 1 9 9 2 ． 【 4 】韩贵雷 ， 破裂岩体 承压注浆加 固力学特性试验研 究【 D】 ． 徐 州 中国矿业大学硕士论文， 2 0 0 8 4 7 ． 作者 简 介 李 广涛 ， 男 1 9 7 5 一 。 河南 郾 城县 人 ， 助 理 工程 师 。 1 9 9 6年毕业于平顶 山职工矿大 。 2 0 0 9年荣获中平能化集 团 “ 青年 科 技奖” 称号 ． 长期从事煤矿瓦斯治理及防 突技术研 究， 现任 平顶山天安 煤业股份有 限公司十矿防突科副科长