突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术.pdf

2 0 1 1 年第 9 期 中州煤炭 总第 1 8 9 期 突 出煤层 瓦斯抽 采钻 孔封孔技术 王 玉杰 ， 杨继 东 中国平煤神马集 团 瓦斯研 究所 ， 河南 平顶 山4 6 7 0 0 0 摘 要 针 对突 出煤层瓦斯抽采钻孔封孔现 场存在 的技术难题 ， 以钻 孔封孔技 术理论 为指 导 ， 研 究开发 了组合 封孔器带压封孔技 术。在 井下现场实施过程 中， 进 一步优化 了封孔施工工艺。现场实践表 明， 利用组合封孔 器和 与之相配套 的带压 封孔 施工工艺 ， 可 有效 解决本煤层瓦斯抽采钻孔封孔不严 的技 术难题 ， 从而大幅度提 高突 出煤层 瓦斯抽 采效 果， 为 突出矿 井顺利开展煤 与瓦斯共采技术研 究工作提供技术 支撑 。 关键词 煤与瓦斯突 出； 瓦斯抽采钻孔 ； 带压封孔 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 9 0 1 4 3 0 2 平顶 山矿 区单 一 低 渗透 突 出煤 层 分 布 广 泛 ， 目 前矿 区突 出煤层瓦斯主要抽采方式有本煤层顺层抽 放 、 采面浅孔抽放 、 高 低 位巷穿层抽放 、 高位钻场 水平 钻孔 抽 放 、 采 空 区抽放 等 ， 年施 工钻 孔 近 3 5 0万 m、 抽采 量 近 1 ． 1亿 m 。 由于突出煤层 多是构造煤 ， 煤层结构复杂 ， 施工 现场 普遍 存 在抽 采 钻 孔 密封 效 果 差 、 泄漏 严 重 的技 术难 题 ， 钻孑 L 瓦斯 抽 采半径 较 小 ， 从 而 导致钻 孔 工程 量 大 ， 瓦 斯抽 采难 度 大 。突 出煤层 钻孔 密封 效果 差 ， 钻孔 瓦斯 抽 采流 量小 、 衰减 快 ， 严重 制 约着 钻孑 L 瓦斯 抽 采工 作 的顺利 开展 。 。为 了确保 煤矿 安全 ， 对 突 出煤 层 瓦斯 抽采 钻 孔 封 孔技 术 进 行 了研 究 ， 提 出 了 组合封孔器和与之相配套的带压 封孔新技术 ， 并在 平煤 十三 矿 己 1 3 0 4 1_T 作 面 进 行 了应 用 试 验 。 试 验结 果表 明 ， 钻孔 瓦斯 抽采 浓度 明显 提 高 。 1工 作 面 概 况 平 煤 十三矿 位 于 平顶 山 市 东 北 1 9 k m， 井 田东 西 走 向长 1 5 k m， 南 北 倾 斜 宽 2 ． 3～5 ． 0 k m， 井 田 面 积 4 5 k m ， 2 0 0 5年鉴 定 为突 出矿井 。 己 1 3 0 4 1工作 面 位 于 矿 井 己三 采 区西 翼 第 2区段 ， 工 作 面设 计 长 1 8 5 0 m， 标 高 一6 3 0～ 一6 9 0 m， 采 深 7 l 9～7 7 9 m。工 作 面 瓦 斯 压 力 1 ． 6～2 ． 4 MP a ； 瓦斯 含 量 7～1 0 m ／ t ； 相 对 瓦 斯 涌 出量 6～8 m I t ； 透气 性 系数 0 ． 9 6 6 m ／ MP a d 。 2 瓦斯抽采钻孔泄漏机理分析 理论分析表明， 瓦斯抽采钻孔密封段泄漏裂隙 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 3 作者 简介 王 玉杰 1 9 6 7 一 ， 男 ， 河南 平顶 t l j 人 ， 高 级工 程师 ， 】 9 9 2 年毕业 于焦作 矿业学 院， 现从 事防突技 术研究工作 。 由钻孔周围裂隙圈 、 煤 岩 体裂 隙、 密封体本身裂 隙 3种裂隙组合而成 图 1 。 一 般 而言 ， 提高 钻孑 L 封孑 L 的成 功率 ， 必须 解 决 3 个问题 ①钻孔裂隙圈内的裂隙封堵问题 ； ②钻孔壁 与封孑 L 材料的间隙封堵问题 ； ③封孔材料凝 固后 自 身产生的微裂隙问题。特别是对于较松软煤岩体的 钻孑 L ， 由于 松软 煤层 裂 隙发育 、 极 易塌 孔等不 利 因素 的影 响 ， 常用 的封孑 L 器 、 封孔 管等 器材 难 以下到 指定 的封 孔段 位 置 ， 封 孔 失 败率 极 高 。对 于 密封 体 本 身 的裂 隙而言 ， 则需 要研 究专 门的高强 度 、 低膨 胀封 孔材 料 ， 以减 少裂 隙 嵋 。 闺 1 瓦斯抽采钻孑 L 裂 隙圈分布 3 瓦斯抽 采钻 孔封孔设计 常规 的 瓦斯抽 采 钻孔封 孔 技术包 括采 用有 机材 料或 无机 材料 直接 封堵 、 封孑 L 器 封堵 等技 术 ， 其 基本 特 点都是 靠 材料 自身 凝 固 、 膨 胀 变 形 封堵 钻 孔 。 由 于钻 孔周 围 裂隙 圈存 在大量 裂 隙 ， 传统 的封孔 器 、 水 泥砂浆和有机药物封孑 L 材料封孔 ， 密封体裂隙少， 但 是材料 自身膨胀压力有限， 难以进入钻孔周围裂隙 圈 中 ， 影 响整 体 密封性 能 。 综 合 考 虑 常规 封孔 胶 囊 、 水 泥 砂 浆及 有 机 药 物 的封孔 效果 ， 针对 松 软突 出煤层 的特 点 ， 研制组 合 式 封 孔器 及与 之相 配 套 的 带压 封 孑 L 工 艺 ， 可 从 根 本 上 解 决钻 孑 L 裂 隙 圈 、 封 孔 材 料 与孔 壁 接 触 缝 隙 及 材 料 ．1 43 ． 2 0 1 1 年第 9 期 中州煤炭 总第 1 8 9 期 凝固后 自身微裂隙的封堵难题 ， 以达到提高封孑 L 成 功率 、 降低成 本 的 目的 图 2 。 圈 2组 合 式 封 孔 器 结 构 设 计 4带压封 孔工艺 现场试验表明， 由于钻孔周围裂隙圈的存在， 在 煤体 裂 隙较发 育 区域 带 压 封 孑 L 时 ， 大 量 浆 液在 压 力 作用 下 进入煤 体 裂 隙 网络 中 ， 其 扩 散 范 围可控 性 极 差 、 用料多 ， 将 大幅度增加封孔成本。使用组合式封 孔 器进行 带压 封 孔的 工艺核 心是 把封 孔范 围有效 控 制在 钻孔 抽采 半径 以内 。 现场 操作 中 ， 封孔 器要 与 其他 有 无 机 封孔 材 料配 套使 用 ， 在 2个 封 孔封堵 胶囊 间形 成 密闭空 间 ， 封闭注浆材料 ， 限制其扩散范围。①准备动力风源 ， 要求风压 0 ． 2 0～ 0 ． 6 5 MP a ； ②把原料和气动泵运到 施工现场； ③吹净孔内钻屑， 把组合式封孔送入孑 L 内 指定位置 ； ④ 连接抽采 管和封孔埋管 ； ⑤安装气动 泵 ， 连接注浆管； ⑥将 吸浆管分别放入 吸浆桶 中， 开 启气 动泵 ， 把 浆料按 1 1的比例 通过 出浆管 、 单 向逆 止阀 、 三通混合 器送进注浆管 内； ⑦ 注浆压力达到 0 ． 3 MP a 时 ， 1 和 2 单 向阀打 开 ， 浆料 进 入胶 囊 1和 胶囊 2内 ， 使 胶 囊 膨 胀 直 至 注 浆 压 力 上 升 到 0 ． 5 5 MP a ， 用胶囊封严孔壁 ； ⑧泵压升至 0 ． 5 5 M P a时， 3 单 向 阀打 开 ， 控 制 浆 料 流 速 不 大 于 0 ． 0 5 L ／ mi n ， 待 注入 钻孔 密封段 裂 隙 圈内 的浆 液缓 慢流 动达 到初 凝状 态 时 4～ 5 mi n ， 以正 常注 浆压力 、 流 量注浆 至 规 定量 ， 停止 注浆 ； ⑨施 工 完毕后 用 机油清 洗泵 和管 路 ， 并 清理现 场 。 5 应 用效 果分析 平 煤 十三 矿 己 。 一 1 3 0 4 1工 作 面 两 巷 均 采 用 预 抽煤 层 瓦斯措 施 进 行 瓦斯 治 理 ， 瓦斯 抽 采 钻孔 沿 煤 层倾 向布 置 ， 8 9 mm， 孑 L 深 8 0 m， 孑 L 间距 2 m。抽 采钻 孔 采用组 合式 封孑 L 器带 压封 孔工 艺进 行封 孔 。 根据现场实际情况 ， 在相同区域分别采用组合 式带压封孔技术与传统封孔工工艺封孔 ， 2种封孔 方式 交叉 布 置 。封孔 后 连 续 进 行 抽采 参 数 测 定 ， 综 1 44 合分 析 瓦 斯 抽 采 浓 度 等 相 关 参 数 的 变 化 情 况 图 3 ， 并 对封孔 效果 进行 分析 。 曩 撩 时间／ d 图 3不 同 封 孑 L 工 艺 瓦 斯 抽 采 浓 度 变 化 实测 数 据对 比分 析显 示 ， 采 用 新 的封 孑 L T 艺 进 行封孔 后 ， 钻孔 瓦 斯 抽采 浓 度 明显 提 高 。钻 孑 L 瓦 斯 抽 采 平 均 浓 度 值 在 3 7 ． 0 ％ ～7 8 ． 2 ％ ， 提 高 2 8 ％ ～ 8 8 ％ 。 由于钻孔 密 封性 能 的提 高 ， 进 一 步 改 善 了 瓦 斯 抽 采效果 ， 为工作 面 瓦 斯 治 理 工作 奠 定 了 良好 基 础 。 6 结 论 现场应 用 表明 使 用 组合封 孔器 带压 封孔 技术 ， 可有效改善钻孑 L 密封性能、 减少泄漏 ， 提高钻孔瓦斯 抽 采效 果 。 1 由于 突 出煤 层 松 软 ， 钻 孔 周 围 裂 隙 圈 与 煤 体内破碎区域裂隙相互沟通 ， 带压封孔时， 将导致大 量浆 液进入 裂 隙网络 中 。合理 控制 注浆 料 的初 凝 时 间是有 效控 制浆 液 扩散 范 围 的基 础 ， 是 实 现 封 孔 范 围可 控 、 封 孔成 本可控 的前 提 。 2 使用组合封孔器带压封孔施工T艺核心是 合 理 控制 注浆压 力 及 流 量 ， 把 浆液 扩 散 范 围控 制 在 钻孔 抽采 瓦斯 半径 以 内 ， 这样 ， 不仅 能有 效提 高钻 孔 密封 性能 ， 而且 也 能有效 控制 封孔 成本 。 3 对 于 大 多 数 突 出 矿 井 而 言 ， 预抽 煤 层 瓦 斯 是防 突工作 的必 要手 段之 一 。采取 先进 合理 的瓦 斯 抽采 钻孔 封孔 技术 ， 是提 高钻孔 密 封性 能 、 改 善抽 采 效果 的基 本要 求 。 组合 式 带 压封 孔 新 技 术 的研 究 与 实践 ， 对 进 一 步改善突出煤层瓦斯抽采钻孑 L 密封性能进行 了有益 探索 ， 具有相应 的借鉴意义。 参考 文献 [ 1 ] 袁亮 ． 煤矿 总T程 师技术 手册 [ M] ． 北 京 煤炭 业l { ； 版社 ， 2 O l 0． [ 2 ] 王显政． 煤 矿安全新技术 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 2 责任编 辑 刘光 雨