带压定向注浆封孔技术在比德煤矿的应用.pdf

★ 煤矿安全 ★ 带压 定 向注浆封孔技术在 比德煤矿 的应 用 刘 春 宋 小 林 周福 宝 刘 应科 中国矿 业 大学安 全工程 学院 ，江 苏省 徐 州市 ，2 2 1 0 0 8 摘 要 论 述 了煤层 瓦斯抽 采钻 孔 带压封 孔技 术原理 ，结合定 向控制 技 术 ，研 究 了 “ 定 长度 、定 深度” 条件 下 的带 压封 孔技 术 。在 贵 州六枝 工矿 集 团比德 煤矿 进 行 了现 场 应 用研 究，结果表明，带压定向注浆工艺单孔瓦斯高浓度抽采天数得到提高，单孔平均抽采周期延 长 了 1 0 ． 3天 ，表 明该 工 艺具有 显著 的封 堵裂 隙特 性 ；带 压 定 向注 浆封 孔 工 艺单 孔 瓦斯 抽采 量增 加 了 2 0 2 6 ． 5 3 m。 ，煤 层 瓦斯抽 采 率增加 2 4 ． 2 ，效 果显著 。 关 键词 瓦斯 抽 采 带压封 孔 定 向控 制 注 浆 比德 煤矿 中图分 类号TD7 1 3 文献标 识码B Re s e a r c h a n d a p pl i c a t i o n o f d i r e c t i o n a l g r o u t i ng s e a l i n g u nd e r pr e s s u r e t e c hn o l o g y i n Bi d e c o a l m i n e I i u Chu n，So n g Xi a o l i n，Zho u Fu b a o，Li u Yi n g ke Fa c u l t y o f Sa f e t y En gi ne e r i ng，Chi na U n i v e r s i t y o f M i n i n g a nd Te c hn ol o gy， Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r i n c i pl e o f g r ou t i n g s e a l i n g un de r p r e s s u r e ha s b e e n di s c us s e d． As s o c i a t e d wi t h di r e c t i on a l c o nt r o l ，t he g r ou t i n g s e a l i ng un de r pr e s s u r e wa s r e s e a r c he d u nd e r c on d i t i o ns o f f i xe d l e ng t h a n d d e pt h． The f i e l d a pp l i c a t i o n ha s b e e n c a r r i e d ou t i n Bi de m i ne of Li uz hi c o a l i n du s t r y gr o up i n Gu i z ho u ．The r e s u l t s s ho w t h a t t h e a v e r a g e d r a i n a g e pe r i o d o f h i g h c on c e nt r a t i o n g a s i n s i n gl e ho l e i s 1 0 ．3 da y s l o ng e r t ha n whi c h by d i r e c t i o na l gr o u t i ng s e a l i n g un de r pr e s s ur e． t h e g a s d r a i n a g e i n c r e a s e s 2 0 2 6 ． 5 3 m。wi t h t h e i n c r e a s e o f 2 4 ． 2 0A ，s u g g e s t i n g g o o d a d v a n t a g e s i n c r a c k s e a l i ng ． Ke y wo r d s ga s dr a i na g e，un de r pr e s s u r e，di r e c t i o na l c o nt r o l ，gr o ut i ng，s e a l i n g，Bi de Coa l M i ne 瓦斯抽 采是 防治煤 矿瓦 斯灾 害事故 的根本 性 措 施 。我 国煤 矿瓦斯 抽采 量大 幅度增 长 ，但是 决定 瓦 斯 抽采 效果 的关键 因素 封孔技 术仍 存在 一些 问 题 。 目前我 国煤 矿 瓦 斯 抽 采 钻 孔 的 封 孔 技 术 主 要 有 风 动注水 泥砂 浆封孔 、发泡 聚合材 料粘合 棉纱 封 孔 和 KF B型 矿用 封 孔器 封 孔 等 。在 经过 一 定 时 间 的瓦斯 抽 采 后 ，大 量 瓦 斯 被 抽 出 ，煤 层 收缩 变 形 ，水 泥砂浆 封孔 后封 孔段 抵抗变形 能力 差 ，容 易 生 成裂 隙 ，形 成漏 风通道 ，降低抽 采浓度 ；由于反 应 时 间限制 ，发泡 聚合材 料粘 合棉纱 封孔 存在 封孔 长 度达 不到要 求 、材料用 量 高 、操作 过 程 中容 易造 成 材料 浪费 等 问 题 ；KF B型 矿 用 封 孔 器 也 存 在 操 作复杂 、可重复利用率低的缺陷。 针对 以上问题 ，结合 贵州 六枝工 矿集 团比德矿 带压定向注浆封孔技术在 比德煤矿的应用 煤 层特 定条件 ，提 出了带压 定 向注浆封孔 技术 ，取 得 了显 著效 果 。 1 技 术原 理 开 采煤层 进 、回风 巷道 在掘进 后 ，巷 道周边 围 岩 径 向产生压 应力 和压 缩变形 ，而切 向将 产生拉 应 力 和拉 伸变形 ，由于岩 石抗 拉强度 很差 ，当拉 伸应 变 超过 破 坏 应 变 时 ，径 向将 产 生 裂 隙 ，形 成 裂 隙 圈 。抽采 钻孔 封孔 以后 ，如果 巷道 掘进后 形成裂 隙 圈的深 度超过 封孔 的深 度 ，裂 隙 圈内裂 隙将会 与抽 采 钻孔 沟通 ，构成 了钻 孔短路 风流 的通道 ，这些 通 道影 响 了抽采 钻 孔 的气 密 性 ，导 致 抽采 浓 度 下 降 。 因此 ，在 确定 抽采钻 孔封 孔长 度时 ，应坚持“ 保 证 不 吸入 空气 ，又使 封孔 长度尽量 短 ”的原则 。瓦斯 1 05 抽采钻孔 的封孔 长度 ，必须 超过巷 道周 围裂 隙圈范 围 ，才 能避 免空气 通过这些 裂隙被 吸人钻孔 和抽采 系统 。 带压定 向注浆封 孔技术 的指导思 想为 1 利 用 定 向控制 技术构造 定 向空 问 ，保证发 泡浆液 的长 度 和深度 ，实现 “ 定 长度 ” 和 “ 定 深度 ” ； 2 通 过带压 注浆泵，把聚合 发泡浆液送 入定 向空 间； 3 聚合发泡浆液被注入到定向空间后 ，在外界持 续压力作用下 ，易于向钻孔周围煤层裂隙渗透，聚 合浆 液发泡后 ，煤层裂 隙即被封堵 ，从 而减少漏风 通道 。 1 ． 1 定向控制 浆液发 泡原 理 b 图 1 定向控制浆液发泡工艺示意图 a 一注浆前 ； b 一注浆发泡后 1 一瓦斯抽采管 ；2 一注浆 P V C管 ；3 一棉纱发泡体； 4 一发泡控制空间 ；5 一钻孔壁 定 向控制浆液发泡技术的原理在于构造一个浆 液发泡 的定 向空间 首先 让浆液 在 固定 空间里发泡 并充满 该 空 间 ，其 次 控 制 发 泡 深 度 超 出松 动 圈深 度 ，从 而达到 密 闭 的效 果 。操 作工 艺 如 图 1 所 示 ， 具体为 如下 4步 。 1 定 深度 。在 距 离抽 采管 上 端 L 。 长 度处 缠 绕 长度为 5 0 0 mm 的棉 纱 ，保 证 L 十L 的 长度 超 出巷 道松动 圈的深度 1 ～2 m。 】06 2 定长度 。在距 离抽 采 管上 端 L 。 L 。长度 处缠绕长度为 5 0 0 mm 的棉纱并把注浆 P VC管固 定 ，之后分别浇盖适量聚合发泡浆液，快速推入抽 采钻孔 中，待 聚 合 浆 液 发 泡凝 固后 即形 成 长 度 为 L L 。 的定向控制空间，如图 1 a 所示。根据 不 同巷道 条件 ，为保 障瓦斯 抽采量 ，应 控制 注浆 段 L z 长 度不小 于 4 m。 3 向控制空间内注入计量 的聚合发泡浆液 ， 发泡后效 果如 图 1 b 所 示 。注浆 量 的确 定 可 用 式 1 计 算 。 注浆量 计算公 式 W 2 5 0 丌 D 一 d L “ 式 中 W 注浆 量 ，l ； D 钻 孑 L 直径 ，m； 瓦斯 抽采管 直径 ，m； L 注浆 段 L 2 长度 ，r f l ； a 聚合材料 发泡倍数 ，常数 。 4 密封注 浆 P VC管尾端 管 口。 1 ． 2带 压注浆 原理与设备 针对棉纱粘料封孑 L 技术存在的缺点，带压注浆 工艺 采 用 自主 研 发 的矿 用 手 动 注浆 泵 专 利 号 C N2 0 0 6 1 0 0 9 6 2 4 2 ． 0 ，见 图 2 ，使 聚合 材料 A 料 和 B料在机械压力下边注入边混合 ，通过注浆 P V C 管流入 定 向控 制 空 间 内。利 用 二 者 的反 应 延 迟 时 间 ，把 混合浆 液 的发 泡 过 程 控 制 在 定 向控 制 空 问 内 。 该设备通过两个真空泵将 A、B料 混合并压 出 ，具有重 量小 、便 于在井 下携带 与维护 等优点 。 1 图 2 矿用手动带压注浆封孔泵示意图 1 一加压手柄；2 一柱塞泵；3 一吸料管；4 一出料管； 5 一支架 ；6 一混合枪头 2现场应用 比德井 田位于威水 煤 田比德 向斜 西南冀 北 中段 中国煤炭第 3 7 卷第 4期 2 0 1 1年 4 月 范 围 ，分属 贵 州 纳 雍 县 阳 长镇 和 水 城 县 比德 乡 管 辖 。矿 井设 计 产 量 1 2 0万 t ／ a ，服 务 年 限 2 4 ． 5 a 。 试 验煤层 6 煤层 上距 5 煤 层 6 ． 4 3 ～ 1 8 ． 0 5 m，平 均 l 1 ． 8 m。 煤 层 厚 度 0 ． 6 1 ～ 4 ． 5 2 m，平 均 厚 1 ． 7 m。煤 层倾 角 1 2 ～ 2 1 。 ，平 均 1 5 。 ，属 于稳定 全 区可采 煤 层 。6 煤 层 瓦 斯 压 力 2 ． 3 7 MP a ，埋 深 2 6 4 m，瓦 斯 含 量 7 ． 2 7 m。 ／ t ，透 气 性 系 数 为 0 ． 1 0 4 5 m ／ MP a d ，钻 孔 瓦 斯 流 量 衰 减 系 数 0 ．1 8 8 9 d～ 。 比德矿现 采用棉 纱粘 合聚 合发 泡材料 封孔 ，瓦 斯抽 采管 为单 根 长度 8 m、直径 5 2 mm 的 P E管 ， 抽采 钻 孔 直 径 约 为 7 5 mm。 由 于 巷 道 条 件 限 制 ， 实际操作中塞人棉纱深度较小 ，棉纱缠绕长度为 2 ～ 3 m，但 单孔 平均 抽采 浓度不 足 2 0 ，且 抽采 周 期 短 ，严 重影 响了 回采 工作 的安全 。 2 ． 1 方 案 设 计 对 照 组 采 用 棉 纱 粘 合 发 泡 材 料 封 孔 工 艺 封孔 1 0个 1 ～1 0 ，试 验 组 采用 带 压定 向注浆 封孔 工 艺封孔 1 0个 2 1 ～ 3 0 。封 孔 时 间 同 步 ，浓 度 观测 同步 。经过 查 阅大量 资料和 现场实践 ，巷 道 周 围形成 的裂 隙圈 半 径 约为 3 ～5 m，考 虑 到 一些 其 他影 响因素 ，封 孔位置应 避 开裂 隙圈 ，因此封孔 位 置应在 距孔 口 5 ～7 m 处 ，封孔 长度 4 ～5 m。钻 孑 L 参 数设 计见表 1 。 表 1 钻 孔 参 数 设 计 表 2 ． 2封 孔效 果分析 选择 在 1 0 6 1巷 道 施 工 顺 层 瓦 斯 抽 采 钻 孔 2 0 个 ，1 ～l O 为 矿 方工 艺 所 封 对 照孔 ，2 1 ～ 3 O 为带 压定 向注 浆工艺所 封试 验孔 。为 保障 抽采 瓦斯 发 电 要 求 ， 当单 孔 抽 采 瓦 斯 浓 度 连 续 3天 低 于 1 O 时 ，就 应停 止该 孔 的抽 采工 作 ，由此定义 从接 入抽 采系 统时起 到该 时 的持 续天 数 即为该孔 的 “ 抽 采周期” 。表 2和表 3分别为对照孔和试验孔瓦斯 抽采 浓度 周期分 布表 。 表 2 对 照 孔抽 采 瓦斯 浓 度周 期 分 布 表 d 总 天数 4 0 带压定 向注浆封孔技术在 比德煤矿的应用 1 0 7 0 ” 鹊 们 ∞ 2 9 O O 0 2 6 7 1 l_ 8 O 2 O 5 ” 口 一 { 一r 呈 明 弘 8 O 6 6 3 U 0 6 3 7 n 6 4 5 2 4 3 5 4 1 7 4 6 t 船 鹪 ∞ 分析表 2和表 3 得 出 1 对照孑 L 单孔平均抽采周期为 2 7 ． 5 d ，试验 孔单 孔平均抽 采周期 为 3 7 ． 8 d 。抽 采 周期 的提 高 ， 保证 了抽采瓦斯 总流量 ； 2 试验孔 高瓦斯天数 大 幅提 升 ，对应 钻孔抽 采浓度高于 6 O 的天数，对照孔 和试验孑 L 平均分 别为 0 ． 7 d和 l 1 ． 4 d 。结果表明，带压定向注浆封 孔工艺密 闭性能 良好 ，带压 注浆封堵 裂隙效果 得到 体现。单孔瓦斯抽采量对比见图 3 ，瓦斯抽采参数 见表 4 。 表 4瓦斯 抽 采 参 数表 钻孔编号 图 3 单孔瓦斯抽采量对 比图 由图 3和表 4可知 ，带压 定 向注浆 封孑 L 工 艺单 孔多抽 出瓦斯 2 0 2 6 ． 5 3 m。 ，煤层 瓦斯抽采 率增加 2 4 ． 2 ，单孑 L 可实现瓦斯利用效益 7 0 1 ． 1 元。 3 结论 1 与对照孔 相 比，带压定 向注浆工艺 单孔高 浓度抽采 天数得到 提高 ，单孑 L 平均 抽采周期 可延长 1 0 ． 3天 ，表 明该 技 术 密 闭性 能 良好 ，验证 了带 压 注 浆封孔工 艺具有显 著的封堵 裂隙特性 。 2 在 比德煤矿应用 表 明 带压定 向注浆封 孔 工艺单孔平均多抽出瓦斯 2 0 2 6 ． 5 3 m。 ，且瓦斯抽采 率大幅提高 ，有效减少了工作面瓦斯超限频率，短 时间内产煤更多 ，间接效益明显。 参考文献 E 1 ] 程远平 ，俞启香 ．中国煤矿 区域性瓦斯 治理技术 的 发展 E J 3．采矿与安全工程学报，2 0 0 7 4 E z l 赵正均 ，郭胜均 ．K F B型矿用水 泥稠 浆封孔泵 的研 制E J ]．矿业安全与环保 ，1 9 9 9 2 [ 3 ] 于不凡 ． 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 [ K ]． 北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 4 [ 4 1 魏胜田 ．高位钻场穿 层钻孔预抽上 覆被保护层 瓦斯 技术 E J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 7 6 E s ] 李 波，李长松 ，魏建平等 ．套 管带压 固结封孔技术 在 瓦斯 压 力 测 定 中 的应 用 E J ]．煤 炭 科学 技 术 ， 20 0 9 3 作者简介刘春 1 9 8 6 ～ ，男，山东济宁人，中国矿 业大学安全工程学院在 读研究生 ，研究方 向为煤矿瓦 斯治 理技术。 责任 编辑 梁子 荣 “ 十二五”能源建设重点 煤 炭 开 发 与转 化 稳 油 增 气 ⋯⋯⋯‘ 核 ⋯⋯⋯ 可再 生 能 源 油 气 管 网 电 网 加 快 陕 北 、黄 陇 、神 东 、蒙 东 、宁 东煤 炭 基 地 建 设 ，稳 步 推 进 晋 北 、晋 中 、晋 东 、云 贵 煤 炭 基 地 建 设 ，启 动新 疆 煤 炭 基 地建 设 。依 托 以 上煤 炭 基 地 建 设若 干大 型 煤 电基 地 。 推 进 形 成塔 里 木 和 准 噶尔 盆 地 、松 辽 盆地 、鄂 尔 多 斯 盆 地 、渤 海 湾 盆 地 、 四川 盆 地 5个 油 气 规 模 生 产 区 ，加 快 近 海 海域 和深 水 油 气 田勘 探 开 发 。加 大煤 炭 矿 区 煤层 气 抽 采 利 用 。适 当增 加 炼 油 能 力 加 快沿 海省 份 核 电发 展 ，稳 步 推 进 中部 省 份 核 电建 设 ，开 工 建设 核 电 4 0 0 0万 k w 。 建设 金 沙江 、雅 砻江 、大 渡 河 等 重 点 流 域 的大 型 水 电 站 ，开 工 建 设 水 电 1 ． 2亿 k W 。建 设 6个 陆 上 和 2个 沿 海 及 海 上 大 型 风 电基 地 ，新 建 装 机 7 0 0 0万 k w 以 上 。以 西 藏 、 内蒙 古 、 甘 肃 、 宁 夏 、青 海 、新 疆 、云 南 等省 区为 重 点 ，建 成 太 阳 能 电站 5 0 0万 k w 以上 。 建设 中 哈原 油 管 道二 期 、 中缅 油气 管 道 境 内段 、中亚 天 然气 管 道 二 期 ，以及 西 气 东 输 三 线 、 四线 工 程 。输 油 气 管道 总长 度 达 到 1 5万 k m 左 右 。加 快 储 气 库建 设 。 加 快 大 型 煤 电 、水 电 和 风 电基 地 外 送 电 工程 建 设 ，形 成 若 干 条 采 用 先 进 特 高 压 技 术 的跨 区 域 输 电 通 道 。建 成 3 3 0 k V及 以上 输 电线 路 2 O万 k m。开 展 智 能 电 网建 设 试 点 ，改 造 建 设 智 能 变 电 站 ，推 广 应 用 智 能 电表 ，配 套 建设 电 动汽 车 充 电设 施 。 1 O 8 中国煤炭第 3 7卷第 4期 2 0 1 1年 4月