高应力突出松软煤层封孔技术研究与应用.pdf

第4 0 卷第4 期 2 0 1 7年 4月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 ．4 0 No ． 4 A p r ． 2 0 1 7 高 应力 突出 松软 煤层 封 孔 技 术 研究 与 应 用 刘磊 中国平煤神马集团 能源化工研究院， 河南 平顶山4 6 7 0 0 0 摘 要针对八矿突出煤层普遍存在钻孔塌孔严重、封孔难度大、抽采浓度低、衰减快、抽 采效果差、抽采钻孔容易产生C O等问题，通过对高应力突出松软煤层封孔技术的研究与应 用，制定 了高应力松软煤层封孔工艺标准，提出了 “ 反压”注浆法。结果表明该技术大大 降低 了钻孔的漏气率，增强钻孔密封性，提高抽采浓度，实现了瓦斯抽采最大化。 关键词高应力；突出松软煤层；封孔技术 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 7 0 3 0 0 5 2 0 4 Appl i c a t i o n a nd r e s e a r c h o f hi g h s t r e s s s o f t c o a l s e a m ho l e s e a l i ng t e c h no l o g y L i uLe i C h i n a L e v e l i n g G r o u pE n e r g yC h e m i c a l I n d u s t r y R e s e a r c h I n s t i t u t e , Hn g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 0 ； C h i n a Ab s t r a c t P r o b l e ms o f s e v e r e b o r e h o l e c o l l a p s e ，d i ff i c u l t h o l e s e a l i n g ；l o w e x t r a c t i o n c o n c e n tr a t i o n ，r a p i d d e c a y ，p o o r d r a i n a g e e ff e c t ， g a s d r ai n age b o r e h o l e e asi l y c a u s e d C O e x i s t e d i n e i g h t m i n e ． T h r o u gh r e s e a r c h a n d a p p l i c a ti o n o f h Jigh s tr e s s s o ft c o a l s e a m h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y ， h i gh s tr e s s s o ft c o al s e a m h o l e s e a l i n g s t a n d ard p r o c e s s W as f o r m u l a t e d ， t h e b a c k p r e s s u r e g r o u ti n g me tho d Was p u t f o r w a r d ， wh i c h d e c r e ase d a i r l e a k r a t e o f b o r e h o l e ，i n c r e ase d b o r e h o l e s e a ti n g ， i mp mv e d e x t r a c ti o n c o n c e n tra ti o n an d ma x i mi z e d the g as e x tr a c ti o n ． K e y w o r d s h i gh s tr e s s ； o u t b u r s t s o f t c o a l s e a m； h o l e s e a l i n g t e c h n o l o gy 1工作面概况 己 一 1 4 1 4 0机巷工作面位于己四采区西翼 ， 该工作面标高 一 5 8 0 ～ 一 6 5 6 m，地面标高 1 2 0 一 1 5 0 m，埋深 6 3 0～ 7 9 6 m。煤层倾角一般在 1 7 。 ～ 2 8 。 ，平均 2 2 。 ，呈西缓东陡之趋势。直接顶 为砂质泥岩 ，厚约 3 ． 0 m，距煤层顶板 0 ． 8 m左右 有一层 O ． 1 ～ O ．5 m的煤线，该层易随采随落。直接 底为一薄层泥岩，遇水易膨胀。工作面水文地质条 件简单，预计正常涌水量 2 ～ 3 m 3 ／ h ，最大 5 m 3 ， h 。煤层 自 燃发火期 4 ～ 6 个月。该工作面瓦斯压力 1 ．8 M P a ，瓦斯含量 2 2 ．0 m 3 ， t ，属突出危险工作面。 机巷底抽巷与机巷 中对中 2 5 m，布置在距 己 l 6 ． 1 7 煤层底板垂距 1 2 m处，通过采取区域瓦斯治理措 施解决机巷掘进期间消突问题。 1 ． 1 区域防突措施执行情况 I ． 1 ． 1 掩护掘进工作 面区域措施 通过底板掩 护巷 向机巷掘进方 向施工穿层 钻 孔，从而起到掩护机巷安全掘进的目的。穿层钻孑 L 每 3 m布置一组，一组两列 8 个，孔径 9 4 m m，孑 L 深 以穿过己 煤层进入顶板 O ． 5 m为准 ，控制范 围 为机巷上、下帮轮廓线外 1 5 m，加上机巷巷宽 4 ．6 m，共计 3 4 ．6 m范围，钻孔做到了随打随抽。 1 ． 1 ． 2 回采工作 面区域措施 首先，在采面风、机两巷向圈定煤层施工顺层 抽放钻孑 L 。其次，利用中间底抽巷，向采面中部施 工穿层钻孔 ， 对中部煤层进行瓦斯抽放，以解决顺 层钻孔抽放空白带的问题。 机风巷顺层钻孔每 3 m布置 1 个 ，孔径 l l 3 m m，机巷孔深不低于 9 0 m，风巷孔深不低于 8 0 m。 责任编辑聂明勋D O I 1 0 ． 1 9 2 8 6 ／j ． c n k i ．e c i ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 1 6 作者简介刘磊 1 9 8 1 一 ，男，河南项城人，助理工程师。 引用格式刘磊． 高应力突出松软煤层封孑 L 技术研究与应用【 J 】 ． 煤炭与化工，2 0 1 7 ，4 0 3 5 2 5 5 5 2 刘磊高应力突出松软煤层封孔技术研究与应用 2 0 1 7年第 4期 保证抽放效果，提高抽放效率。 穿层钻孔分两部分执行， 第一部分为在机巷 底抽巷上帮向突出煤层施工穿层钻孔，钻孔每4 m一 组 ，一组 2列 6个 ，孔径 9 4 n l l T l ，孔深以穿 过 己 煤层进入顶板 0 ． 5 m为准，控制为底抽巷上帮轮廓 线外 1 0 i n之外 2 0 m范围；第二部分为 以中间底 抽巷为轴心以扇形方式向两帮布孔，孔径 9 4 m ln ， 孔深已穿过己 煤层进入顶板 0 ．5 m为准。钻孔数 量以解决空白带为原则 ，必须保证与两巷顺层钻孑 L 搭接长度不低于 1 0 m。 1 ． 2 水力冲孔情况 己 一 1 4 1 4 0 机巷底抽巷沿走向瓦斯治理长度 6 6 0 m的长度成功实施水力冲孔 4 1 3 孔次 ，水力冲 孔措施以其卸压、增透效果显著等特点对机巷安全 掘进起到了积极作用。 水力冲孔钻孔布置方式 图 1 为在原有 抽放钻孔的基础上，向机巷前方每 4 ． 5 m布置一组 3个冲孔钻孔 ，钻孔孔径 9 4 i n in ，孔间距 1 ．5 m， 分别控制到机巷中心及其以上 7 m位置和 6 m以下 位置。单孔冲出煤量规定为 2 ～ 3 t 。 图 1 水力冲孔布置 示意 F i g ． 1 Hy d r a u l i c p u n c h i n g a r r a n g e me n t 1 ． 3 现有封孔技术存在的问题 目 前主要采用的聚氨酯封孔法，由于有效封孔 段较短，在穿层钻孔及水力冲孔的影响下， 顺层钻 孔封孔段煤层裂隙发育，多数钻孔存在微小漏气， 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供氧，导致抽放浓度低，煤体 易白燃。 随着采掘深度的不断增加，高应力松软煤层中 施工的钻孔塌孔现象严重，阻塞了封孔通道，造成 囊袋送不到预定位置。且在注浆过程中，囊袋容易 破裂，封孔工作无法进行。 巷掘进，控制范围为机巷上下帮各 1 5 m。 2水力 冲孔控制范围为 机巷 中心以上 7 m，以下 6 m 。水力冲孑 L 钻孔有效影响半径为 4 m 。 巷道宽度为 4 ． 6 m 。即水力冲孔对上帮实际影响距 离为 8 ． 7 m，下帮影响距离 7 ．7 m 。水力冲孑 L 影响距 离如图 2所示 。 图 2 水力冲孔影响距离示意 F i g ． 2 Hy d r a u h c p u n c h ing d i s t a n c e 3 顺层钻孔在钻进过程中，前 1 5 m钻屑量 较少，随钻孔压风飘走，无孔口下堆积现象。1 5 m 后，钻屑量逐步增加，孔口有堆积现象。钻屑量综 合反应了煤体所处位置的地应力和煤层瓦斯压力。 综合以上 3 点分析，穿层钻孔、水力冲孔对被 治理巷道 的卸压影 响范 围为 1 5 m，在 0～8 ． 7 m裂 隙更为发育，封孔难度较大。 2 ． 2 顺层钻孔受高应力影响的区域 巷道施工之后必然会导致周围煤岩体的运移， 同时将改变原始状态的应力场，使得应力重新分 布，在巷道周围产生应力集中区域和卸压区域。当 该巷道的周围施工另一条巷道时，两条巷道应力相 互叠加后，应力重新进行了分布。机巷上帮应力集 中范围为 2 0～4 0m。 现场钻孔在钻进到 2 O ～ 4 0 m位置时钻屑量明 显增加 ，相关分析及现象表明，巷道应力集中区域 为 2 0 ～ 4 0 m。在高应力、煤层松软的共同作用下， 钻孔塌孔严重，封孔通道被严重堵塞，封孔管及囊 袋输送不到预定位置。 3 高应力松软煤层封孔工艺 2 钻孔封孔技术研究 3 区域造成的封孔难度较大、抽 2 ． 1 被治理巷道卸压影响的范围 采浓度低、衰减快、抽采效果差、抽采钻孔容易产 1 依据有关规定，在机巷底抽巷执行穿层 生一氧化碳、钻孑 L 注浆量大，劳动强度大和顺层钻 钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施 ， 掩护机 孔高应力区域造成的钻孔塌孔严重，封孑 L 通道被严 5 3 2 0 1 7 年第4 期 煤炭与化工 第4 0 卷 重堵塞，封孔管及囊袋输送不到预定位置的问题。 制定封孔工艺如下 首先 ，在钻孔钻进完毕后 ，由打钻人员将封孔 管下人钻孔中。封孔管长度为 4 5 m，前端 2 0 m带 花眼 ，后端 2 5 m不带花眼 。用聚氨酯 、封孔 毛 巾 在距孔 口 1 0 m位置进行封堵 ，同时预埋一根注浆 管，再由注浆人员进行注浆操作 ，2 4 h 后联网抽 放。封孔工艺如图 3所示 。 图3 高应力松软煤层封孔示意 F i g ． 3 Ho l e s e a l i n g o f h i g h s t r e s s s o f t c o a l s e a m 3 ． 2技术要点说明 1 受底抽巷穿层钻孑 L 、水力冲孑 L 的共同影 响，机巷上帮 0 8 ．7 Ill 位置为卸压影响区，裂隙 比较发育。从钻孔深部开始封孔，既保证了钻孑 L 不 易漏气，又减少了钻孑 L 注浆量，降低了工人的劳动 强度，提高了封孔效率。 2钻孔平均孔深为 8 0 m，如果封孔段太长， 抽放段太短， 会造成单孔利用效率低。为保证封孔严 实，提高单孔利用效率，确定封孔段长度为 1 5 I n 。 3为解决高应力造成的塌孑 L 快问题 ，钻孔 施工完毕后 ，立即将 4 5 m封孔管送人孔内，同时 使用聚氨酯在 1 0 I n 位置进行封堵。 4 使用聚氨酯封堵 3 0 m i n 后 ，进行注浆操 作，封孔管返浆后，注浆停止。 3 ． 3 现场管理 1 打钻 、下管过程 ，由打钻视频进行监督 ， 无视频时 ，严禁进行打钻作业 。 2 注浆工作安排专人现场监督，每 5 6 个 钻孑 L 注浆一次，单孔注浆量不小于 9 O k g ，否则钻 孔作废。 3 注浆前，用锚索检查聚氨酯的封堵位置， 检查钻孔孔 间距 。聚氨酯 的封 孔位置 小于 1 0 m、 孔间距小于 3 m的，钻孔作废 。 4 必须保证钻孔垂直于煤墙。严禁形成夹 角 ，造成 串孔 。监督检查办法 现场检查法 、浓度 测量法。 5 未通知管理部门验收，私自进行注浆作 业的，所注钻孑 L 全部作废 。 6 月底考核中，单孑 L 抽采浓度在 4 0 ％以下 的，钻孔作废 ；单孔抽采浓度在 8 0 ％以上的给予 单孔进尺 2 0 ％的奖励。 3 ． 4现场应用效果 钻孑 L 封孔完毕 ，封孑 L 2 4 h 后进行联网抽放。 抽放 2 4 h 后 ，测定单孔初始抽放参数。改进封孔 工艺前抽放干管平均瓦斯浓度 4 ．0％、 C O平均浓 度 3 71 0 ，单孔平均 瓦斯浓度 2 3 ． 4％，单孔 最 大 C O浓度 2 0 01 0 ；在执行新的封孔工艺后 ， 抽放干管平均瓦斯浓度 3 3 ％，单孔初始平均瓦斯 浓度 9 2 ％，C O平均浓度 1 0 X 1 0 。原封孔工艺和 新封孑 L 工艺干管、单孑 L 数据汇总见表 1 。封孑 L 工艺 改进抽放干管浓度对比如图4 所示。 4 5 T 一～ ～一 一 一 ⋯～ ～一 4 譬 0 3 o 一 3 旷3 o ～ ； ； _ 卜 一 苎 _ 叫 ； 二 二 二 二_ 爨 一 ⋯⋯ 一 ⋯一 ⋯ 一 原 封 孑 L ] 艺 干 管 浓 度 堑 霹__ f ] ； i ； ； i 哥 _ ● _ _ 一 ． - 一 0 J 一一 一 一 测定次数 图4 封孔工艺改进抽放干管浓度对比示意 F i g ． 4 C o n c e n t r a ti o n c o n tr a s t o f d r a i n a g e ma i n s a f t e r i mp r o v i n g h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y 表 1原封孔工艺、新封孔工艺抽放干管参数汇总表 T a b l e 1 P a r a me t e r s u mma r y l i s t o f o r i g i n a l h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y a n d n e w h o l e s e a l i n g d r a i n a g e 刘磊高应力突出松软煤层封孔技术研究与应用 2 0 1 7年第 4期 3 ． 5反压注浆法 3 ． 5 ． 1 反 压 注浆 法原 理 向钻孔中送入封孑 L 管时，注浆管前端为敞口状 态，煤粉进入注浆管造成堵塞，或是操作不当，聚 氨酯距注浆管太近，造成注浆管堵塞。为解决以上 问题，依据以前封孔经验和现场封孔试验 ，总结出 了反压注浆法。原理如图5 所示。 图5 反压注浆法原理示意 F i g ． 5 T h e p r i n c i p l e o f pr e s s u r e g r o u t i n g me t h o d 1 将注浆泵与抽放管进行连接，从抽放管 中压入浆液 ，由内向外反压注浆 ，浆液从抽放管 花眼中反流到钻孑 L 内壁与抽放管外壁之间的封堵 段 图中黑色部分 2 注浆泵压力达到 1 ． 5 M P a ，停止注浆 ，将 注浆管从抽放管中拔出，钻孑 L 内多余浆液和抽放管 中的浆液会自动流出。 3 在抽放管中的浆液排净前 ，严禁将抽放 管进行捆扎或封堵 ，以免浆液堵塞抽放管，无法 抽放。 抽取 3 个反压注浆钻孔，并且在这 3 个钻孑 L 附 近抽取 3 个正压钻孔，测定了单孔的流量 煤气 表 、浓度、负压，进行对比分析。 从以上数据可以看出使用反压注浆法封堵 的钻孔，和使用正压注浆法封堵的钻孔浓度数据、 流量数据基本是一致 ，封堵的钻孔也无出现堵孑 L 现象 。 3 ． 5 ． 2反 压 注浆 法应 用 反压注浆法在抽采瓦斯浓度低、已产生 C O的 钻孔中进行了应用。反压注浆钻孔 1 9 个，反压注 浆前钻孔平均浓度 5 ． 1 ％，反压注浆后钻孔平均浓 度 5 8 ． 9％。 表 2 反压注浆与正压注浆对比 T a b l e2 C o n t r a s t o f p r e s s u r e g r o u t i n ga n dp o s i t i v ep r e s s u r eg r o u ti n g 表 3反压注浆前后钻孔瓦斯浓度对比 T a b l e 3 Dr i l l i n g g as d e n s i t y c o n trast b e f o r ean d a f t e rh i s hp res s u r e g r o u ti n g 续表 4 结 语 通过对高应力突出松软煤层封孔技术的研究 ， 确定了被治理巷道的卸压影响范围和顺层钻孔受高 应力影响区域，优化了高应力松软煤层封孔工艺， 提出了 “ 反压”注浆法，减少了钻孔的注浆量，降 低了劳动强度，提高了封孔质量和封孔效率，实现 了单孔初始浓度 8 O％以上 ，干管浓度 3 0％以上 的技术指标 ，为区域瓦斯治理效果提供了有力的 支撑。 5 5