“三堵两注”本煤层瓦斯抽采封孔技术研究.pdf

书书书 第 1 期山西 焦 煤 科 技No．1 2019 年 1 月Shanxi Coking Coal Science ＆ Technology Jan．2019 试 验研究 收稿日期2018－12－08 作者简介 王军燕 1978 ， 男， 河北刑台人， 2013 年毕业于太原理工大学， 工程师， 主要从事矿井通风及瓦斯治理工作 E- mail 2690296718 qq．com “ 三 堵两注” 本煤层瓦斯抽采封孔技术研究 王军燕 阳泉煤业集团 新景公司， 山西 阳泉045000 摘要针对新景矿 3216 工作面本煤层瓦斯抽采效果较差的问题， 提出了“三堵两注” 本煤层 瓦斯抽采封孔技术。该技术分为密封和封堵裂隙两个步骤， 对此技术进行了地面和井下试验。结果 表明， 注浆处全部充满浆液无空隙， 密封效果良好 。“三堵两注” 封孔技术的瓦斯抽采效果相较于传 统封孔技术有较大提升， 抽采瓦斯浓度平均为 58．71， 是对照孔的 1．43 倍; 抽采瓦斯浓度达 50以 上的比例是 80， 是对照孔的 2．67 倍。 关键词本煤层瓦斯抽采; 三堵两注; 钻孔密封 中图分类号 TD712．6文献标识码 B 文章编号 1672－0652 2019 01－0004－04 国内井下抽采瓦斯的封孔技术主要包括 聚氨酯 封孔法 、 “两堵一注” 封孔法和囊袋式注浆封孔法。 将聚氨酯作为封孔材料进行封孔， 由于聚氨酯膨胀速 度快、 承载能力较差， 造成了聚氨酯凝固后未处于封 孔位置， 不能抵抗钻孔的变形等问题 ［1－3 ］． “两堵一 注” 封孔法即两端采用聚氨酯封孔， 待聚氨酯凝固之 后， 在中间段注浆封孔， 但由于聚氨酯膨胀速率过快， 当钻孔较深时， 聚氨酯难以充满钻孔 ［4－6 ］． 双囊袋式 注浆封孔法通过在两个囊袋内和两个囊袋间注入浆 液来达到封孔的目的， 但在煤质较软的煤层中封孔效 果较差［7－8 ］． 新景矿 3煤层瓦斯含量高， 被鉴定为突出煤层。 采用传统的“两堵一注” 封孔方式封孔后， 随着抽采 时间的延长， 抽采浓度下降较为明显， 封孔长期稳定 性较差。因此， 在3216 工作面辅助进风巷开展 “三堵 两注” 本煤层瓦斯抽采孔密封及泄漏封堵技术研究， 改变过去单纯封孔的理念， 以实现高浓度和高效率 抽采。 1工程背景 新景矿 3216 工作面位于芦南二区北翼中部， 东 为 3214 工作面 已采 ， 南为 3215 工作面 正掘 ， 西 为 3218 工作面 正掘 ， 北为 3煤保安区 3115 工作 面 未掘 。南北走向长 1 390 m， 工作面长度 204 m， 所采 3煤厚度 2. 17～2. 45 m， 平均煤厚 2. 27 m， 煤层 倾角 3～9， 结构简单。布置在本煤层的钻孔漏气情 况较多， 影响抽采负压， 并且出现“低浓度、 低效率、 低负压” 的 “三低” 现象。 2“三堵两注” 封孔工艺 “三堵两注” 封孔分“密封” 和“封堵裂隙” 两个 阶段对本煤层预抽钻孔实施封孔。封孔装置示意图 见图 1． 第一阶段 密封。注浆泵加压注浆， 单向阀依次 打开并在第一囊袋、 第二囊袋和第三囊袋内注浆。囊 袋注满后， 压力达到 1. 2 MPa 左右爆破阀打开， 开始 向第二囊袋和第三囊袋之间注浆。此时两个囊袋之 间存在空气， 有时也会有水， 通过封孔管上的滤水滤 气装置排出， 当注浆压力达到 1. 5 MPa 左右时， 停止 注浆。 第二阶段 封堵裂隙。由于封孔材料抗压强度明 显强于煤体强度， 受矿压、 采动等因素的影响， 钻孔附 近煤体可能破碎形成漏气裂隙。在抽采过程中如发 现抽采孔瓦斯浓度明显下降， 通过封堵口采用压力为 图 1封孔装置示意图 5. 0～8. 0 MPa 的高压将黏液注入第一囊袋和第二囊 袋之间， 在钻孔周围的漏气裂隙内形成裂隙充填物， 达到封堵钻孔裂隙的目的， 提高瓦斯抽采浓度。 3“三堵两注” 封孔技术地面试验 为了测试封孔设备和封孔材料的各项参数， 以及 在注浆过程中各个节点的压力指示， 为井下现场试验 提供可靠依据， 提前在地面进行了模拟封孔实验。 3. 1封孔材料组成 封孔材料的成分主要有 水泥、 硫铝酸盐、 石灰 石、 碳酸钠。封孔材料的性质见表 1． 表 1封孔材料性质表 初凝 /h 凝固 /h 终凝 /h 膨胀倍 率/ 抗压强 度/MPa 抗拉强 度/MPa 黏合力 /MPa 1～23～4 h 达到 801810≥25≥30＞5 封堵裂隙所用黏液的主要成分为 纤维素、 石膏 粉、 膨胀剂， 所有材料均为不燃物。 3. 2试验过程 1实验材料准备。 1 台单液注浆泵、 1 台空压机、 1 根铁管 长 6 m， 内径 100 mm 、 2 根封孔管 每根 3 m， d63 mm 、 2 袋 封孔材料 每袋 25 kg 、 3 个囊袋 长 75 cm 、 滤水、 1 个滤气布袋 长 0. 75 m 、 2 根注浆管 d 16 mm， 长 3 m 、 相关配件。 2试验前设备试运行。 用空压机 代替井下高压风管 与注浆泵进气阀 连接好， 试验注浆泵运行良好。 3将封孔管下入铁管。 确定囊袋距离后先用手持钻在第二囊袋与第三 囊袋之间的封孔管上打孔穿透上、 下管壁， 孔间距 5 cm， 打孔 13 组， 套入过滤布袋并将布袋两头用胶带 固定在封孔管上， 确保过滤布袋覆盖所有孔; 然后将 封孔管穿入囊袋并用胶带固定囊袋的前后两侧， 使囊 袋与封孔管之间形成一个整体， 最后将封孔管整体穿 入铁管中。 4注浆。 将注浆管连接好， 按比例 水和封孔材料比为 1 ∶ 1 在搅拌桶中加水及封孔材料各 25 kg， 搅拌均匀 后开始注浆。开始注浆压力为 0. 2 MPa 左右 偶尔 在 0. 4～0. 5 MPa 波动 ， 注浆过程中， 铁管中逐渐有 水流出， 囊袋撑起后， 铁管内不再流水。继续注浆， 发 现封孔管内有少量清水流出， 约 15 s 后管内不再流 水; 待注浆压力最大达到 0. 8 MPa 时卸压阀爆破， 注 浆压力快速下降至 0. 2 MPa 附近， 继续注浆发现封 孔管内流出少量清水， 随后又有浆液流出， 继续注浆 至压力 0. 4 MPa 时停止注浆。 5第二次注浆。 由于第一次注浆压力偏小， 可能会影响注浆效果， 以水 25 kg 和封孔材料 30 kg 配制浆液， 提高浆液浓度 后继续注浆， 注浆时封孔管内液体迅速流出， 浆液颜 色逐渐变深， 注浆压力达到 0. 6 MPa 左右停止注浆。 6判断注浆效果。 敲打整个铁管， 通过声音可以初步判断基本注浆 段已经注满， 注浆结束。 3. 3试验结果 试验总计注浆 60 kg， 第一次注浆水料配比为 1 ∶ 1， 第二次水料配比为 5 ∶6， 注浆时长 20 min． 封孔材 料凝固较好， 注浆两天后切开观察， 3 个囊袋和注浆 段全部注满浆液无空隙， 密封效果良好。 切开后， 囊袋截面及注浆段截面见图 2， 图 3． 4“三堵两注” 封孔技术井下试验 从地面试验得到封孔设备和封孔材料的各项参 数后， 为检测“三堵两注” 封孔技术在井下的实际运 用效果， 进行了井下试验。 4. 1试验方案 在 3216 辅助进风巷选取 513532 总 计 20 个 本煤层预抽钻孔进行封孔试验， 钻孔深度 120 m， 钻孔间距均为 1. 5 m． 每 10 个钻孔为一组， 共计 2 组。全部采用“三堵两注” 封孔工艺进行封孔， 钻孔 52019 年第 1 期王军燕 试验研究“三堵两注” 本煤层瓦斯抽采封孔技术研究 图 2第一囊袋截面图 图 3注浆段截面图 封孔深度均为9～19 m， 抽采负压要求达到13 kPa， 对 照孔采用常规封孔材料， 通过两堵一注的方式进行封 孔。根据抽采浓度分析对比两种封孔工艺的抽采 效果。 4. 2试验结果 记录试验过程中钻孔的浓度变化， 见图 4． 对试验孔抽采浓度进行整理， 并选取 10 个普通 封孔作为对照孔， 与试验孔的抽采浓度进行对照， 抽 采情况对照表见表 2． 由表 2 分析可知， 对照孔单孔浓度为 15. 56 ～ 77. 8， 平均浓 度 为 41. 2; 试 验 孔 单 孔 浓 度 为 31. 3～77. 19， 平均浓度为 58. 71， 是对照孔的 1. 43 倍。对照孔单孔浓度在 30以上的占比 70， 单孔浓度在 50以上的占比 30; 试验孔单孔浓度 在 30以上的占比 100， 单孔浓度在 50以上的占 比 80， 分别是对照孔的 1. 43 倍和 2. 67 倍。 5结论 通过地面试验及井下试验， 对“三堵两注” 本煤 层瓦斯抽采孔密封及漏气封堵技术进行了研究， 可得 到如下结论 1封孔工艺分为密封和封堵裂隙两个步骤。密 封是向 3 个囊袋内以及第二囊袋和第三囊袋之间注 图 4试验钻孔浓度变化图 浆， 主要作用是让浆液凝固后封堵钻孔。封堵裂隙是 向第一囊袋和第二囊袋间注入黏液， 达到封堵裂隙的 目的。 2在地面试验中， 封孔器总计注浆 60 kg， 第一 次注浆水料配比为 1∶1， 第二次水料配比为 5∶6， 注浆 6山西 焦 煤 科 技2019 年第 1 期 表 2试验孔与对照孔抽采情况对照表 总孔数/个单孔浓度/平均浓度/ 浓度 30以上浓度 50以上 孔数/个占比/孔数/个占比/ 对照孔1015. 56～77. 841. 2770330 试验孔2031. 3～77. 1958. 71201001680 倍数1. 43 倍1. 43 倍2. 67 倍 时长 20 min． 切开后注浆处全部充满浆液无孔隙， 密 封效果良好。 3 “三堵两注” 封孔技术相对于传统的封孔技术， 瓦斯抽采效果提升显著。采用“三堵两注” 封孔技术 的试验孔的平均抽采瓦斯浓度为 58. 71， 是对照孔的 1. 43 倍; 试验孔单孔抽采瓦斯浓度达 30以上的比例 是 100， 是对照孔的 1. 43 倍; 试验孔抽采瓦斯浓度达 50以上的比例是 80， 是对照孔的 2. 67 倍。 参考文献 ［ 1］张彦克， 陈学习， 杨庚宇， 等．顺煤层聚氨酯－胶囊带压注浆封孔测压技术［ J］ ．煤炭技术， 2016， 35 10 186－188． ［ 2］申茂良， 陈学习， 徐永， 等．胶囊－水泥浆－聚氨酯联合带压注浆封孔测压技术［ J］ ．煤炭技术， 2016， 35 08 204－206． ［ 3］陈学习， 张亮， 毕瑞卿， 等．聚氨酯胶囊二次注浆封孔测压技术［ J］ ．华北科技学院学报， 2016， 13 02 1－6． ［ 4］赵学军， 霍晓林， 邱国良．万峰煤矿抽采钻孔封孔方法对比试验研究［ J］ ．煤炭技术， 2018， 37 10 225－227． ［ 5］谭永福．抽采钻孔 “二堵一注” 带压封孔技术的研究与应用［ J］ ．煤矿安全， 2017， 48 06 135－137141． ［ 6］杨宏民， 杨峰峰， 陈向军．穿层钻孔 “两堵一注” 囊袋式快速封孔自动测压技术［ J］ ．煤矿安全， 2015， 46 05 78－80． ［ 7］王志明， 刘广超．囊袋式注浆封孔法钻孔支护作用分析［ J］ ．煤炭技术， 2015， 34 09 177－179． ［ 8］令狐建设， 王玉禄， 张淦星．新型囊袋式注浆封孔器在阳煤集团的研发与应用［ J］ ．煤炭技术， 2015， 34 05 152－153． Study on Technology of Borehole Sealing in Coal Seam Gas Drainage with Three Blocks and Two Injections WANG Junyan AbstractIn view of the poor efficiency of gas in－seam drainage in the 3216 working face of Xinjing coal mine， three blocks and two injections sealing technology is proposed． The technology includes two steps of sealing and bloc- king． and the technology is tested both on the surface and underground． The results show that the grouting is complete- ly filled without tiny rift and the sealing effect is good． The efficiency of gas drainage with three blocks and two injec- tions technology is greatly higher compared with the traditional one． The average gas concentration is 58．71，which is 1．43 times of the previous one，and more than 80 of the sealed boreholes created gas concentration of 50 or a- bove，2．67 times higher than that of the reference one． Key wordsCoal seam gas drainage;Three blocks and two injections;Borehole sealing 72019 年第 1 期王军燕 试验研究“三堵两注” 本煤层瓦斯抽采封孔技术研究