本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究.pdf

第3 9 卷第1 0 期 2 0 1 1 年 1 0月 煤 炭 科 学 技 术 C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo I ． 39 Oc t ． No ．1 0 2 0l 1 本煤层 瓦斯抽 采钻 孔带压封孔技 术研 究 黄鑫业，蒋承林 中国矿业大学 安全工程学院 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要针对平煤集团十矿本煤层瓦斯抽采浓度偏低、钻孔有效抽放周期短的技术难题，在分析煤 体特征的基础上，结合现有注浆52艺技术，提 出了带压封孔 的技术方法。 阐述 了带压封孔 的基本原 理，通过理论分析，确定了带压封孔工艺技术参数，3 个月的工业性试验结果表明应用带压封孔 技术可提高本煤层瓦斯抽放浓度 3 0 ％ ～ 5 5 ％ ，并可延长抽采钻孔 的有效抽采时间4 0 d左右。 关键词本煤层；瓦斯抽放；抽放孔；带压封孔；水泥浆 中图分类号 T D 7 1 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 1 0 0 0 4 5 04 St ud y o n Bo r e ho l e Pr e s s ur i z e d S e a l i ng Te c h no l o g y f o r Ga s Dr a i na g e Bo r e ho l e i n M i n i ng S e a m HU ANG Xi n y e ，J I ANG C h e n g l i n S c h o o l o fS a f e t y E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h in a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e t e c h n i c a l p r o b l e ms o f t h e l o w g a s c o n t e n t i n t h e g a s d r a i n a g e a n d t h e b o r e h o l e s h o r t e f f e c t i v e d r a i n a g e p e rio d i n t h e mi n i ng s ea m o f No ．1 0 Mi ne i n Pi n g d i n g s ha n Co a l Mi n i n g Gr o up，ba s e d o n t he a n a l ys i s o n t h e c o al f e a t u r e s，i n c o mbi n a t i o n wi t h t h e a v a i l a b l e g r o u t i n g t e c h n o l o g y，a t e c h n i c a l me t h o d o f t h e b o r e h o l e p r e s s u riz e d s e ali n g W as p r o v i d e d ．T h e p a p e r s t a t e d t h e b asi c p rin c i p l e o f t h e b o r e h o l e pr e s s uriz e d s e a l i ng ． W i t h t h e t h e o r e t i c a l a na l y s i s，t h e t e c h ni c al p a r a me t e r s o f t he bo r e ho l e p r e s s u riz e d s e a l i n g t e c hn o l o gy w e r e s e t u p ．T h e t h r e e mo n t h i n d u s t r i al t ri a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f t h e b o r e h o l e p r e s s u ri z e d s e a l i n g t e c h n o l o gy c o u l d i m p r o v e t h e g a s d r a i n a g e c o n t e n t f r o m t h e mi n i n g s e a m b y 3 0 ％ 5 5 ％a n d c o u l d e x p a n d t h e e ff e c t i v e d r a i n a g e t i me o f t h e g as d r a i n a g e b o r e - h o l e a b o u t 4 0 d a y s ． Ke y wo r d s mi n i n g s e a m；g a s d r a i n ag e ；d r a i n a g e b o r e h o l e；b o r e h o l e p r e s s u r i z e d s e a l i n g ；c e me n t gro u t 瓦斯抽采效果不仅取决于煤层瓦斯生成及赋存 条件 ，而且决定于瓦斯抽采工程质量。我国目前大 多矿井瓦斯抽采量不达标 ，究其原因除 了煤层瓦斯 基础工作做得不够 、抽放瓦斯方法选择不当外 ，瓦 斯抽采钻孔封孔效果满足不了工程要求也是一个重 要原因 J ，因此封孔效果是煤层瓦斯抽采的关 键 。 目前钻 孔封 孔工 程存在 以下不足 本煤 层 瓦斯 抽采封孔质量难以满足钻孔密封检验要求 ；抽采负 压偏低 ；瓦斯浓度偏小等。当前国内外采用的封孔 技术主要有机械注水泥砂浆封孔 、发泡聚合材料封 孔 、封孔器封孔等 J 。其中，水 泥砂浆封孔主要 适用于倾斜钻孔 ，对于近水平或缓倾斜煤层则不适 用 ；发泡聚合材料封孔具有聚合材料发泡倍数高 、 质量轻 、封孔迅速 的优点 ，但其封孑 L 材料成本高 ， 操作要求高；快速封孔器封孔速度快，可重复使用 降低成本 ，但效果较差 ，只适用于临时抽放封孔。 总体 来 说 ，现有 的瓦斯 抽 放 方法 只 局 限 于如何 “ 堵”钻孔 ，而未涉及到如何封堵和处理煤层裂隙 和瓦斯泄露通道，而这些煤层裂隙和瓦斯泄漏通道 随着瓦斯的抽出会发育扩张 ，从而导致抽放后期瓦 斯潜能得 以释放 ，致 使煤体发生变形 、位移和泄 压 ，在抽放负压 的作 用下空气很容 易通过这些裂 孔 隙进入孔 内，从 而导致瓦斯抽放浓 度下降 ， 且缩短 了瓦斯钻孔 的抽放周期 。针对该技术难题 ， 提出了带压封孔技术方法 ，确定 了相关 的工 艺参 数 ，并在平煤集团十矿得到了应用。 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 3 责任编辑 代艳玲 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 4 3 作者简介 黄鑫业 1 9 8 7 一，男 ，河南 叶县 人 ，硕 士 研 究生 ，研究 方 向 为矿 井瓦 斯 防 治。T e l 1 3 6 4 1 5 3 6 2 1 3 ，Em a i l x i n y e h u a n g 1 2 3 1 6 3． 8 o l n 45 2 0 1 1 年 第1 O 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 1 带压封孔基本原理 本煤层瓦斯抽采带压封孔技术 ，是基于采煤工 作面煤壁内存在的应力扰动沟通裂隙，利用带压注 浆方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密 封微孔裂隙的目的。该技术利用注浆设备，以一定 压力将浆液材料压注到瓦斯抽采钻孔封孔段空间及 周围孔壁煤体扰动裂隙内部 ，浆液在注浆压力作用 下 ，可以劈裂、扩展孔壁内煤体裂隙，充填孔隙和 煤体凹凸面 j ，增大浆液扩散 范 围；并在 大渗透 压力梯度作用下渗入煤体微裂隙内，并产生凝聚 力，待浆液固化后，形成树枝状分布，并与煤体颗 粒固体粘结在一起 ，以便彻底密封瓦斯泄漏通道。 具体工艺为封孔前利用压风吹净孔内钻屑 ，然后 将抗压无裂缝 瓦斯 抽采 管放人 抽采钻孔 内一定深 度 ，利用聚氨酯快速构筑抽采 钻孔封孔段注浆空 间。待聚氨酯完全 固化后 ，再通过孔 口端预留注浆 管利用压力可调双液风动注浆泵向封孔段密闭空问 注入水泥浆 ，要求达 到一定 的注浆压力。注浆完 毕 ，待水泥凝固后 ，利用压风或注浆泵压注清水 ， 检验抽采钻孔封孔效果 。检验合格则并网进行瓦斯 抽采。由于聚氨酯完全发泡后具有一定 的承压 能 力，从而利用聚氨酯的快速反应 、承压性能为抽采 钻孔制造一个闭合的封孔段空间，使得带压封孔成 为可能 。聚氨酯一 水泥浆封孔如图 1所示。带压封 孔工艺流程吹净抽放孔内钻屑一利用两段聚氨酯 构筑封孔注浆空间一对封孔段注浆空间进行带压注 浆 封孔效果检验 ，并网进行瓦斯抽放。 1 一瓦斯抽采花管； 2 ～聚氨酯段； 3 一水泥浆段； 4 一抽采管 控制 阀；5 一 注浆管 高压球阀 ；6 一 瓦斯气室 图1 聚氨酯一 水泥浆封孔示意 2 封孔工艺参数确定 钻孔封孔段必须满足注水承压试验 ，在注浆压 力下 ，封孔段周围不会出现漏水，并且在联网抽采 时实现较高的抽采负压。实现带压封孑 L 技术前须确 定封孔带压主要参数封孔长度、封孔半径和注浆 压力。 4 6 1 封孔长度。为了避免巷道扰动裂隙卸压对 抽采钻孔封孔段的影响 ，提高本煤层瓦斯抽采钻孔 密封效果 ，在设计瓦斯抽采钻孔封孔段长度时主要 考虑巷道扰动裂隙影响范围。为确定煤层 瓦斯抽采 钻孔封孔段长度，用 F L U E N T软件对工作 面前方煤 体 中的瓦斯压力分布进行了计算。首先按瓦斯压力 流动场的类 型列 出微分方程式 ；再转换成差分方 程，按隐式六点式编写程序求解；最后将解算的结 果用相似理论整理 出一般规律，可信度 区间为 9 5 ％时，工作面煤体内瓦斯抽采钻孔合理封孔长度 L 可用式 1 计算 L 。 2 ． 6 3 b ‘ 舵 1 F 。 4 A P g ∥ 0 式中b 为工作面煤巷宽度 ，m； F o为时问准数 ； A为煤层透气性 系数 ， m ／ M P a d ； P o为原始 瓦斯压力 绝对压力 ， M P a ； t 为工作面暴露时间， d ；a为煤层瓦斯含量 系数 ，m ／ I n 。MP a 。 同样利用 F L U E N T计算机计算巷道两帮的瓦斯 压力分布状况，从而导出要求置信区间为9 5 ％的 巷道两帮煤层瓦斯抽采钻孔封孔长度 ，其计算 式为 L 2 4 ． 2 5 A ‘ t ／ a 2 通过计算，比较两参量的计算结果，以数据大 者为封孔长度。因此，现场操作确定具体封孔长度 时，只要收集各地质参数，利用式 1 和式 2 进行计算，即可求出煤层瓦斯抽采钻孔的合理理论 封孔长度 。 2 封孔半径。注浆扩散半径影响注浆加固范 围内煤体的密实性，在给定注浆孔布置条件下，注 浆扩散半径越大，各注浆孔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 ，注浆效 果越好 。封孔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言。孔径 的确定需依据抽采管管径、钻孔大小 ，并且应满足 从内到外的原则 。即 r 1 r n 1 0 ， 1 0 r 2 式中r 为抽采孔终孔孔径，m m；r 分别为抽 采管内外径 ，m m；r 为开孔孔径 ，mm。 根据经验，瓦斯抽采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间的卸压裂隙延伸， 黄鑫业等本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究 2 0 l 1 年第 1 0期 故可确定钻孔扰动裂隙影响范围较计算值大，从而 使得打钻活动造成 的扰动裂隙影响范围均包含在封 孔半径影 响范围内。 3 注浆压力。注浆压力 即为带压封孔时实现 有效封孑 L 半径的注浆理论压力。目前岩体结构理论 中适用于煤层注浆的理论模型并不多。中国水利水 电科学研究院研制了平板型注浆试验台，通过试验 建立了牛顿流体在水平光滑裂 隙面内的扩散方程 ， 得出了扩散半径 与注浆压力 P 、浆液黏度 及 注浆时间 T 一般为 1 5 rai n左右之间的关系 R ． 0 9 3 P GP o T 6 r o 3 式中P n 为裂隙内地下水压力 ，P a ； 为裂 隙或孔 隙的宽度 ，c m；r 。为钻孔半径 ，c m，由于煤孔 的 孔径不均匀性 ，这里 r n m r ／ 2 ，m为钻孔不均匀系 数 ，一般取 1 ． 2 ；r 为钻孔理论孑 L 径 。 为了保证注浆效果 ，课题组既采用了上述理论 模型 ，也采用了一些现场煤层注浆技术经验。即将 式 3 移项变形得 P G R一 ’ ／ o ． 0 9 3 T 8 r 00 ’ 一P o 4 为验证所得注浆 压力 的准确性 ，利用式 4 得到的注浆压力带人式 5 进行检验。 R2 8 3 ． 8 2 。 no 2 3 ／ x - o ． ∞T o 5 其中， 为煤的粒度模数。若式 5 得出浆 液扩散半径大于式 4 得出的注浆半径 ，则可证 明该注浆半径满足理论要求 。根据 目前现场注浆的 经验 ，一般为了使注浆效果达到最佳 ，须在理论计 算的基础上再加压，以便浆液能更好地压入煤体裂 隙中。实际注浆压力 P 按式 6 计算。 P T P G 6 其 中，Y为冗余 系数 ，取 1 ． 2 。现场应 用时 ， 首先利用式 4 和式 5 进行压力检验 ，最终 注浆压力选用式 6 计算的结果 。 3应用实例 3 ． 1 试验工作面 平顶山煤业集团十矿位于河南省平顶山市东北 部 ，平顶山煤 田东部。2 0 0 8年该矿绝对涌 出量为 1 3 0 ． 2 m ／ mi n ，相对 涌 出量为 3 3 ． 8 n l 。 ／ t 。试 验地 点选在戊， - 2 0 1 8 0工作面 ，标高一 5 1 O 一一 5 7 0 I l l ，垂 深 7 0 01 0 0 0 I n ，煤层厚度 1 ． 1～1 ． 6 m，煤 层倾 角 1 01 4 。 ，有效走 向长度 9 1 5 m，采长2 0 0 n l ，煤 炭储量 3 2 ． 5万 t 。实测戊。 一 2 0 1 8 0工作面瓦斯含量 1 5 m ／ t ，戊组煤煤层透气性 系数 为 0 ． 0 0 5～0 ． 0 8 0 i n ／ MP a d 。 3 ． 2 现场封孔参数的确定 考虑到钻孔卸压裂隙的相互影响 ，因此在确定 抽采钻孔参数时，其钻孔间距不能小于 2倍的卸压 影响半径。若 钻孑 L 孔径 为 1 2 0 mm，按最大钻孔裂 隙可能影 响半径计 算 ，即两孔 问距不能 短 于 1 ． 2 m。现场试验 时 ，采用 的钻孔平均孔 间距 为 5 m， 远超 出了两钻孔相互影 响范围。 1 封孔长度 。利用式 1 计算得戊。 一 2 0 1 8 0 工作面理论封孔长度 L 9 。 6 9 m；利用式 2 进 行验证得 L ， 1 3 ． 9 8 m。考虑到一定巷道扰动裂隙 影响冗余度 的需要 ，因此确定封 孔长 度为 1 5 m。 根据矿井煤层瓦斯地质赋存 、煤层透气性系数及煤 体地质情况 ，在煤层瓦斯抽采工作面煤壁打瓦斯抽 采钻孔 ，封孔段长度为 1 5 IT I 是足够的。 2 封孔半径 。根 据十矿戊。 一 2 0 1 8 0工作 面回 风巷瓦斯抽采计划 ，该 回风巷所打抽采钻孔均为百 米瓦斯抽采钻孔 ，该种钻孔直接成孔理论孑 L 径约为 1 2 0 mm，考虑抽采钻孔搁置造成 的卸压裂隙深部 延伸影响 ，故按最大扰 动破坏范围考虑取 1 0倍孔 径 ，即确定该种钻孔最大封孔半径为 0 ． 6 m。 3 封孔注浆压力 。为了彻底封堵瓦斯泄漏裂 隙通道 ，因此确定选用 4 2 5号普通硅酸盐水泥，并 采用水灰质量比 2 1调制水泥浆。 首先确定参 数 裂 隙水压 力为 0，裂 隙宽度 0 ． 0 4 c m，浆液 黏 度 1 3 ． 5 mP as ，钻孔 半径 7 2 I T l m，封 孔 半 径 6 0 a m，煤 的 粒 度 模 数 1 ． 2 8～ 2 0 ． 4 4 ，注浆时问为 1 5 ra i n ， 4 2 5号水泥可注入裂 隙宽度一般取值为 0 ． 0 4 a m。 根据上述基本参数 ，利用式 4 进行计算得 出 P G 0 ． 4 3 MP a ；利用式 5 进行检验得 出浆液 扩散半径 R为 9 3 ． 4～1 7 6 ． 6 c m，远大 于借助经验 确定的最大注浆封孔半径 6 0 t i l l 。因此 ，可以认定 该注浆注浆压力满足要求 。最终根据式 6 ，确 定注浆压力为 0 ． 5 2 M P a 。 3 ． 3试验效果及分析 以前平煤十矿采用水泥浆 套袋封孔工艺 ，封 孔长度为 6～1 0 n l ，封 孔后初 始瓦斯体 积分数在 3 0 ％ 一 9 0 ％ ，经过 2 O～ 4 0 d的抽放 ，体积分数 降 到 3 ％ 一 9 ％，钻孔的有效抽 放期偏短 。此次在平 煤十矿进行带压封孔试验期问钻孔施工参数基本一 4 7 2 0 1 1 年 第1 O 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 致 ，封孔差异主要在封孑 L 工艺不同。孔 口抽放负压 为 l O一1 6 k P a ，经过 2个月的现场观测 ，选取 1号 十矿传统封孔工艺 、2号 、3号 、4号 、5号、6 号钻孔测试 2号6号钻孑 L 带压分别为 0 、0 ． 2 0 、 0 ． 2 7 、0 ． 3 4 、0 ． 4 0 M P a ，各时间段钻孔瓦斯抽采 浓度对比如图 2所示。 1 0 0 量 8 0 赛 6 0 4 O 摄2 O 0 1 O 2 O 3 0 4 0 5 O 6 O 7 0 时间／ d 图2 l 号孔瓦斯抽采浓度对比曲线 1 号孔采用传统封孔工艺，封孔长度较短，水 泥浆非带压封孔。瓦斯浓度从封孔之后就开始迅速 衰减 ，说明在钻孔抽放负压作用下钻孔周边 的裂隙 逐渐发育 ，外界空气通过裂隙进入钻孔导致抽放浓 度下降。 2号孔 由于带压注浆时压力过大导致浆液冲开 聚氨酯 ，可 以认为带压为 0 ，此封孑 L 实际上为水泥 浆 聚氨酯封孔，相对 1 号子 L 抽放浓度有一定的提 高， 但是随着抽放时间的增加和抽放负压的作用， 抽放浓度在 1 8 d以后迅速衰减。 3 号6号孔孔壁煤体裂隙封堵较未实现带压 封孔的 2号抽采孔效果显著。其中 1号孔平均瓦斯 抽采浓度只有6 号孔平均浓度的2 1 ． 3 ％左右，2 号 孔平 均 瓦斯 抽 采 浓 度 只 有 6号 孔 平 均 浓 度 的 4 7 ． 6 ％左右，说明应用带压封孔方法可提高瓦斯抽 放浓度 3 0 ％ 一 5 5 ％ ，延长了抽放时问 4 0 d 左右。 3号_ _ 6号孔平均瓦斯抽采浓度与所实现带压 封孔的压力之间的关系，如图 3所示。试验设计 的 理论最大注浆压力 0 ． 5 2 M P a 。从 图 3中拟合 曲线 可以看出在未达到设计理论注浆压力时，呈现的封 、 、 接 援 注浆带压／ MP a 图3 封孔压力与平均抽采瓦斯浓度的关系 孔注浆压力与平均瓦斯抽采浓度之间呈二次多项式 关系。这说 明，孔壁周 围煤体内扰动裂隙分布也是 呈近似二次多项式关系，即距离钻孔中轴线越远的 煤体 内扰动裂隙发育程度越低 ，越是靠近 中轴线 ， 煤体裂隙越是发育。说明利用带压封孔可以实现改 善瓦斯抽采钻孔周围孔壁内裂隙环境的 目的；也说 明了在一定注浆压力范 围内，随着封孔压力 的增 加，本煤层瓦斯抽采孔封孔效果将逐步得到提高。 4 结 论 介绍了本煤层瓦斯抽采带压封孔技术原理和工 艺，即利用带压注浆封孔来实现封堵孔壁内深部煤 体瓦斯裂隙。该技术基于工作面煤巷集中应力扰动 裂隙的客观存在，利用带压注浆实现封堵瓦斯泄漏 微孔、裂隙通道 ，浆液凝固后生成对煤体具有较高 黏结性的有机塑性体，改善孔壁煤体裂隙环境，提 高煤体完整、均一性 ，从而达到提高瓦斯抽放效果 的 目的。现场试验结果表明 ，在相同钻孔参数及封 孔参数条件下，实现带压封孔的本煤层钻孔瓦斯抽 采效果 比未实 现带压封孔效果提高 瓦斯抽放浓度 3 0 ％ ～ 5 5 ％，延长抽放时 间 4 0 d左右，钻孔 的利 用率和瓦斯抽放效果显著提高 ，在我国的本煤层钻 孔瓦斯抽放中具有重要的推广应用前景。 参 考文献 [ 1 ]L i S h u - g a n g ，Q i an M i n g - g a o ，X u J i a - l i n ．S i m u l t a n e o u s E x - t r a c t i o n o f C o a l and C o a l - b e d M e t h a n e i n C h in a[ J ] ．M i n i I 1 g S c i e n c e and T e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，1 O 4 3 5 7 - 3 6 0 ． [ 2 ] 王兆丰，刘军 ．我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探 讨 [ J ] ．煤矿安全 ，2 0 0 5，3 6 3 2 5 2 7 ． [ 3 ] 朱诗山，煤矿瓦斯抽放技术 [ J ] ．煤炭技术，2 0 0 9 ，2 8 6 1 0 2 - 1 0 3 ． [ 4 ]D o n al d ， L K a t z ．H and b o o k o f N a t u r a l G a s E n g i n e e r i n g[ M] ． Ne w Yo r k Mc g r a w-Hi l l Bo o k Co mp a n y，1 9 5 94 1 4 3 ． [ 5 ] 张铁岗 ．矿井瓦斯综 合治理技术 [ M] ．北 京煤 炭工业出 版社 ，2 0 0 1 ． [ 6] J I AN G C h e n g - l i n ，L I X i a o - w c i ，T A N G J u n ．F a s t D e t e r mi n a - t i o n o f Ga s Pr e s s u r e B e f o r e C o a l Un c o v e r i n g i n Cr o s s-c u t a n d s h [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆T e c h n o l o gy， 2 0 0 8，1 8 4 6 9 ． [ 7 ] 陶云奇 ．中岭煤矿采煤工作面瓦斯抽放技术研究 [ D] ． 贵 阳贵州大学 ，2 0 0 66 2 ． [ 8 ] 马丕梁，屠锡根．煤层瓦斯抽放参数计算 [ J ] ． 煤矿安全， 2 0 0 3，3 4 9 7 5 7 7 ． [ 9] 王俊光 ．裂 隙岩体渗 流模 型及数 值模拟研究 [ D] ．阜新 辽宁工程技术大学 ，2 0 0 4 ．