本煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术试验研究.pdf

2 0 1 3 年第5期 中州煤炭 总第 2 0 9 期 本 煤层瓦斯抽 采钻 孑 L 封孑 L 技术试验研 究 张晓 龙 河南理 工大学 能源科学与工程学院 ， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 本煤层瓦斯抽采钻孔 一直存在封孔效果差 的问题 ， 通 过对现有 封孔技术 的分 析， 指 出封孔深度 不足及 无 主动支 护力 是造 成 目前我国很多矿井本煤层瓦斯抽采 浓度偏低 的主要原 因。为此， 选择使 用囊袋 式注浆 封孔技 术在鹤 壁 中泰矿业进行本煤层瓦斯抽采试验。结果表 明， 该 技术能有效保 证封孔深度 ， 并 实现 了对钻 孔 的主动支护， 且封孔效果 良好 。 关键词 瓦斯抽采 ； 钻孔； 注浆 封孔 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 J 0 5 0 0 9 7 0 3 Re s e a r c h o n Dr i l l h o l e Se a l i ng Te c hn o l o g y o f Ga s Dr a i n a g e f o r Co a l S e a m Be i ng W o r ke d Zh a n g Xi a o l o ng S c h o o l o f En e my S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， He n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a l wa y s h a s b e e n a p r o b l e m o f p o o r e ffe c t o f h o l e s e a l i n g i n t h e c o a l s e a m g a s e x t r a c t i o n d r i l l h o l e p r o j e c t ． B y a n a l y s i n g t h e e x i s t i n g h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y， i t wa s p r o po s e d t ha t t h e s i t ua t i o n o f i n s u f f i c i e n t s e a l h o l e de pt h a nd n o a c t i v e s u pp o r t i ng f o r c e i s t h e ma i n r ea s o n o f l o w c o nc e n t r a t i o n i n t h e pr o ce s s o f c o a l s e a m g a s e x t r a c t i o n i n l o t s o f mi n e s o f o u r c o un t r y a t pr e s e n t t i me． Th e r e f o r e， c a ps u l e l i k e g r o u t i ng ho l e s e a l i ng t e c h no l o g y wa s c h o s e n t o ma k e t e s t o f g a s dr a i n a g e i n t h e c o a l s e a m be i ng wo r k e d i n He b i Zh o ng t a i Mi n i n g Co mp a n y． Th i s t e c hn o l o g y c a n e f f e c t i v e l y g u a r a nt e e t he s e a l h o l e d e p t h， c a n r e a l i z e t he a c t i v e s u p po r t i ng o f dr i l l h o l e， a n d h a s a g o o d h o l e s e a l i ng e f f e e t ． Ke ywo r ds g a s d r a i na g e； d r i l l h o l e； s e a l i n g ho l e s by g r o u t i n g 长期以来 ， 瓦斯灾害一直是制约煤矿安全及高 效 开 采 的重要 因素 。 防治煤 矿瓦 斯灾 害 的根本性 措 施 之 一便 是瓦 斯抽 采 ， 但 目前 我 国许 多矿 井 的瓦 斯 抽 采 量不 达标 ， 抽采 浓度 偏低 ， 更 无法 满足 瓦斯抽 采 利 用 的要求 。影 响瓦 斯 抽 采效 果 的 因素 有 很 多 ， 从 瓦斯 抽采技 术 环节 上来 划分 ， 主要 有打 钻施 工质 量 、 封孔质量 、 联管质量及抽采管路 日常管理水平等 ， 而 封 孔 质量 的好 坏对 瓦斯 抽采效 果起 着 至关 重要 的作 用 。 目前 ， 我 国煤 矿 瓦斯 抽 采 钻 孔 的 封 孔技 术 主 要 有 水 泥砂浆 封 孑 L 、 发 泡 聚合材 料封 孔 、 矿 用 封孔器 封 孔 等 。这 些封 孔方 法 均 存 在 不足 之 处 ， 如 水 泥 砂 浆 封 孔 主要适 用 于上 行 孔 ， 对 于 近 水平 或下 行 孔 则 不 太适用 ， 同时 ， 普通水泥短时间内不能硬化 固结 ， 凝 固后 易收缩 ， 产 生 裂 口， 密 封效 果 不 佳 ； 发 泡 聚 合 材 收稿 日期 2 0 1 30 3一 O 1 作者简介 张晓龙 1 9 8 9 一 ， 男 ， 河南 罗山人 ， 河南 理工大学 在读硕 士 ， 现从事瓦斯抽采研究 。 料 封孔 具有 质量 轻 、 封 孑 L 迅 速 的优点 ， 但 由于材料 反 应 较快 ， 常 常导 致封孔 深度 不达 标 ， 并 且发 泡 聚合 材 料 本 身的抗 压强 度很 低 ， 不 能对 钻孔形 成有 效支 护 ， 进而导致钻孔在地应力等因素作用下易发生收缩变 形 ， 甚至坍塌 ， 其结果是钻孔周 围松动范围加大、 裂 隙发育 。 1 本煤层 瓦斯抽采钻孔封孔理论分析 1 ． 1抽 采钻 孔漏 气分 析 理论上 ， 封孔不漏气的情况下钻孔瓦斯抽采浓 度 接 近 1 0 0 ％ 。但 实际情 况是 国 内多数 矿井 的瓦 斯 抽采 浓度 达不 到可 利用 要 求 ， 实 现抽 采 浓度 3 0 ％ 以上的矿井很少 ， 这不仅给瓦斯利用带来困难 ， 而且 影响抽采系统的安全性。 瓦斯抽采钻孔的漏气途径 主要有 2个 ①透过 巷道卸压带漏气 ； ②沿钻孔封孔段周围裂隙漏气。 1 ． 2封 孔原 贝 0 基 于对 钻孔漏 气途 径 的认 识 ， 为保 证封孑 L 质量 ， 9 7 ． 2 0 1 3 年第 5 期 中州煤炭 总第2 0 9期 本 煤层 瓦斯抽采 钻 孑 L 封孑 L 必 须 遵循 2个 原 则 ① 封 孔深度要超越巷道卸压带深度 ， 避免抽采钻孔透过 巷道卸压带漏气 ； ②在封孔段对钻孔实施主动支护， 阻止钻孔 进一 步变 形 ， 防止 钻孔 周 围裂 隙继 续 生 成 发育 ， 同时可压实钻孔周围煤体， 减小钻孑 L 周围漏气 通 道截 面积 。 本煤层 瓦斯抽 采钻 孑 L 封 孔 的最 佳位 置应处 在巷 道 的应力增 高 区 内 ， 应 力增 高 区的 渗透 率 及 渗 流 阻 力要 比其 他 区域 大 得 多 ， 在该 区域 进行 封 孔 效 果要 好很 多 ] 。{ 定应 力增 高带 的方 法 有 很 多 ， 如 钻 屑 量法、 数值模拟法 、 超声波法及瓦斯含量法等。在未 进行钻孔施工前， 煤体处在应力平衡状态 ， 在煤层中 施 工钻孔 后 ， 应 力平 衡状 态受 到破坏 ， 钻孔周 围煤 体 应力重新分布。钻孔周围煤体呈现塑性 区、 弹性 区 和原岩 应力 区 图 1 。随着 应 力 的 重新 分 布 ， 钻 孔 周 围煤 体 的渗透率 、 瓦斯 压力 等均发 生变 化 。图 1中 r n为钻孔 半 径 ， R 。为塑性 区范 围 ， 为 弹性 区 边 界 。在塑 性 区范 围内 ， 钻孔 周 围应 力逐 渐增加 ， 直 至最大应力值 ， 在弹性区内， 应力逐渐降低至原岩应 力 图 1 钻子 L 周 围应力分布示意 封孔 时 ， 如果 能对 钻孔施 加主 动支护 力 ， 钻孑 L 周 围煤 体 由两 向应 力状 态 转 入 三 向应 力 状 态 ， 应 力 随 支护 力增 大而增 大 ， 钻 孔周 围部分 裂隙能 够被 压实 ， 周围煤体渗透率随应力增大也随之降低 ； 同时， 在三 向应 力状 态下 ， 钻孔周 围煤体 强度 提高 ， 有利 于延缓 或防止裂隙的生成和发育。下面运用岩石力学相关 理论 对钻 孔无 支护 和有支 护时 的应力应 变状 态作 简 要 分析 ， 通过对 钻孔 周 围煤体 的弹塑性 分析 ， 获得 围 岩 应力 、 变形 和塑性 区半径 的弹塑性解 答 。 弹 塑性 支护理论 的基 本假设 ①应 力 、 位移是 连 续 的， 围岩变形满足变形协调方程 ； ②所求解的是平 面应变 问题 ； ③围岩是均质和各向同性的， 原岩应力 各向等压 ； ④围岩是理想弹塑性体 ， 体积不变， 塑性 条件为莫尔一库仑准则； ⑤ 围岩和支护体的变形是 协 调的 。无 支 护 和 有 支 护 时 钻 孔 周 围应 力 变化 如 图 2所示 。 9 R 图 2中 、 为 有 支 护 时 应 力 分 布 实 线 ； 。 ’ 、 ’ 为无 支护 时应力 分布 虚 线 ； R 、 R 分别 为 有支 护和 无支护 时 的塑 性 区半 径 。 0 盯 ⋯⋯ 一。 | R - 图 2 无支护和有支护时钻孔周 围的应力变化 2囊袋式注浆封孔技术 囊袋式注浆封孔技术 是河南理工大学“ 瓦斯 抽 采关键 技术 与装 备河 南 省 高校 创新 团 队” 经 过 多 年努力研制出的一项新型封孔技术。该技术在实现 钻孔 主动支护 的 同时 ， 也 可 向 钻孔 壁 注浆 以封 堵 周 围裂 隙 。封孔 步骤 ①先将 封孔 器插 入钻孔 ， 置于合 理封孔位置 ， 再 向 P V C管 内插人注浆管 ； ②准备注 浆材料 和 注浆设备 ， 通过 注 浆 管将 浆 液 注 入两 端 囊 袋中， 浆液注满后压力可达到 1 MP a ， 对钻孑 L 形成支 护 ； ③两端 囊袋 注浆压 力达 到 1 MP a后 ， 封 孔器 中间 的钻孔 出浆 阀 自动 打 开 ， 浆 液 通 过该 阀进 入两 端 囊 袋 之间 的钻 孔空 间 内 ， 注浆 压 力 达 到 1 ． 5 MP a 后 注 浆 完成 。 3 现 场 试 验 3 ． 1 矿 井及试 验地 点概况 鹤壁 中 泰矿 业有 限 公 司位 于 鹤壁 矿 区北 部 ， 是 鹤 煤集 团 的 主力 矿 井 之 一 。2 0 1 0年 矿 井 瓦 斯 鉴 定 结 果 矿井绝 对 瓦斯 涌 出量 5 3 ． 3 m ／ rai n ， 相 对 瓦 斯 涌 出量 1 7 ． 1 4 m ／ t ， 属煤与 瓦斯 突出矿井 ， 二 氧化 碳 绝对 涌 出量 1 4 m。 ／ mi n ， 二 氧 化 碳 相 对 涌 出量 4 ． 5 m ／ t 。中泰矿业主采 的二 煤 的抽采难易程度介 于 可 以抽采 和较 难抽采 之 间 ， 煤层 透气性 系数 0 ． 0 2 l 3 ～ 0 ． 1 8 1 9 m ／ MP a d 。此 次 封孔 试 验 地 点 选 在 3 3 0 7 1准备工 作 面 运 输 巷 。试 验 钻孔 参 数 钻 孔 孔 径 、 钻 孔 方 位 角 、 钻 孔 倾 角 、 钻 孑 L 长 度 均 按 矿 方 已 有钻 孔施 工设计方 案施 工 。 2 0 1 3年第 5期 张晓龙 本煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术试验研究 总第 2 0 9期 3 ． 2钻 屑量 法确 定合理 封 孔深度 钻屑量法 是根 据钻 孔 中排 出 的钻屑 量 变化 规律 及其伴随的动力现象来分析煤体 内的应力分布状态， 从而确定合理的封孔深度。钻屑量测定在本煤层钻 孔施 工前 进 行 ， 在 3 3 0 7 1运 输巷 距 中切 眼 3 0 m 处施 工 1 0个钻屑 量测定孔 。钻 屑量测定情 况见表 1 。 表 1 3 3 0 7 1运输巷钻屑量测定记录 k g 孔 深 1 2 3 4 5 6 l～2 m 2 3 m 3 4 m 45 m 5 6 m 6 7 m 7～8 m 8 9 m 91 O m 1 O～ l 1 m 1 l一1 2 m 注 另有 3个孔 因塌孔 、 卡钻 、 遇矸无法测定 ， 未记录其 中。 对钻 屑量 数 据 进 行 整 理 ， 运 用 E x c e l自带 图 表 生成散点图 ， 再对生成的散点图进行曲线拟合 ， 得到 的每 米平 均钻 屑量 随钻 孑 L 深 度 变化 拟 合 曲线 如 图 3 所示 。 图 3 1 一7 钻孔平均钻屑量随深度变化拟合 曲线 由前 人 的研 究 结 果 可 知 ， 钻 屑量 沿 钻 孔 的变 化 与沿钻进方 向煤体 内的应力变化趋势基本一致 ， 因 此 ， 可 以从 钻屑 量 的变 化 规 律 分 析煤 体 内 的应 力 分 布规律 。 由图 3可 看 出钻 屑 量 随 深 度 变 化 的 规 律 ， 钻屑量最大值出现在 7～ 9 m深度范 围， 巷帮应 力峰值也在 7 9 m深度范围， 从而可将合理封孔深 度 确定 为 9 m。 4封孔效果分析 在 鹤壁 中泰 矿业 3 3 0 7 1运输 巷进行 囊 袋式 注浆 封 孑 L 试 验 ， 共 封 孔 6 0个 ， 矿 方 采 用 聚 氨 酯 封 孔 2 0 个 。封孑 L 后对 钻孔 瓦斯抽 采浓 度进 行观测 。下 面对 钻孔浓度数据进行整理分析。 1 不 同封孔深度条件下囊袋式注浆封孔法。 利用 E x c e l 对数 据 整 理 后 ， 绘 制 出的 不 同封 孑 L 深 度 条件 下 的钻孑 L 平均浓 度对 比曲线 图 4 。 图 4不 同 封 孔 深 度 下 平 均浓 度变 化 曲 线对 比 由图4可明显看出， 第 1组平均浓度最高 ， 第 2 组 平均 浓度 和第 1组 差 别 不 大 ， 第 3组 平均 浓 度 最 低 。因此 ， 在本煤层瓦斯抽采钻孔封孔时一定要保 证 足够 的封 孔深 度 ， 以确保 瓦斯 抽采效 果 。 2 采用 不 同封孔 方 法 的 钻孔 抽 采 。对数 据 进 行 整理 并绘 制 的平均浓 度 变化 陷线如 图 5所 示 。 聚氨酯封孔 1 1 1 21 3 1 41 51 6 1 7 1 8 l 9 1 1 0 1j 1 l1 2 11 3 1 1 41 1 5 l1 6 1 观测时间， d 图 5不 同封孔方法 的钻孔 平均浓度变化 曲线对 比 由图 5可 知 ， 囊 袋 式封 孔 法 明显 优 于 聚氨 酯 封 孔法 ， 出现这种情况有多种原因 ①中泰矿业主采煤 层 为松 软煤层 ， 聚氨 酯 材 料 的强 度 太 低 不 能有 效 阻 止 钻孔 变形 ， 而囊 袋 式 注 浆 封孔 法 所 用 材料 为膨 胀 水泥， 可有效防止钻孔变形及封孔段周围裂隙发育 ； ② 钻孔 水对 聚氨 酯材 料 有 一 定 的 软化 作 用 ， 而 对 于 膨胀水泥材料 ， 钻孔水却起到了膨胀作用 。 3 囊袋式注浆封孔法在不同注浆压力情况下 的抽 采浓 度对 比。平 均 浓 度 变化 曲线 如 图 6所 示 ， 从 图 6可 以看 出 ， 注浆 压力 对钻 孔 下转 第 1 0 8页 99 5 8 6 2 6 9 4 4 4 0 O }2 2 2 3 3 2 2 2 0 8 8 2 2 4 0 4 O 6 6 1 l 1 2 2 2 3 2 2 1 l 2 3 3 4 4 O 4 2 8 6 6 ；1 1 2 2， ； O 8 4 8 2 2 0 2 2 6 O 1 1 l O 2 2 1 2 2 1 1 8 0 6 6 2 O 8 0 8 O 8 l 2 1 1 2 2 2 2 l 2 1 O O 2 8 O O 0 O O 0 8 i 1 3 2 2 2 i O 4 2 0 O 4 8 4 4 8 8 2 l 1 1 1 1 1 l l O O 2 0 1 3 年第 5 期 中州煤炭 第 2 0 9 期 2 0 。 仰 角 。若 后尾 梁空 间较小 时 ， 可利 用架 缝 以尽 可 能 平 的角度施 打 。为保 证 注 氮 工作 的正 常 进行 ， 除 维护好 下巷 的输氮 管 外 ， 在 回 风巷 新铺 设 1趟 主 输 氮 管路 ， 并 沿 工 作 面 方 向 在 大 立 柱 前 铺 1趟 2 j 7 5 mm注氮管路 ， 设 5个 三通 ， 分组连接 ， 确保足量循 环注氮 。 对 于煤层 自燃 隐患 的检测 除采 取 常 规 的 C O检 定管定 点检 测外 ， 应尽可 能根 据现场 实 际 ， 通过 支架 缝 向采 空 区布置 观测钻孔 。布置 方 式 为每 5架 设 1 个 ， 开 口位 置在支 架后尾 梁架 缝 ， 孔 深 2 m， 角度 3 0 。 一 4 0 。 ， 眼打好后 ， 及时用胶管引至大立柱外侧， 便于 检测取样操作。每班瓦检员对所有测点全部检测 2 遍 ， 发 现 问题及 时汇报 。根据 情况 ， 通风 区安排 专人 对观N f L 抽 取 1次气样进 行分 析监 控 ， 以便 随 时 、 准 确地 掌握 自燃 隐患 的发 展程 度 。 当工作面下端头支架开始撤 出时， 防火 队及时 在下 拐头 以外适 当位 置按 标 准 建造 2道 临 时 闭墙 ， 并对 其进 行喷浆 固化充 填 。在 闭墙 建好 前开启 两巷 外 口的局 部通风 机进行 供风 。及 时拆 除所拆 除架子 对应 煤壁 锚 网上 的锚 盘 ， 保 证 在 架 子撤 出后 煤 壁垮 塌严 实 。 同时 ， 每撤 1 0架 ， 在 撤架 点 下部 垛 1道 土 袋 墙 。坚 持每 天对 工作面 及钻场 各 防火钻孔 分段 注 水湿润 、 注粉煤灰或注胶充填， 直至拆除结束， 工作 面顺 利封 闭。 6 结 语 常村煤 矿现 在 1 个 可采走 向长 1 0 0 0 m、 倾 斜长 1 8 0 m的综放工作面掘进、 切眼安装 、 回采及拆 除期 间 ， 防火工 程投 入 1 0 0 mm 的钢 管 4 3 6 0 m， 乏 1 0 0 m m 的 P V C管 2 1 0 0 m， 2 j 5 0 m m 的黑胶 管与塑 料管 3 5 0 0 m， 5 0 m m 高 压 软 管 3 0 0 m， 施 工 各 类 钻 孔 8 5 0 0 0 m， 用水 玻璃 2 8 8 0 0 t ， 无氨凝 胶 2 5 2 0 t ， 化肥 3 2 4 0 t ， 阻化 剂 1 0 8 0 t ， 三 相泡沫 2 7 t ， 粉 煤灰 1 8 0 0 m 。 。从 掘进 至拆 除 ， 杜 绝 了 大 的 自然 发 火 事 故 ， 自 然发火率 显著 降低 。矿井得以安全生产 的实践表 明， 防火工作要在坚持管理 、 装备、 技术并重的原则 下 ， 不断完善实施防灭火技术。 参考 文献 [ 1 ] 任万兴 ， 王德明 ， 周福宝， 等． 松软 巨厚煤层高 冒区 自然 发火原 因及 防治技术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 5 2 4 - 2 8 ． [ 2 ] 付永水 ， 李建新． 义马矿区煤层 自然发火 防治技 术 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 余明高， 贾海林 ， 胡祖祥． 矿井火灾 防治 [ M] ． 北京 国防工业 出 版社 ． 2 0 1 3 ． 责任编 辑 刘光 雨 j； }j k I ‘ }业 j 妊 ‘ } j I ； }业毒‘ }业 夸譬 毒 ； }j j k 夸 业 业逝窖 专 毒 }业 ‘ }j 夸 ； 喧 ‘ 章专 、 自 ； 色韭专 ； 窖 妊r k盥 上接 第 9 9页 密 封起 到很 大 的作 用 ， 注 浆 压力 0 ． 5 MP a以上 钻孔 的平 均 瓦斯 浓度 比注 浆 压力 0 ． 5 M P a以下钻孔 的平 均浓度 高 1 0 ％ 以上 。 图 6不同注浆压力下钻孔平均浓度变化 曲线对 比 5 结 语 对 地质 条 件 复杂 多 变 的松 软 突 出煤层 ， 本 煤 层 瓦斯抽采钻孑 L 一直存在封孑 L 效果差的问题。囊袋式 注浆封孔技术为解决该问题提供 了一条新 的途径 。 1 08 该技 术通过 对钻 孔施 加 主 动支 护 力 ， 有 效 阻止 了钻 孔变 形及周 围裂 隙发 育 ， 进 而 提 高 了抽 采 钻孔 的封 孔质 量 ， 保证 了瓦斯抽 采效果 。 参 考文 献 [ 1 ] 曹怀建． 采动掩 体双液压注式 封孔技术在 瓦斯抽采 中的应用 [ J ] ． 中州煤炭 ， 2 0 1 0 1 2 8 5 _ 8 7 ． [ 2 ] 马衍坤． 含瓦斯 煤层 多参数 实时监 测及其 应用研 究 [ D] ． 徐 州 中国矿业大学， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 谭学术． 穿层钻孔周 围瓦斯 压力分布 规律 的探讨 [ J ] ． 重 庆建 筑工程学院学报 ， 1 9 8 6 3 1 1 1 - 1 2 0 ． [ 4 ] 周 晓军 ， 马心校 穿层钻孔周 围煤体次生应 力变形 及瓦斯 流动 规律 的研究 [ J ]重庆大学学报 ， 1 9 9 5 ， 1 8 5 3 1 - 3 8 ． [ 5] 董方庭 ， 宋宏伟 ， 郭志宏 ， 等． 围岩松动圈巷道支 护理论 [ J ] ． 煤 炭学报， 1 9 9 4， 1 9 1 2 1 - 3 2 ． [ 6] 孙 玉 宁． 囊 袋 式 注 浆 封 L装 置 及 其 封 孔 方 法中 国， 2 0 0 7 1 0 0 5 4 3 8 4 ． 5[ P ] ． 2 0 0 70 51 O ． [ 7 ] 刘国泉． 关于应用钻 屑量与钻 屑瓦斯解吸指标 判定 突出危险 性若干问题 的讨论 [ J ] ． 煤矿安全 ， 1 9 9 3 2 3 5 - 4 0 ． 责任编 辑 刘光雨