高瓦斯低透气性煤层“两堵一注”封孔技术.pdf

2 0 1 2 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 0 3 期 高瓦 斯低透气性煤层“ 两堵一注 齐 文 国 郑煤集 团公 司， 河南 郑州4 5 0 0 4 2 ’ ’ 封孑 L ．- _ -r _ -．- J J U 技术 摘 要 顺 层钻 孔瓦斯抽 采是解决矿井瓦斯灾害的重要 手段， 也 是瓦斯抽采 中的难 点和 重点。结合 矿压理论 ， 分析确定封孔段长度和封孔材料是 影响顺 层钻孔 瓦斯抽采 的主 要 因素。通 过对封孔 工 艺的研 究和现场 试 验 ， 表 明“ 两堵一注” 封孔技术对 降低抽采 气样 中的氧含量和 煤层 中的 瓦斯含量 、 提高 瓦斯抽采 浓度有 较大 的帮助。 关键 词 高瓦斯； 低透气性 ； 顺层瓦斯抽采 ； “ 两堵一注” 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标志码 B 文章 编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 2 I 1 0 0 6 70 2 防治煤与瓦斯突 出规定 要求 ， 突出危险区回 采 区域必 须 执行 区域 防突措 施 。对 于郑 州矿 区单 一 突出煤层来说 ， 顺层钻孔预抽 回采 区域煤层瓦斯区 域防突措施具有钻进速度快 、 费用低 、 有效孔段长等 特点 ， 是一种较为经济、 合理的选择 。顺层钻孑 L 封孔质量的好坏直接关系到突出危险区回采工作面 防 突 的效 果 ， 但 目前顺 层钻 孔封 孔技 术差 ， 造成 了瓦 斯抽采浓度低 ， 抽采效率低。为此 ， 本文从不同封孔 材 料 、 不 同 封孔段 长 度 、 氧含 量 、 瓦 斯 含 量 等 方 面论 述 改进后 的封孑 L 方式 及变化 后 的瓦斯 抽 采情况 。 1试 验 区概 况 郑 煤 集 团公 司裴 沟 煤矿 为 煤 与 瓦斯 突 出矿 井 ， 矿 井绝 对瓦 斯 涌 出量 2 8 ． 5 3 m ／ m i n ， 相 对 瓦斯 涌 出 量 7 ． 2 2 m ／ t 。主采 的二， 煤 层 属 三 软 不稳 定 煤 层 。 井 田范围内地质条件复杂 ， 全层构造煤 ， 煤层瓦斯压 力大 ， 含量高， 透气性低 ， 属难抽煤层 。试验地点选 取 在 3 1 采 区首 采 3 1 0 7 1 工 作 面 回风 联巷 口以里 2 0 0 m范 围 内 的 煤 层 图 1 。该 区域 位 于 突 出 危 险 区 内 ， 煤厚 4 ． 0～1 7 ． 3 m， 平 均 厚 9 ． 6 7 m， 工作 面煤 层 原 始 瓦斯 含 量 6 ． 0 3～8 ． 3 1 m ／ t ， 煤 层 透 气 性 系数 0 ． 0 0 5 6 m ／ MP a d ， 工作 面经原封孑 L 方 式抽放 后 ， 残余瓦斯含量平均为 5 ． 2 5 m ／ t 。 2原 封 孔 工艺 及 改进 该试验 区原采用顺层钻孔进行瓦斯抽采 ， 顺层 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 0 作者简介 齐文 国 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山东潍坊 人 ， 助理 工程师 ， 2 0 0 7年 毕业 于中国矿业 大学 ， 现从事煤 与瓦斯突出防治工作 。 图 1 3 1 0 7 1工作面示意 钻孔 直径 为 8 9 m m， 封孔 管直 径 为 2 5 m m， 封 孔段 长 9 m， 花管长 1 m， 封 孔 材 料 为 聚 氨 酯 。该 区 域 原 瓦 斯抽采浓度最高 1 8 ％ ， 抽采 3 0 d后浓度降至 2 ％以 下。通过分析得知， 瓦斯抽采浓度低主要是 由于封 孑 L 段 长度 和封 孔工 艺 的影响 。原 封孔 工艺采 用 聚氨 酯封孔 ， 不能保证封孔管全段封孔 ， 容易在长期瓦斯 抽采 过程 中造 成钻 孔 壁 产 生 离层 裂 隙 ， 与 巷 道 轮廓 线外形成 的破碎 区贯通， 导致 瓦斯抽采浓度 降低 。 此外 ， 钻孔 孑 L 径较小 ， 不 能保 证孔壁 附 近形成 足够 的 破碎 区 ， 对 孔壁 附近 的 透 气性 影 响 较 小 。针 对 上述 情况 ， 试验 区顺层 瓦斯抽 采钻孔 改进 为钻 孔直径 1 1 3 m m， 封孔 管 直径 5 0 m m， 封孔 段长 1 8 m， 封孔 材 料的选用本着密封性好 、 速度快 、 操作简单等原则 ， 采用树脂材料 、 P ． 0 4 2 ． 5普通水泥 、 膨胀水泥 ， 采用 “ 两堵一注” 封孔工艺 图 2 。普通水泥按照水灰 比 1 1 进行配 比， 膨胀水泥按照水灰 比 2 1进行配 比， 注浆压力为 0 ． 5～1 ． 0 MP a ， 花管长 6 m， 实管长 1 8 m， 注 返 浆管管径 3 2 m m， 注浆管长 1 6 m， 返浆 管长 4 m， 注浆 管 、 封孔 管 材 料 为 P V C管 ， 树 脂材 料 采用特殊封孔泵分别将 A、 B原料进行注浆 ， 注浆管 为 5 m m 塑料 软管 。采用 3 1 采 区瓦斯抽 采泵进 行 ． 6 7 ． 2 0 1 2年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 0 3 期 抽 采 ， 额 定 抽采 流量 为 6 0 m ／ ra i n ， 抽采 极 限 负压 8 0 k P a ， 抽采主管路管径 3 0 0 m m。 袋装树脂封孔段实管注浆封孔段返浆管 注浆管 图 2“ 两堵一注” 封孔工艺示意 3 试验 效果对 比 3 ． 1 不 同封孑 L 段 长 度对抽 采浓 度的 影响 通 过对 比不 同封 孔 材 料瓦 斯 抽 采 的平 均浓 度 ， 考察封孔段长度分别为 9 ， 1 8 m时的 区别。通过瓦 斯抽采平均浓度变化 曲线 图 3 可 以看 出， 封孔段 长 度达 到 1 8 m后 ， 瓦斯 抽 采 浓度 增 加 ， 瓦斯 抽 采 速 度衰减变慢 ， 瓦斯抽采浓度相对稳定 ， 能够对顺层钻 孔 进行 有效 封堵 。通过 对 封 孔 数 据 对 比发 现 ， 封 孑 L 段长度 达到 1 8 m 后 ， 瓦斯 抽 采平 均浓 度 最 高达 3 5 ％ ； 封孔段 长 度 9 m时 ， 瓦斯 抽采 平均 浓度最 高 达 1 5 ％ 。 前者 是后 者 的 2 ． 3倍 。说 明 封 孑 L 段 长度 达 到 1 8 m 后 ， 能够 对顺 层钻孑 L 周 围 的破碎 裂 隙进 行 有 效 封堵 ， 能 够满 足瓦斯 抽 采 的需 要 。 图 3不同封孔段长度瓦斯抽采平均浓度变化 曲线 3 ． 2不 同封 孔材 料对 抽 采气样 影响 3 ． 2 ． 1 瓦斯 浓 度 瓦斯 抽采 浓度 是衡量 瓦斯 抽采 效果 的重 要指标 之一 ， 通过 考察 封孔 段 长 度 达 到 1 8 m 后 ， 不 同封 孔 材料瓦斯抽采平均浓度变化 ， 来考察不同封孔材料 之 间 的细 微 差 别 以及 判 断 封 孔 质 量 的好 坏 。经 过 9 0 d的瓦斯 抽采 ， 全 段 树脂 材 料 封孔 最 高 瓦斯 浓 度 2 4 ％ ． 普 通水泥单孔最 高瓦斯抽采浓度 4 6 ％ ， 膨胀 水泥最高瓦斯抽采浓度 2 6 ％， 分段聚氨酯封孔最高 瓦斯 抽采 浓 度 1 5 ％ 图 4 。通 过对 比瓦 斯 抽 采 平 均浓度发现 ， 利用普通水泥封孔 ， 瓦斯抽采浓度要略 高于膨胀水泥和矿用合成树脂 ， 前 3种封孔材料较 6 8 分段聚氨酯封孔都有较大幅度的提高。从瓦斯浓度 维持 时间上 看 ， 前 3种 封孔材 料相 对稳定 ， 聚 氨酯 变 化较 大 ， 这说 明进行 封孔段 长 1 8 m 的全段 封孔要 优 于分段 封 孔 ， 能增 加 封孔段 密实 程度 ， 普通水 泥 优于 膨胀 水泥 和树 脂材 料 。 5 0 4 【 】 嵌 露 3 0 隹 1∈2 O 超 摄 加 料 3 ． 2 ． 2 氧 含量 瓦斯 抽采 气样 中 的氧含 量也是 判定 封孑 L 质量好 坏的重要指标之一。因此 ， 为了考察 3种封孔材料 的气密性， 分别选取 3种材料瓦斯抽采代表钻孔 ， 对 代表钻孔瓦斯抽采气样的考察。分别利用气象色谱 仪考 察不 同封孔 材 料 中 瓦斯 抽 采 气 样 中 的氧 含 量 ， 来确 定不 同封孔 材料 的气 密性 。不 同封孔 材料 瓦斯 抽采 气样 中 氧含 量 数 据 见 表 1 。 由表 l知 ， 利 用 膨 胀 水泥封 孔效 果最好 ， 利 用普 通水 泥封 孔效果 次 之 ， 利 用树脂 材料 封孑 L 效果 最差 。 表 1不 同封孔材料瓦斯抽采气样 中氧含量 ％ 3 ． 2 ． 3瓦斯含 量 通过测 定煤层 残余 瓦斯 含量 来确定 3种 封孑 L 材 料对 降低煤 层 中瓦斯 含量作 用 的大小 。分 别在 采用 树脂 材料 、 普通 水 泥 以及 膨 胀 水 泥封 孔 的钻 孔 进行 瓦斯 含量 测试 ， 孔深 5 0 m， 孔径 9 4 m m， 结 果见 表 2 。 通过对 比发现 ， 采用膨胀水泥封孔的瓦斯抽采效果 较好 ， 瓦斯含量在原先的基础上降低了 3 7 ． 5 2 ％。 表 2不 同封 孔材料抽 采前后 瓦斯含量 的变化 下转 第 7 3页 2 0 1 2年第 1 1 期 曹建来 五阳煤矿 7 6 - 2 区段变电所加 固技术 总第 2 0 3期 图 4 7 6 - 2 区段变电所注浆后锚索支护布置 示意 l 6 0 1 4 0 g 1 2 0 l 0 0 馋8 0 6 0 40 2 O 0 图 5巷道 围岩变形监测 5 结语 1 用水泥进行注浆 ， 能够充填和胶结破碎围 岩之间的裂隙 ， 将破碎围岩更好地粘结在一起 ， 恢复 其整体性 ， 同时提高其可锚性 ， 为而后的锚索加固提 高较好的围岩条件。 2 在条件允许 的情况下 ， 对底 板架设灌浆锚 索是 治 理底鼓 的有 效方 法之 一 。 3 对 于小 煤 柱 巷 道 或 者 三 角 区巷 道 ， 采 用 对 穿 锚索 进行 两端 张拉 ， 效果 非常 明显 。 参 考文 献 [ 1 ] 钱七虎． 非线性 岩石力学 的新进展一深 部岩体 力学 的若 干问 题 [ c] ／ ／ 中国岩石力学与工程学会 ． 第八次全 国岩石力学 与工 程学术大会论文集． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 张农 ． 巷道滞后注浆围岩控制理论 与实践 【 M] ． 徐 州 中国矿 业 大学出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 3 ] 潘一 山， 李英杰 ， 唐鑫 ， 等． 岩石分区破裂化现 象研究 [ J ] ． 岩石 力 学与工程学报 ， 2 0 0 7， 2 6 增 1 3 3 3 5 - 3 3 4 1 ． [ 4 ] 杨 坪， 彭振斌 ， 李奋 强． 巷道 注浆 加 固作 用机理 及计算 模型研 究 [ J ] ． 矿冶工程 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 3 - 5 ． [ 5 ] 刘 长武． 软岩巷道锚注加 固原 理与应用 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] 王明洋 ， 宋华 ， 郑大亮 ， 等． 深部巷道围岩 的分 区破裂机制及深 部界定探 讨 [ J ] ． 岩 石力 学 与 工 程学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 9 1 7 7 1 1 7 7 6 ． [ 7 ] 陈炎光 ， 陆士 良． 中国煤矿巷道围岩控 制[ M] ． 徐州 中国矿业 大学出 版社， 1 9 9 4 ． 责任编辑 秦爱新 上接 第 6 8页 4 结语 1 通 过分 析确 定顺 层 钻孔 瓦斯 抽 采受 巷 道 轮 廓线外卸压带的影响 ， 增加封孔段长度和增强封孔 材料的密实性有利于提高顺层钻孔瓦斯抽采浓度 。 2 通过分析原 封孔工艺 中存在 的问题 ， 确定 了“ 两 堵 一 注 ” 封 孑 L 技 术 的 具 体 操 作 工 艺 。实 践 表 明 ， 封 孔段 长度 由 9 m 增加 到 1 8 m后 ， 不 同封 孔 材 料 的顺 层钻 孔瓦 斯抽采 气 样 中的氧含 量和煤 层 中的 瓦斯含量均有所 降低 ， 瓦斯抽采浓度提高 了 2 ． 3倍 左 右 ， 效 果 明显 。 参考 文献 [ 1 ] 于不 凡， 王佑安 ． 煤矿瓦斯 灾害防治 及利用技 术手册 [ M] ． 北 京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2] 俞 启香 ． 矿 井 瓦 斯 防治 [ M] ． 徐 州 中国 矿业 大 学 出 版社 ， 1 9 9 2． 责任编辑 刘光雨 上接 第 7 0页 应 采 取 注水 措 施 ， 不得 出现 空 帮 、 空顶 。如 果 出现 空帮 、 空顶 ， 应 采 用 硬性 材 料 背 实 ， 防止 围岩 应力 改变 造成新 的应 力 出现 。巷道 松 帮卸 压后 ， 要防止支架变形 ， 如 已变形 ， 应修复 ， 并将网、 竹 笆 、 椽 子 重新 打好 ， 防止漏煤 漏矸 。 6 结语 实践证明， 在地质条件影响较大的地方 ， 可采用 沿顶掘巷 ， 合理选 择 u型钢拱形棚支架 的参 数， 优 化 施工 工艺 流程 。该施 工 方 法 与 松 帮让 压 、 松 帮 卸 压等技术结合起来 ， 克服了断层对掘进和回采 的不 利 影 响 ， 最 大 限度 地 回收 了煤炭 资源 。 参 考 文献 [ 1 ] 蔡美峰． 岩石力 学与工程讨 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 秦 忠诚 ． 构 造 复 杂煤 层 开采 [ M] ． 北 京 煤 炭工 业 出 版社 ， 2 0 0 9． 责任编辑 秦爱新 7 3