带压注浆封孔技术的研究应用.pdf

2 0 1 1年第 3期 煤炭工程 带压注 浆封孔技术 的研究应 用 张长远，陈 建 ，宋小林 ，熊 伟，周福宝 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要针对 瓦斯抽采钻孔普遍存在封孔质量差、漏气严重等 问题 ，提 出了带压注浆封孔技 术，能有效封堵钻孔周围裂隙、提 高封孔质量 ，并在神华宁夏煤业集团有限责任公司金能煤业分 公 司进行 了对 比试验。结果表 明，带压 注浆封孔技 术 比原封孔 工艺 瓦斯抽采 浓度提 高 2 5 ％ ～ 4 0 ％，效果显著。 关键词 瓦斯抽采 ；封孔 ；带压 注浆 ；抽 采浓度 中图分类号T D 2 6 5 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 3 - 0 0 3 9 - 0 3 St u dy a nd App l i c a t i o n o f Pr e s s ur i z e d Gr o ut i ng Bo r e ho l e S e a l i ng Te c hn o l o g y Z HAN G Ch a n gy u a n，C HEN J i a n ，S O NG Xi a ol i n，XI ONG We i ，Z HOU F ub a o S c h o o l o f S 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 o f Mi 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 1 1 6 ，C h i n a Abs t r ac t Ac c o r di n g t o t h e po o r bo r e ho l e s e a l i n g q uali t y， s e rio us a i r l e a k a g e a n d o t he r pr o b l ems e x i s t e d i n t h e g a s d r a i na ge b o r e h o l e s，t h e p a pe r pr o v i d e d t h e pr es s uriz e d g r o ut i n g bo r e h o l e s e ali ng t e c h n o l o g y wh i c h c o ul d e f f e c t i v e l y s e a l t h e c r a c ks a l o n g t h e bo r e h o l e a n d i mp r o v e t h e bo r e ho l e s e a l i n g qu a l i t y． A c o mp a ris o n e x pe r i me nt s o n t he t e c hn o l o g y wa s c o n d u c t e d i n J i n n e n g Co a l Mi n i n g Br a n c h o f S h e n h u a Ni n g x i a C o a l Mi n i n g Gr o u p C o r p o r a t i o n L t d ．T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e p r e s s u ri z e d b o r e h o l e s e ali n g t e c h n o l o g y c o u l d i mp r o v e t h e g a s d r a i n a g e c o n c e n t r a t i o n b y 2 5 ％ t o 4 0 ％h i g h e r t h a n t h e p r e v i o u s b o r e h o l e s e ali n g t e c h n o l o gy wi t h o b v i o u s e f f e c t s ． Ke y wo r ds g a s dr ai n a g e； b or e ho l e s e a l i ng； p r e s s u r i z e d gro ut i n g； d r a i n e d g a s c o n c e n t r a t i o n 瓦斯抽采是 煤矿 瓦斯 治理与 利用 的根 本措施 和 主要 途 径⋯，钻孔瓦斯抽采效果 的好坏，除了钻孔的合理布置， 主要是钻孔 孔 口的封 孑 L 质 量。无论 是本 层抽 采 ，邻 近层 抽 采或采空 区抽 采 ，在 合理 设计 钻孔 参数 的基 础上 ，增 加有 效封孑 L 长度 ，封 孑 L 质 量好 ，孔 口严密 不漏 气 ，才 能抽 出 较高浓度的瓦斯，提高抽采效果。金能公司原封孔工艺在 抽采管上缠长约 1 m的棉纱，棉纱涂上聚氨酯封孔剂后塞人 钻孔 中，封孔工 艺如 图 1 所 示 。这种 纯 手工方 式封 孔 具有 很大的不稳定性 ，封孔 深度 和长 度达 不 到要求 ，材料 在钻 孔中 自由膨胀 ，无法 进入 孔壁 周 围的裂 隙 中，且 膨胀 后 材料本 身的致密 性不 足 ，容 易造 成封 孔不 严实 、漏 气等 现 象，直接导致瓦斯抽采浓度偏低，抽采浓度衰减过快。文 章针对瓦斯抽 采封 孔 问题 ，进行 了深 入细 致 的研 究 ，从 封 孔工艺人手 ，提 出 了一种 全新 的封孔 技术 带压 注浆 封 孔技术 。 1 矿 井概 况 神华宁夏煤业集团有限责任公司金能煤业分公司 以下 简称 金 能公司 由一区 原石 嘴山一矿 和二 区 原石 嘴山 二矿 组成，为煤与瓦斯突出矿井，井田位于宁夏 回族 自治 区东北端 的石嘴 山市 惠农 区境 内 ，是有着近 5 0年开采历史 的老 矿 井 。 一 、 二 区井 田 属 同 一 煤 田 ， 矿 井 划 分 为上 、 下 化学 注浆 充填技 术 ，彻底 解 决 了处理 工作 面 冒顶 ，作业 人 [ 2 ] 员的安全问题。为松散岩层工作面安全高效生产提供了新 的技术，创造了明显的技术经济效益。 [ 3 ] 参考文献 [ 4 ] [ 1 ] 于占清，胡耀忠 ，等．风井透溃黄泥注浆加固掘进 [ J ] ．煤 炭技术 ，2 0 0 3，2 2 3 7 8～8 0 ． 刘全林 ，程桦．立井壁 后土层注浆加固机理及注浆参数研究 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 0，2 5 5 4 8 6～ 4 9 0 ． 武鹏飞 ，田取珍 ，等．构 造破碎 带巷道注 浆加 固技术 [ J ] ． 采矿技术 ，2 0 1 0， 2 2 4～2 5 ． 王兆 申，梁洪光 ，曹士将 ．深井破碎 围岩煤仓联合支护及综 合注浆加 固技术 [ J ] ．山东煤 炭科 技 ，2 0 1 0 ， 2 1 0 6～ 1 0 7 ． 责任 编辑张 宝优 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 3 作者简介张长远 1 9 8 5一 ，男，安徽萧县人，2 0 0 9年毕业于华北科技学院安全工程专业，主要从事煤矿瓦斯治理技 术 的研究 。 3 9 煤炭工程 2 0 1 1年第 3期 棉纱 图 1 带压 注浆封 孔工艺示意 图 两个层组开采，上组煤含煤 3层 ，可采煤层 2层，下组煤 含 煤 6 层 ， 可 采 煤 层4层 。 矿 区 走 向 长 1 1 ． 5 k m ， 倾 向 宽 3 ． 5 k in，面积 5 6 ． 8 2 4 k m 。井 田范 围 内煤层 倾角 1 2 。～3 5 。 ， 平均2 2 。 ，可采煤层的平均总厚度 3 0 ． 7 8 m。主要含瓦斯煤 层为三层煤，瓦斯压 力为 4 ． 2 M P a ，瓦斯含 量为 9 ． 4 7 1 0 ． 5 8 m ／ t ，具有 煤与 瓦斯 突 出危 险。井 田煤 种 为 1 ／ 3焦 、 气、肥煤 ，矿井采用综合型开拓方式，即立井、斜井、多 水平 、区段集 中巷 、区段石 门分煤组 联合 布置开 拓。矿井 共划分为四个水平，一水平 8 4 5 m，已全部回采结束；二 水平 7 2 5 m；三水平 6 0 0 m，现为主要生产水平 ；四水平 4 0 0 m，现正在延深 。目前矿井相对 瓦斯涌 出量 1 8 ． 1 9 m ／ t ，绝对瓦斯 涌⋯量 8 8 ． 7 5 m ／ ra i n 。历 年矿井 瓦斯 涌 出量见 表 1 。 表 1 2 0 0 5 2 0 0 9年矿井瓦斯 涌出量表 2 0 0 8 2 0 o 9 两矿合并 ，绝对 涌出量 1 0 8 ． 1 4 ；相对涌出量 l 6 ． 5 3 两矿合并 ，绝对涌 出量 8 8 ． 7 5 ；相对涌出量 1 8 ． 1 9 2 带压注浆封孑 L 技术 2 ． 1 封 孔原 理 由于煤层 内存 在大量 的构造 裂隙 ，尤其 是在 受采动 影 响较大的煤体内，裂隙发育程度更高。同时在钻机打钻的 过程中，加剧了煤体的破坏程度，使裂隙贯穿煤帮和钻孔， 如果封孔不严 实 ，在负压 状态 下 ，空 气 由煤帮和钻 孔周 边 进入孔内，会导致抽采浓度短期内下降到 1 0 ％以下。金能 公 司原封孔工艺 达不到所 需 的封 孔长 度与深 度 ，封孑 L 段 不 能超过巷道的裂隙带深度，且封孔剂在钻孑 L 中自由膨胀不 能进入孔壁的裂隙中，与孔壁的粘合度不好。带压注浆封 孑 L 技术把钻 孔两端堵 住 ，中 间一段注 人封孔 剂 ，封孑 L 深 度 可达 8 ml 4 J ，超过巷道的裂隙带。封孔 剂在密 闭的空问膨胀 时，产生一定的压力，可进入钻孔壁周围的裂隙中，加强 了与孔 壁的粘合度 。 2 ． 2 封孔工艺流程及注意事项 本次封孔材料选择聚氨酯类赛瑞封孔剂，同时在 抽采管的选取上，为避免铁管对采煤机割煤时有影响，特 选用聚氯乙烯抗静电阻燃煤矿专用管。为防止抽采瓦斯时， 有煤岩块被吸进抽采管而堵塞管路，在抽采管前端 l m范围 内均匀布置花眼，前端管口用塞子堵住，瓦斯由花眼进入 管路。封孔 时 ，在 抽采管前 端离 花眼 约 0 ． 5 m处缠 上 0 ． 5 m 长的棉纱 ，抽采管的末端同样缠上约0 ． 5 m长的棉纱，并用 铁丝固定。用长约 3 m的4分 P V C管作为注浆管固定在抽 采管上。用适量的赛瑞封孑 L 剂涂抹于两端的棉纱上，然后 一 起塞入钻孔中，待封孔剂凝固后，中间则形成一段封闭 的空间，用矿用手动封孔泵通过注浆管注入定量的赛瑞封 40 孔剂，堵上注浆管口，待注进的封孑 L 剂发泡时，在封闭的 空间会产生一定的压力，赛瑞封孔剂在钻孑 L 中横向膨胀， 同时产生纵向膨胀的压力 ，可渗人孔壁的裂隙中，增加封 孑 L 的密实性 ，在高负压抽采的条件下杜绝漏气的可能，从 而提高钻孔瓦斯抽 采浓度 ，延 长瓦斯 抽采 时间 。封孔示 意 图如图 1 所示 和封孔设备及单孔材料 明细见表 2 。 考虑 到井 下封 孔特 定的物 理环境 ，在 封孔过 程 中需注 意以下事项①封孔前须清除孔内的煤、岩粉，保证抽采 管⋯ 、 ， ． I4 塞入孔中；②缠绕在抽采管 的棉纱厚度适中， 特别是里端的棉纱要用铁丝扎紧，防止注进去的封孔剂越 过棉纱进入抽采管内；③抽采管之间连接处要紧密，防止 注入的封孔剂通过接口缝隙渗入管内；④手动注浆泵使用 前要用润滑油 润滑气缸 ，以减少 阻力 。注浆 结束 后 ，要 马 上用清水清洗泵体和管路 ，注浆泵若长时间不用 ，须用机 油清洗泵体再存放，以延长设备的使用年限。 表 2 封孔设备及单子 L 材料明细 2 0 1 1年第 3期 煤炭工程 2 ． 3 应 用 实侈 4 2 ． 3 ． 1 试验 地点 本次试验地点选在二层煤第 2采区的工作面 3 1 2 2工作 面 运输巷 ，工作面走向长为 1 4 0 0 m，倾向宽为 1 4 4 m。回 风水平在 7 2 5 m，进 风及运输水平 在 6 6 0 m。3 1 2 2工 作面 运输巷北起 3 1区 6 6 0 m水平 3 1 2 2工作面切 眼 ，南 至 3 1区 6 6 0 m水平 2 运输石 门。 2 ． 3 ． 2 钻孔布置 3 1 2 2工作面运输巷共设计钻场 7 9个 ，沿走向每 1 8 m 布置一个钻场 ，每个钻场布置钻孑 L 9个，平均孔深 6 7 ． 4 m。 每个钻场沿二层煤倾斜布置顺层孔 5个，沿工作面倾斜方 向布 置穿层孔 4个 ，见三层煤底板 1 m终孔 ，钻孔终孔点 间 距沿倾斜方向 l O m，沿走向 6 m。钻孔布置参数见表3 。 2 ． 4封孔 效果 对 比分析 为了对 比分析 ，以 3 5 、3 6 钻场为例进行介绍 。3 5 钻场 采用原封孔 工艺封 孑 L ，3 6 钻场采 用带 压注 浆封 孔工 艺。封 孔完毕后 ，每隔 7 d 对两个钻场的钻孔瓦斯浓度进行测定 每 次测3组数据 ，取 3次所测浓度数据的平均值作为各孔的 最终瓦斯浓度，累计观测对比7周。同时每个钻场的瓦斯抽 采负压为 1 3 k P a ，两种封孔工艺效果对比如图 2 所示。 表 3钻孔施工参数 观测 U期 原封扎工 艺 一 带 注浆封孔工艺 图 2 两 种封 孔工艺效果对 比图 由图 2可知 1 在类似条 件下 ，原 封孑 L 工艺 瓦斯 浓 度衰减 过 快 ，1 个月左右 即降到 2 0 ％ 以下 ，带 压注 浆封孔 工艺 1个月 后仍 可保持 4 0 ％ ～5 0 ％的浓度 。 2 带压注浆封孔 工艺 优于原封孔工艺 ，这说 明在 密封 钻孔空间里封孔材料的致密性及钻孔周围裂隙的封堵性得 到了提高 ，更利 于密封钻孔 ，保证 钻孔的密封性 。 3 由图 2还可看出一种变化趋 势 ，即带压 注浆封孔 工 岂可增加封 孔 的长度 和深度 ，由于具有 带压 性 ，钻孔 周 围 裂 隙得 到了有效 封堵 ，瓦斯 浓度 能够 维持 在一个 相 对稳 定 的高浓度 ，原封孔工 艺不具备带压 性 ，瓦斯 浓度衰减很 快 ， 新工艺抽采浓度比原来提高 2 5 ％ ～ 4 0 ％。 3结语 1 首次提出带压注浆封孔技术 ，增加了钻孔的封孔 长度和深度，赛瑞封孔剂带压膨胀时，可渗入孔壁周围裂 隙，增加与孔壁的粘合度，阻隔外界空气的进人，显著减 少孔内的漏风量，从而大幅度提高钻孔内瓦斯抽采的浓度 和延长 瓦斯 抽采期 。 2 该 封孔工艺封孑 L 过程操 作简单 ，实用性 强 ，工人 可 熟练掌握 。 3 现场试验 结果 表明 ，应用带压注浆 封孔技术 瓦斯抽 采浓度可提高 2 5 ％ ～ 4 0 ％，提高了钻孔的利用率，显著改 善抽采效果 ，该项技 术在 我 国的 煤层钻 孔瓦 斯抽 采封 孔 中 具有一定 的推广价值 。 参考文献 [ 1 ] 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． [ 2 ] 刘三钧 ，林柏泉 ，等．钻孔密封机理及新型煤层瓦斯压力测 定技术研究 [ J ] ．煤矿 安全 ，2 0 0 9 ，3 5 1 0 9 6～9 9 ． [ 3 ] 魏 晓林 ．有钻孔煤 层 瓦斯流 动方程及 其应 用 [ J ] ．煤 炭学 报 ，1 9 8 8 ，1 3 1 8 5～9 6 ． [ 4 ] 王兆 丰，杨利平 ，田坤 云，等 ．高瓦斯 油气共 生易 自燃厚煤 层巷道松动 圈范 围的确定[ J ] ．煤矿 安全 ，2 0 0 7，1 3 1 ～ 3 ． [ 5 ] 孙玉 宁，王振锋 ．采动影 响下穿层钻 孔新型封孔 技术 [ J ] ． 煤矿安全 ，2 0 0 9，2 1 3 2 l～ 2 3 ． [ 6 ] 杨晓红．煤层抽采钻孑 L 瓦斯衰减分析与抽采钻孔封孔工艺改 进 [ J ] ．矿业安全与环保 ，2 0 0 9 ，3 6 1 0 5～1 0 6 ． 责任编辑张宝优 41