穿层钻孔返渣封孔技术研究与应用.pdf

2 0 1 4 年第 6 期 中州煤炭 总第 2 2 2 期 穿层钻 孑 L 返渣 封孑 L 技术研究与应 用 薛建峰 平煤股份 八矿 ， 河南 平顶山4 6 7 0 1 2 摘要 为 了提高松软煤层穿层 瓦斯抽采钻孔封孔效果 ， 分析 了现有穿层钻 孔封孔技 术的不足 ， 阐述 了返 渣封 孔技术在 穿层钻孔应用 中的原理 、 要求 ， 分析 了返 渣封孔 技术 的封孔 深度 和抽 采 负压， 并在 平煤 股份 八矿 己 1 4 1 4 0胶带运输巷 底抽巷开 展 了现场试 验。试验结果 表 明 穿层钻孔返 渣封孔技术在 松软煤层具 有 良 好的适应性， 采用穿层钻孔返渣封孔 技术后 ， 每孔 封孔 成本减少 5 0 ％左 右， 在 1 3 k P a负压 条件 下连续 抽采 1 0 0 d后， 钻孔抽采浓度全部维持在 3 5 ％ 以上 ， 有效提 高 了穿层钻孔封孔效果。 关键 词 煤矿 瓦斯 ； 封孔技术 ； 穿层钻孔 中图分 类号 T D 7 1 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 4 0 6 0 0 6 0 0 4 我国能源构成具有“ 富煤 、 贫油 、 少气” 的特点， 煤 炭 资源 总量 为 5 ． 5 7万亿 t ， 占一 次 能 源 的 比例 超 过 7 0 ％⋯ 。近年来 ， 随着经济 的发展 ， 煤炭的需求 量越来越大 ， 2 0 1 2年全国原煤产量达 3 6 ． 5亿 t 。据 中国工程院预测 ， 我 国原煤产量 2 0 1 5年 为 4 0 ． 1 2亿 t ， 2 0 2 0 、 2 0 3 0年将 分 别 达 到 4 5 ． 0 3亿 t 、 4 5 ． 3 4亿 t 。伴随着煤炭行业的高速发展 ， 煤矿开采深度 以 2 0 m ／ a的速度递 增 ， 瓦斯 压力 、 瓦斯 含 量不 断 增 大 ， 瓦斯 灾 害 已经 成为 制 约矿井 安全 可持续 发 展 的主要 瓶 颈 。 平顶 山矿 区是 全 国 1 3个 大 型煤 炭 基 地 、 4 5个 安 全 重 点 监 控 矿 区 之 一 ， 主 要 开 采 煤 层 有 一 庚 。 煤 层 、 二 ． [ 1 - 2 ] 己。 煤 层 、 二 己， 煤 层 、 四 1 - 2 3 戊 煤 层 、 四。 戊 煤层 、 五 剖 丁 煤 层 。 目前 ， 矿 区主 力 生 产 矿 井 均 已进 入 深 部 开 采 ， 最大 开采 深度 达 1 1 0 0 m 及 以上 ， 生 产 区域煤 层 最 大 瓦斯 含 量 达 3 0 ． 0 m ／ t ， 最 大 瓦 斯 压 力 达 6 ． 6 0 MP a ， 特别是矿 区东部 的八 矿、 十矿、 十二矿 、 十 三 矿 、 平 宝公 司 ， 瓦斯 压力 与地 应 力 相 互耦 合 ， 严 重 威 胁 着煤 矿 的安 全生 产 。 根据 实 际 测 定 结果 ， 平顶 山 矿 区丁 、 戊 、 己 3组 煤 层 透 气 性 系 数 在 0 ． 0 0 0 1～ 0 ． 0 2 2 8 mD 毫 达西 之 间 ， 属 于低 透 气性 难 以抽采 煤层 ； 在 目前技术条件下 ， 开采层实际钻孔抽采量仅 为 0 ． 0 0 4 0 ． 0 1 6 m ／ mi n h m ， 制约 了开 采层 预 抽 收稿 日期 2 0 1 31 23 1 作者简介 薛建蜂 1 9 7 6 一 ， 男 ， 河 南宝丰 人， 助理工 程师 ， 2 0 1 0年 毕业于河南理工大学 ， 现从事防突抽放管理工作。 6 0 效 果 的进 一 步提 高 。 相关研究表 明， 封孔质量差是影 响抽采效率低 的主要 原 因之一 ， 抽 放 系统 中有 8 0 ％ 以上 的 空气 是 通过钻孔吸入的。如果提高 了封孔质量 ， 钻孑 L 空气 的吸人量减少 1 ／ 2～1 ／ 3 ， 钻孔瓦斯抽采量可能增加 1 ． 5～ 2 ． 0倍 ， 因此 ， 封 孔工 艺 材 料 改进 、 封 孑 L 参数 的优化 对于 提高 抽 采效 果 、 解 放 突 出煤 层 生产 能力 有重要的意义。本文结合平煤集 团从英国引进的返 渣 封孔 技术 ， 针对 我 国松 软 煤层 穿 层 钻 孔 的应 用 开 展了相关研究。 1 穿层钻孔封孔技术现状 理论研 究 表 明 本煤层 钻 孔受采 动影 响 ， 封 孔段 周围裂隙发育 ， 9 0 ％钻孔存在漏气现象， 瓦斯抽采浓 度 偏 低 ； 而 穿层 钻孔 封 孔 段 位 于透 气 性 远 小 于 煤层 的岩层中， 岩石结构致密稳定 ， 漏气通道较少 ， 瓦斯 抽采浓度较高 。然而在煤层中实施 的穿层钻孔 ， 封 孔抽采瓦斯 时浓度却维 持在 5 ％ ～1 0 ％ ， 部分 钻孑 L 浓度甚至低于 1 ％， 难以满足瓦斯高效抽采要求。 当前 国 内较为成 熟 的封孔 方法 主要 有封 孔器 封 孔、 水泥类无机材料封孔、 聚氨酯类有机材料封孔 、 膏体 材料 封孔 等 。封孔器 封孔 成本 较 高 ， 尤其 高 应力区域钻孔易发生运移变形 ， 封孑 L 器难以回收 ； 水 泥 类无 机材 料在凝 固过 程 易 发 生脱 水 收缩 、 开 裂 现 象 ， 难 以 保 证 钻 孔 的 封 堵 效 果 ， 瓦 斯 浓 度 衰 减 较 快 ； 聚氨酯类封孔材料成本高 、 施工难度大 、 安全 性差 高分子材料具有毒性 ， 由于材料反应时间限 制 ， 封孔长度往往达不到要求 ， 易造成漏气 。 2 0 1 4年第 6期 薛建峰 穿层钻孔返渣封孔技术研究与应用 总第 2 2 2期 国外煤矿先后使用环形项 圈、 橡胶充填物 、 聚氨 酯、 水泥等作为封孔材料 ， 一般通过焊接和螺纹形式 进行 固定 ， 德 国和法 国通常使用经过特殊设计 的强 力 胶 皮套 来封 孔 ， 这 些 材 料 多 为 煤 矿 自行 设 计 和制 作 。该方法存在以下问题 ①封孔材料消耗大 ； ②顶 板岩层移动影 响脆性水 泥的密封性能 ； ③强力固定 的套管易被岩层移动损坏 ； ④顶板裂隙造成水泥不 易保 持 。 本 文 研 究 的返 渣 封 孑 L 技 术 在 英 国 煤 矿 应 用 广 泛 ， 该技术通过使用穿孔橡胶垫片或包 裹有 防蚀胶 带的螺纹环来封闭孑 L 口， 再通过返流岩屑进行 二次 封孑 L ， 达到了较好 的封孔效果 ， 具有封孑 L 工艺简单 、 封 孔 成本 低 、 瓦斯 浓度 衰 减慢 等优 点 。 2 穿层钻孔 返渣 封孔原理及要 求 2 ． 1基本 原理 穿层 钻 孔 施 工 过 程 中 ， 煤层 或 上 覆 岩 层 被钻 进 破 碎后 ， 会 形 成各 种含 水 的碎 石 、 岩屑 或它 们 的混合 物 ， 在水流和斜向重力的共 同作用下 ， 以各种速度沿 钻 孔 内壁 斜 面产 生类 似 流动 的连续 运 动 。当含 水量 达 8 0 ％时 ， 可通过工艺 改进使返流岩 屑逐 步积聚 、 脱 水 、 黏化 ， 渐 渐 二 次 固结 ， 最 终形 成 坚 固 的封 孔 材 料 图 1 。 图 l 穿层 钻孔返渣封孔技术原理 动 2 ． 2 封孔 要 求 为实 现 返 渣 封 孔 ， 钻孔 参数 设 计 与 施 工需 要 满 足 以下条 件 。 1 钻 孔在 布 置方 式选 择 、 参数 设 计 时 ， 需 考 虑 围岩地质条件、 应力分布 、 巷道 钻孔 空间布局等 因素 ， 不出现与外界裂隙导通的情况 。 2 钻 孔 角度 在 3 5 。～ 7 5 。 之 间 ， 确 保 二 次 施 工 的返渣 岩 屑能 最大 效率 地 回填所 密 封 区域 。 3 钻 孔第 1 段 长度 密 封套 管 总 长度 要 满 足 密 封要 求 ， 既要 确保 密封 管穿过 裂 隙发育 区域 ， 又要 确保返渣量满足密封要求。第 2段钻孔长度由密封 所需 的返渣岩屑量决定 ， 确保达到密封 区域完全 回 填密封的要求， 还需兼顾现场的打钻施工要求。 4 一次 钻进 钻头 直 径 、 二 次钻 头 直 径 、 密封 套 管 内 外 直 径需满 足 的关 系 套 管 外径 小 于 一 次钻 头 直径 2 2～ 4 0 mm ， 以达 到一 定 厚度 的岩 屑 密 封 区域 ； 二 次钻 头 直 径小 于 套 管 内径 71 0 m m ， 以 确保 二 次钻 头穿 过密封 管且 不磨 损 。 5 管材 质选 择 P V C， 密 封套管 厚度 需达 到 4～ 5 m m， 既满足强度要求 ， 又满足阻燃抗静电要求 ； 每 根 P V C管长 度 由钻机 行程 决定 ， 以达 到不 移 钻机 就 能 同心 安装 的 目的 。 6 孔 口密 封 管 末 端 位 置 需 进 行 人 工 封堵 ， 实 现封 堵 返渣 岩屑 和钻 进 过 程 中 固定套 管 的功 能 ， 材 料可以为矿脂 防水胶带 D e n s o型 ， 也 可以是摩擦力 较大 和缠 绕效 果好 的毛绒 布料 。 3 合理 的封孔深 度及 负压选择 3 ． 1封 孔深 度 不同的煤层透气性 、 赋存条件 、 围岩性质、 地质 构造等因素 ， 决定了瓦斯原始含量大小和抽采难度。 已有 的 瓦斯参 数鉴 定报 告是 进行 抽采初 期 设计 和现 场施 工 的主要 依 据 ， 在理 论 分 析 和 现 状 评估 相 结 合 的基础上 ， 可以系统地研究底抽巷穿层钻孔返渣封 孔应 用 的方案 。对 已揭 露抽 采 区域 的数据分 析 和经 验整 理 ， 可真 正指 导矿井 抽 采系统 的改进 ， 特别是 对 类似 抽采 区域 和邻 近工 作面 的瓦 斯抽采 量 预测有 较 好 的指导 意义 。 封孔 长度取决于封孔段 岩性及其裂 隙发育， 岩 石硬 而无 裂 隙时 可 以缩 短 封 孔 长度 ， 但 必须 大 于 巷 道周 围 塑性破 坏 区 。 通 常 注 浆 封 孔 长 度 不 小 于 1 2 m， 新 型返 渣 封孔工 艺 封孔长 度不 小 于 1 0 m。 3 ． 2 负压 选择 根据 底 抽 巷 返渣 封 孑 L 钻 孔 的布 置方 式 、 钻 孔参 数 、 上 覆 岩层赋 存 情况 、 目标 煤 层 瓦斯 参 数 瓦 斯 含 量和 瓦斯 压力 、 现 场 钻 孔施 工 质 量 ， 在保 证 抽 采 纯 量不 变 的前 提 下 ， 抽 采浓 度 实 现 3 0 ％ 以上 的单 孔抽 采负压为 6 k P a ， 并根据具体情况进行动态调整。 在抽采实践中， 不 同的钻孔类型、 设计参数 、 围 岩赋存条件、 施工质量、 封孔工艺等都是钻孔选择抽 采 负 压需要 考 虑 的 因素 ， 并 且 要 根据 具 体 情 况 和抽 采 阶段而 系统 地进行 动 态调整 。 61 2 0 1 4年第 6 期 中州煤炭 总第2 2 2 期 从 图 2中的 流量 衰 减 规律 看 出， 根 据钻 孔 流 量 变化 曲线 要及 时调 整 相 应 的抽 采 负压 ， 流量 衰 减 规 律主要与钻孔抽采半径有关 ， 具体 由矿井 的实际抽 采条件决定。图2中第 1阶段刚形成钻孑 L ， 开始有 积水和瓦斯涌 出； 第 2阶段积水排完 ， 瓦斯涌出量较 大 ； 第 3阶段 瓦斯 涌 出逐 渐减 少 、 缓 慢 涌 出。 咖『 丑 烘 时间 图 2钻 孔流量 衰减 曲线 在钻孔参数、 施工质量、 封孔效果已确定的情况 下 ， 不同的抽采阶段必须有相应的抽采负压与之匹 配 和调 节 ， 否 则 同样会 造成钻 孔抽 采效 果不佳 。 4 返渣 封孔技术的现 场应 用 4 ． 1试 验地 点 平 煤股 份八 矿是 我 国 自行设 计和施 工 的第一 座 特大型矿井 ， 设计生产能力 3 0 0万 t ／ a ， 1 9 9 7年被重 庆煤科院鉴定为严重煤与瓦斯突出危险矿井。二水 平 己 煤层为突 出危 险煤层 ， 经测定最大瓦斯含量 1 6 ． 6 9 m ／ t ， 最大 瓦斯压 力 1 ． 8 9 MP a ， 煤 体 坚 固性 系 数 ， ≥0 ． 4 5 。 返 渣 封 孔 试 验 地 点选 在 己 1 4 1 4 0胶 带运输巷底抽巷 ， 钻孔位 于己 1 4 1 4 0胶带 运输巷 底抽巷 口往里 5 9 5 m处 图 3 ， 选用 Z D Y． 1 2 0 0 S型 钻 机 打钻 。 图 3 己。 - 1 4 1 4 0工作面平面布置示意 4 ． 2参数 设 计 钻孔 间距 5 m， 角 度 5 5 。 ， 总长 度设 计 为 4 0～ 4 5 m 根据 现 场施 工 情 况 而 定 ， 一 次 钻 进 钻 头直 径 为 1 1 3 m m， 二 次钻 进 钻 头 直径 为 5 6 m m， 钻 杆 直 径 5 0 m m。套管外部直径 7 5 mm 内径 6 6 m m ， 套管总长 度 1 2 m 2 m ／ 根 ， 材质 为 P V C 。人工 封堵 材料 为矿 脂 防水胶 带 D e n s o型 。 4 ． 3工艺步 骤 1 将钻机调 整到与地 面呈 5 5 。 ， 然后用 2 j 7 5 m m 钻头 进行 钻孔 ， 钻进 距离 1 3 m。 2 用 2 j 1 1 3 m m钻 头将 之 前所 钻 1 3 m 的 7 5 mm钻孔 进行 扩孔 。 3 扩孔 完成 后将外 径 7 5 mm P V C套 管逐 根塞 入 【 2 j 1 1 3 m m 钻 孑 L ， 每 根 2 m， 每 根套 管之 间用 P V C 专用胶进行连接 ， 总共塞入 6根。 4 在套 管 末 端 缠 绕 防水 胶 带 ， 分 别 距 离 封 孑 L ．6 2 管 口2 m和 1 m处 ， 缠绕长度大概 2 5～3 0 c m， 中间 鼓 起 ， 两 端变 缓 ， 最厚处 约 1 1 6 m m， 靠 近孑 L 口处在 套 管 上粘 有挡 片 防止胶 带滑 落 。 5 胶带 缠绕 完成后 ， 将 套 管继 续 进行 推 进 需 借助钻机或者导链之力 ， 直至钻孔 口外有 2 03 0 c m套管余量为止， 孔 口处用木楔固定套管。 6 用 5 6 m m 钻 头 继 续 进 行 二 次钻 进 ， 钻 进 距 离 大概在 2 7～3 2 m 穿过 己 煤层 后继 续钻 进 ， 进 人煤层顶板 1 m， 同时观察套 管外 壁水 流情况是否 逐渐变小 ， 若施工完毕封孑 L 管外壁水流仍然一直呈 线 状 ， 则封孔 失 败 。 7 缓慢 退 出 5 6 m m 钻 杆 和 钻 头 ， 钻 孑 L 施 工 完 毕 。 4 ． 4封孔效 果分 析 1 、 2 、 3 穿层 钻孔 采 用返 渣 封孔 技 术 进行 封 孔 后 ， 联 网抽 采 瓦斯 ， 连 续 观测封 孔后 瓦斯抽 采浓 度变 2 0 1 4年第 6期 薛建峰 穿层钻孔返渣封孔技术研究与应用 总第 2 2 2期 化 ， 结果 如 图 4所 示 。 日 期 图 4瓦斯抽采浓度变化 2 0 1 3 1 I l 7 由图 4可得 ① 封 孔后 初始 瓦斯 浓度 均 高于 5 0 ％ ， 一 段 时 间 后 岩 屑 “ 二 次 固结 ” 完 全 完 成 ， 钻 孔 浓度上升至 8 5 ％以上； ②钻孔瓦斯抽采浓度衰减较 慢 ， 在 1 3 k P a负压条 件 下连续 抽采 1 0 0 d后 ， 钻孔 浓 度全部维持在 3 5 ％以上 ， 效果明显 ； ③密封效果好， 1 、 2 、 3 钻孔瓦斯浓度最高值均在 8 9 ％ ～ 9 9 ％。试 验结果表明 ， 返渣封孔技术在平顶山矿区松软煤层 应用效果较好 ， 封孔后 瓦斯抽采浓度明显高于常规 封孔 方法 。 4 ． 5 常规 封 孔与返 渣封 孔 比较 返 渣封 孔 与 常规 封 孔 具 有较 大差 异 ， 本 文 结 合 该技术在平顶 山天安煤业股份有限公司八矿应用情 况 ， 与常规封孔方法在工艺、 耗时 、 用料及成本、 优点 等方 面进行 了 比较 ， 结 果 见表 1 。 表 1 常规封 孔与返渣封孔 比较 5 结 论 穿层钻孔返渣封孔技术 E艺简单 、 成本低廉 ， 对 松 软煤 层 穿层 瓦斯 抽 采具 有 良好 的适应 性 。封孔 过 程 中 ， 含水 的碎 石 、 岩 屑 或它 们 的混 合 物 逐 步 积 聚 、 脱 水 、 黏化 ； 一 段 时间 后在 钻 孔 内 完成 “ 二 次 固结 ” ， 形成坚 固的封孔 材料 ， 瓦斯 抽采浓度 进一步 提高。 平煤 股份 八 矿 己I r1 4 1 4 0胶 带 运 输 巷底 抽 巷 试 验 表 明 采用 穿层 钻 孔返 渣封 孔技 术后 ， 每孔 封孔成 本 减 少 5 0 ％左 右 ， 在 1 3 k P a负压 条 件 下 连 续 抽 采 1 0 0 d 后 ， 钻孔浓度全 部维持在 3 5 ％ 以上， 有效提高 了穿 层 钻孔 封孔 效果 。 参 考文 献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 范维澄 能源化 工行业安 全形式 分析 与关键 技术 [ M J 合 肥 [ 1 1 ] 中国科技 大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 谢 和平 ． 我 国煤 炭安 全 、 高 效 、 绿 色开 采技 术 与 战略 [ R] ． j b 京 中国工程 院， 2 0 1 2 ． 林柏泉． 矿井瓦斯 防治理论 与技术 [ M] ． 徐州 中 国矿 业大学 出版社 ， 2 0 1 0 ． 刘三钧 ， 林柏泉 ， 郝志勇 ， 等． 钻孔密封机理及新 型煤层瓦斯压 力测定技术研究[ J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 0 9， 3 5 1 0 9 6 - 9 9 ． 尹志宏 ． 低级 无烟 煤综 放工作 面煤 层注 水基础 研究 [ D] ． 太 原 太原理工大学 ， 2 0 0 6 ． 韩剑． 岩巷下向孔瓦斯压力直接测定法 的改进及应用 [ J ] ． 煤 ， 2 0 1 0， 1 9 1 2 1 9 - 2 1 ． 苏培莉． 裂隙煤岩 体注浆加 固渗流机理及其应 用研究 [ D] ． 西 安 西安科 技大学 ， 2 0 1 0 ． 李飞 ， 林柏 泉， 翟成， 等． 新型水力压 裂钻孔密封材料 的试 验研 究[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 2， 4 3 1 1 1 1 4 ． 高振勇 ， 张志刚 ， 尹斌． 提 高聚氨酯封 孔质量 的研 究 [ J ] ． 矿 业 安全与环保 ， 2 0 0 9 ， 3 6 增刊 3 7 - 4 1 ． 林柏泉 ， 周世宁 ， 张仁 贵． 煤巷卸 压带及其 在煤和 瓦斯突 出危 险性 预测 中的应用 [ J ] ． 中 国矿业大学 学报 ， 1 9 9 3 ， 2 2 4 4 4 ． 5 2． 沈春明 ， 林柏泉 ， 杨威 ， 等． 巷道围岩应力 变化规律及其对封孔 质量的影 响作用 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 1 ， 2 0 6 6 7 - 6 9 ． 责任编辑 刘光雨 6 3