李雅庄煤矿本煤层抽采钻孔封孔技术研究.pdf

2 0 1 6年第 5 期 总第 1 2 8期 缸 漾 ． 毫 ； 钍 E N E R G Y A N D E N E R G Y C O N S E R V A T l O N 2 0 1 6年 5月 李雅庄煤矿本煤层抽采钻孔封孔技术研究 赵晓东 ，吕晓波 1 ．霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西 临汾 0 4 1 0 0 0 ；2 ．煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 0 摘要 简述李雅庄煤矿本煤层抽采孔抽采现状，分析钻孔抽采瓦斯效果的影响因素，指出在设计钻孔抽采瓦斯参数 时 ，以合理确 定封孔材料 和抽 采管径最为重要 ，提 出了本煤层 瓦斯抽采钻孔封孔材料和抽采 管径 的优化 方法。现 场应 用 效果表明，该方法对于指导钻孔抽放参数设计具有广泛的应用价值。 关键词 瓦斯抽采；抽采管径；抽采效果 中图分类号 T D 7 1 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 6 0 5 0 1 2 0 - 0 2 S t u d y o n t h e Ho l e S e a l i n g Te c h n o l o g y Us e d i n Co a l S e a m Ex t r a c t i o n Ho l e s i n Li y a z h u a n g Co a l M i ne Z HA0 Xi a o d o n g ’ ． L YU Xi a o b o 1 ． L iy a z h u a n g Co a l Mi n e ， Hu o z h o u Co a l El e c t r i c it y Gr o u p ， L i n f e n 0 4 1 0 0 0 ， Sh a n x i ， Ch i n a ； 2 ． CCTEG Sh e n g y a n g Re s e ar c h I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 0 ， L ia o n i n g ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r b ri e fl y i n t r o d u c e d t h e p r e s e n t s i t u a t i o n o f e x h a u s t i n g a n d mi n i n g o f c o a l s e a m e x t r a c t i o n h o l e s i n L i y a z h u a n g Co a l Mi n e ， a n d a n a l y z e d t h e i n fl u e n c e f a c t o r s o f t h e g a s e x t r a c t i o n e f f e c t b y u s i n g b o r e h o l e mi n i n g ， p o i n t e d o u t t h a t t h e mo s t i mp o r t a n t t h i n g i n t h e d e s i g n p r o c e s s o f d ri l l i n g g a s e x t r a c t i o n p a r a me t e r s i s t o r e a s o n a b l e l y d e t e r mi n e h o l e s e a l i n g ma t e ri a l s a n d e x t r a c t i o n p i p e d i a me t e r ， a n d p r o p o s e d h o l e s e a l i n g ma t e ri a l s a n d o p t i mi z a t i o n me t h o d o f e x t r a c t i o n p i p e d i a me t e r i n c o a l s e a m e x t r a c t i o n h o l e s ．F i e l d a p p l i c a t i o n e f f e c t s h o we d t h a t t h e me t h o d h a s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n v a l u e f o r g u i d i n g d r i l l i n g d r a i n a g e p a r a me t e r s d e s i g n ． Ke y wor ds g a s e x t r a c t i o n；p i p e di a me t e r ；e x t r a c t i o n e f f e c t O 引言 目前李雅庄煤矿井下本煤层预抽钻孑 L 使用 的抽采 管多为D N 5 0 的抽 采管 ，而井下 钻孔直径为 1 1 3 m m， D N 5 0 的抽采管实际应用中抽采量较小 ，达不到大量抽 采瓦斯 的目的，且 由于管壁外与钻孑 L 煤壁之 间空间较 大 ，使用的封孑 L 材料也较多 ，在裂隙比较发育李雅庄 矿6 0 9 1 巷 的局部巷道煤壁单孔粉煤灰注浆量超过3 袋 ， 正是基于提高瓦斯抽采流量和节约封孔材料成本的 目 的，在李雅庄煤矿开展了预抽抽采管径研究 ，分别对 两种抽采管径 D N 5 0 和D N 7 5 进行了考察实验。 l 本煤层钻孑 L 施工概况 巷道从2 0 1 3 年1 1 , q 3 日开始施工本煤层钻孔 ，水平 角垂直煤壁 ，倾角 5 。 ～ 1 1 。 施工 ，钻孔倾角随煤层倾角 变化而调整 ，水平角不变 ，每个钻孔深1 5 0 m，孑 L 间距 2 ． 5 m，从2 0 1 4 年1 月1 4日的1 1 2 钻孑 L 开始增加顶底板钻 孔 ，顶板钻孑 L 倾角上浮1 。 2 o ，低板钻孔倾角下浮1 。 ～ 2 。 ，本煤层及顶 、底板钻孔上下间距不低于0 ． 2 i n ，封 孔方式从传统的棉布裹聚氨酯封孔改为粉煤灰注浆封 孔。2 0 1 4 年6 月2 0日起停止施工底板孔 ，钻孔间距调为 1 ． 8 1T I ，隔排布置本煤层和顶板孔。两 台钻机同时双向 施工 ，目前l 钻机施工至2 8 1 顶孔 ，2 钻机从距离切巷 收稿 日期 2 0 1 6 0 2 0 2 第一作者简介 赵晓东，1 9 8 6 年生，男，山西怀仁人 ，2 0 1 3 年毕业 于太原理工大学安全工程专业，助理工程师。 - l 2 0 1 2 8 节风筒往回施工3 0 7 3 3 3 底孔 ，1 1 9 3 孔封孔管径 为D N 5 0 ，封孔材料为传统棉布裹聚氨酯 ；1 9 4 - 3 1 9 封 孔管径为D N 7 5 ，封孔材料为粉煤灰。 2 顺层钻孔抽采效果分析 2 ． 1 本顶底钻孔抽采效果分析 由于巷道部分施工了本、顶 、底三种孔 ，故对本 、 顶、底的抽采效果进行对 比分析 ，以此来判断整条巷 道钻孔不 同情况 的抽采效果 ，选 取了1 0 1 本 、1 3 3 本 、 1 4 5 本 、1 8 9 底 、1 9 3 顶 、1 9 4 底、1 9 6 本 、1 9 7 顶 、1 9 7 底 、 2 0 0 本 、2 0 0 顶 、2 0 0 底共计 1 2 个钻孔 。经过数据统计分 析得到不同类型钻孔抽采浓度与时间的变化关系如图1 所示 ● ▲ 7 l T 。 l - l - ‘k 删 J I t h 月 八 ’ J- - l 】 ， l J I 几一 l J I J ／ ． I ▲一． ， 眦 1 L f 讲 ． 1 n l 』 1 、 ＼． f I J I 、 ． J 『 J r l l L ‘ ■ ■ l 『 ． ， ’ 1lJ ， 一 一’ I - | r 厂Y 、／ ＼ ‘ ’ 一 V V 4 月 1 日 4 z31 1 日 4 月2 1 日 5 月 1 日 5 月 1 1 日 5 月2 1日 5 月 3 1日 6月1 0日 6 月2 0日 时间 本煤层孔顶板孔 底板 孔 图 1 6 0 9 1巷不同类型钻孔抽采浓度变趋势图 从 图1 中可 以看出 ，底板孑 L 的初期平 均浓 度 比较 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 如加 m 0 ＼ ．j √ i 苎 2 0 1 6年第 5期 赵晓东， 等 李雅庄煤矿本煤层抽采钻孔封孔技术研究 2 0 1 6 年 5 月 高 ，在7 0 ％以上 ，随后开始衰减 ，但抽采8 5 d 左右后 ， 最低平均浓度仍不低于4 0 ％；本煤层与顶板孔平均浓度 的变化趋势基本一致 ，初期平均浓度较低 ，约为3 0 ％左 右 ，然后随预抽时间的增长 ，平均浓度开始增大 ，抽 采8 5 d 左右后，最低平均浓度保持在5 0 ％以上。 考虑到不同类型钻孔 由于人 为施工因素影响 比较 大 ，因此对不同类型的钻孔观测初期抽采浓度和8 5 d 后 的抽采浓度进行统计 ，见表 1 ，并分析其变化趋势。 从表 1 中可以看 出无论是本煤层孔还是顶板孔底板孔 ， 都有接近5 0 ％的钻孑 L 抽采效果不理想或前期抽采浓度低 或衰减较快 ，从分析的钻孔来看 ，前期底板孔效果最 好，中长期顶板孔和本煤层孔效果好。 表1 6 0 9 1 巷部分钻孔观测初期和抽采2 个月后浓度统计表毫米 时间 1 0 1 太 1 3 3本 1 4 5本 1 9 6表 2 o o本 1 9 3顶 4月 2日 2 7 ．4 4 0 ． 2 6 8 ．6 5 ．2 1 6 ．0 3 3 ．0 6月 2 4日 3 0 ． O 8 7 - 2 8 8 ．4 5 1 ．6 7 7 ． 8 1 ．0 变化类型 ① ① ① ① ② ① 时间 1 9 7顶 2 0 0顶 1 8 9底 1 9 4底 1 9 7底 2 0 0底 4月 6 日 2 4 ． O 1 2 ． O 5 4 ．O 8 4 ．2 9 0 ． O 9 3 ．4 6月 2 4日 5 ． 2 6 7 ．4 9 0 ． 2 1 9 ．6 8 7 ． 4 5 0 ．0 变化类型 ① ② ① ③ ④ ④ 注 ①代表先上升后减小最终稳定； ②代表在增大和减小中波动； ③代 表突然下降失去抽采效果； ④代表缓慢减小 2 ． 2 抽采管径和封孔材料优化技术研究及效果分析 矿安全规程规定应进行瓦斯抽采 的矿井 ，要 按照 “ 大流量 、多抽泵 ，大管径 、多回路 ”的原则 ， 建立完善以地面永久抽采为主的矿井 瓦斯抽采系统 ， 实施瓦斯抽采。 理论研究表 明，钻孔抽采本煤层瓦斯属于径 向不 稳定流动 ，在瓦斯流动时间较长时，钻孔稳定 的瓦斯 流量基本与煤层原始 瓦斯压力和钻孔 内瓦斯压力平方 差成正比，与煤层透气性系数成正 比，与钻孔半径的 1 ／ 3 1 ／ 5 次方成正 比。根据煤层 瓦斯流动特性 ，当流动 为稳定流时，钻孔瓦斯径向流动的表达式为【 】 Q p , l n ， 1 式 1 中p 为钻孔瓦斯流量 ，m 3 ／ d ；M为煤层厚度 ，I n ； A 为煤层透气性系数 ，m Z ／ MP a 2 d ；p o 为煤层原始瓦斯 压力 ，MP a ；p I o 为钻孔内瓦斯压力 ，MP a ；P w 为标准大 气压力 ，取值0 ． 1 M P a ；R为钻孔抽采半径 ，m；r o 为钻 孔半径 ，m。 从上式中可 以看出当抽采孔径增大时，表达式为 O ／ O o l n R ／ r o ／ l n R ／ r ， 2 式 2 中，Q 。 为初始钻孔瓦斯流量 ；r 为增大后 的钻孑 L 半 径 ，i n 。 因此加大钻孔孔径能起到增加瓦斯抽采量的效果 ， 而抽采系统中在抽采负压能力一定时 ，管径 的增大相 当于增大瓦斯流体运移截面半径 ，因此可增大抽采 瓦 斯的流量 。正是基于这样的理论 ，采用大管径可增加 磋 抽采流量进而提高安全性 ，同时与国家安全规定一致。 基于大抽采管径可提高瓦斯抽采流量的理论 ，对 6 0 9 1 巷使用D N 5 0 抽采管和D N 7 5 抽采管 的钻孔进行 了技 术分析 ，对以下钻孔分三组统计分析 传统棉布裹聚 氨酯D N 5 0 抽采管封孔 2 0 和2 1 7 j 箱连接钻孔 、传统 棉布裹聚氨D N 7 5 抽采管封孔 2 2 和2 3 水箱连接钻 孔 、新型粉煤灰注浆材料D N 7 5 抽采管封孔 3 3 和3 4 水箱连接钻孔 ，水箱孑 L 板抽采浓度、抽采纯流量进行 对 比分析。 2 ． 2 ． 1 瓦斯抽采浓度对比 由于井下单孔浓度汇流到水箱后或支管路系统内浓 度并不是简单平均 ，因此拟以钻孔浓度汇流后的水箱浓 度进行分析，不同水箱孔板浓度数据变化如图2 所示 。 2 1 日 5 月1 1 日 5 月3 1日 6 月2 0日 7 月1 0日 时 间 _ ． - 2 0 ●． 一 -21 ■ 2 2 ． ． -2 3 ． ． 33 | ． ． - -3 4 图2 不同水箱孔板浓度对比图 由图2 中可以看出，抽采初期几组水箱孔板浓度从 高到低依次为2 2 、2 1 、2 3 、2 0 、3 、3 3 ，采用传统 封孔高于新型粉煤灰封孔钻孔、D N 7 5 管抽采浓度高于 D N 5 0 管抽采浓度；但中长期抽采浓度稳定后3 3 、3 4 吁L 板浓度高于其它水箱 ，以传统封孔的2 0和2 1 嘬 低 ，且 其余几组水箱浓度波动较大，高浓度抽采 区间较短。 2 ． 2 ． 2 抽 采 纯流 量对 比 由于各组水箱连接钻孔基本一致 ，且孔板一组孔 板连接9 个钻孔 ，因此分析管径抽采流量影响以水箱为 一 个单元进行对 比，对2 0 ％2 4 和3 4 3 5 水箱连接钻孔 抽采数据进行分析如图3 。 ．量 } 煺 - ‘ ～ 、，L～ I l 一 ．／ ’ I 一 一 l ，yI ＼、 ．，▲、▲J n _ ■ ■ ■ ； 二二 | | ；、- ■ 一 I f l一 一 1 n 口1 1 n 口⋯ ，口⋯ _口⋯ 时间 ◆一2 0 “■一21 ●一 2 2 2 3 -， 3 3 ●一 3 4 图 3 不同水箱抽采纯流量变化趋势图 ‘ 从图中可以看出 ，抽采一段时间稳定期内3 3 、3 4 水箱流量明显高于2 2 和2 3 水箱 ，而2 0和2 1 水箱抽采 纯流量最小 ，即采用新型注浆封孔材料D N 7 5 抽采管封 孔钻孔 的抽采流量高于采用传统棉布裹聚氨D N 7 5 抽 下转 1 2 3页 1 21． 如 加 m O 2 0 1 6年第 5 期 赵有才 浅谈煤矿顶板和锚杆支护管理方法 2 0 1 6年 5月 量 ，保持围岩稳定 ； c 1组合梁作用。若将平顶巷道层状顶板看作是 由 巷道两帮为支点的叠合梁 ，在荷载作用下 ，各层板梁 的上下缘 由于分别处于受压和受拉状态而单独弯 曲， 而使用锚杆将各组合板梁压紧形成组合梁后 ，提高 了 板梁抗弯强度和顶板岩层的承载能力； d 1加 固补强 围岩作用 。巷道周边岩石强度较小 ， 又处于二 向受力状态 ，很容易受到破坏从而丧失稳定 性 。采用锚杆支护支护后 ，使部分 围岩 内岩石处于三 向受力状态 ，增强 了围岩 自身强度和岩层弱面的抗剪 强度 ，维持围岩周边的稳定性 ； e 1 减小跨度作用。在煤矿巷道内设置锚杆，相当 于将原来 的拱分为两个或多个小拱 ，减小 了压力拱 的 跨度和高度。 3 加强顶板管理措施 a 1加强巷道顶板超前 临时支护 ，严禁人员在空顶 下作业 ，在锚杆支护打锚杆前必须打上2 根 ～3 根单体 液压支柱 ； b 1严格管理和监测锚杆 、锚 固剂等产品及配套部 件 的材料质量 ，锚杆及配套部件要有 出厂合格证 ，并 根据要求送质量监督检测 中心检测 ，严禁使用不合格 产品，防止因支护材料材质不合格导致顶板事故发生； c 1在煤巷锚杆支护施工前 ，必须制定严格 的爆破 图表 ，确定合理的爆破参数 ，严格根据爆破图标看线 、 定点 、划轮廓线 、量尺 、定眼位 ，确保打眼质量及装 药量符合要求； d 1制定适宜的顶板支护施工技术方案和巷道 口预 留方案 ，合理选用锚杆材料和锚杆支护参数 ，保证锚 杆直径、锚孔直径与树脂药卷合理匹配 ，施工 中要 明 确各项操作规范 ，尽量选用稳定岩层作为施工巷道顶 板 ，始终保障支护层的核心承载力和支护模块间具有 较大、较平整的接触面积囹 ； e 】 采取科学的锚杆施工及安装工艺 ，放炮后要及 时采用前探梁控制顶板 ，并进行人工刷帮 ，减少围岩 应力集中 ，永久支护所打设锚杆位置不能受 临时支护 锚杆位置影响 ，紧固锚杆必须使用专用套筒扳手； D在施工班组 内挑选具有施工经验 、责任心强的 员工担任迎头锚杆打眼及安装工作 ，确保锚杆安装质 量及施工质量 ，严格管控锚杆孔深 、锚杆角度、外露长 度、锚固剂数量 、预紧力和锚 固力等施工参数 ，且锚杆 安装前必须清理干净眼孔内的积水、煤 岩粉渣 ； g 大力普及新工艺 、新技术及锚杆钻装机等新型 设备 ，对大断面掘进巷道的顶板支护可以采用连续的 掘进技术 ，提升顶板支护成巷速度。对大断面 、三角 点 、四角点有淋水的泥岩顶板及压力明显 大的区域可 采取缩小锚杆、锚索的间排距等有效措施加强支护； h 1建立和完善多层次的质量验收制度 ，尽可能采 用专用锚杆监测技术和仪器加强对锚杆支护质量进行 监测 ，有条件 的可在大断面巷道 中央设置顶板离层 自 动监测报警 系统 ，及时、准确掌握锚杆工作状态和顶 板变形情况 ，及时处理锚 固力不足、锚杆 断裂或失效 等情况 ，确保巷道支护安全； i当煤矿企业遇检修停产及节假 日 停产时，工作 面压力前移作用在工作面迎面围岩上 ，使掘进工作面 前方煤 岩被压疏 ，恢复生产时 ，造成 掘进头几个 循环工作面围岩易脱落 ，因此 ，施工时应采用短掘短 支的施工方法 ，即施工前5 m 采取小循环进尺方式，确 保顶板安全。 4 结语 随着矿井巷道掘进深度不断延深 ，煤矿企业生产 压力不断加大，顶板事故时有发生，各矿区更要深入 研究和掌握煤巷锚杆支护作用机理，掌握巷道顶板变 化规律 ，采用合理的巷道支护技术和参数 ，有效控制 围岩变形 、位移和裂隙发展 ，增强围岩承载力 ，变被 动支护为主动支护，改善操作人员劳动环境，建立起 完善 的锚杆监 测系统 ，加强锚杆支护施工现场管理 ， 保障巷道安全掘进施工。 参考文献 [ 1 ] 程功林， 汪佑武． 煤矿开采技术[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版 社 ． 2 0 1 0 ． [ 2 ] 赵德芳． 探析煤矿井下巷道掘进顶板支护[ J ] ． 技术与市场， 2 0 1 3 ， 2 0 1 2 7 2 - 7 4 ； [ 3 ] 何满潮． 中国煤矿软岩巷道 工程 支护设 计与施工指南[ M] ． 北 京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 责任编辑 季鑫 ●0●o●0● ●o●o●o●0●0● ， ●o●o●o●o●0●o●o●◇●0●o●0●0●0●0●◇●● o●0●◇●o●0●● ● o●●●●●●●● ● ● ●● ●0● 上接 1 2 1页 采管封孔钻孔的抽采流量 平均2 倍一 3 倍 ，也高于采 用传统棉布裹聚氨酯D N 5 0 抽采管封孔钻孔 的抽采流量 平均 1 0 倍～ 2 7 倍 ；虽然抽采初期2 2 和2 3 水箱抽采纯 流量较大， 但随预抽时间推移抽采流量衰减速度加快， 另一方面也证明了传统封孔工艺抽采瓦斯流量 由于封 孔工艺质量低衰减较快 。 3 结语 根据采用D N 7 5 抽采管现场试验结果表 明，采用 大 管径 瓦斯 抽采 ，瓦斯 抽采 单孔 浓度和流量 比原来 的 D N 5 0 抽采管高 ，单孔平均后才浓度从 1 5 ％提高到5 5 ％， 单组水箱钻孔瓦斯抽采纯流量从0 ．0 1 0 6 m 3 ／ mi n 一 0 ． 0 1 6 8 m3 ／ m i n 提高到 了0 ． 1 9 6 6 m 3 ／ m i n 一 0 ． 3 2 6 6 m 3 ／ mi n ，且新 型封 L D N 7 5 抽采管封孔钻孔连接水箱汇流浓度高浓度 区间较长 ，但传统封孔方式浓度流量衰减较快 ，应推 广使用新型粉煤灰注浆封孔 ，保证钻孔高效预抽时间。 参考文献 ’ [ 1 ] 余长林． 提高低透气性煤层钻孔抽放瓦斯量的途径[ J ] ． 煤矿 安全 ． 1 9 9 9 5 3 5 - 3 6 ． 责任编辑季鑫 1 2 3