煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术研究.pdf

★ 煤矿安全 ★ 煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术研究 李义敬 杨 磊 胡胜 勇 周福 宝 。 周二元 1 ．中国矿业大学安全_ T - 程学院，江苏省徐 州市，2 2 1 0 0 8 ； 2 ．淮 北矿 业集 团芦岭 煤矿 ，安徽 省 宿 州市 ，2 3 4 0 0 0 摘 要 确 定 了芦岭 煤矿 Ⅱ8 1 7工作 面煤层 预抽 钻孔 的 合理 封孔 深 度 ，揭 示 了煤层 钻 孔 长距 离压 气带压注浆封孔的作 用原理，提 出了煤层钻孔长距 离压气带压注浆封孔技术及工 艺。研究表明，在 突出煤层采取长距 离压气带压注浆封孔技术 ，增加 了封孔深度 ，采用注浆 泵利用风力作用将封孔剂送入钻孔 内密闭腔室，封孔剂膨胀时，其带压效应增加 了封孔剂与 孔壁的粘合度 ，并可渗入孔壁周围裂隙，阻隔外界 空气的进入，显著减少孔内的漏风量。与 原 工 艺相 比 ，采 用该技 术后 ，瓦斯抽 采 浓 度提 高 3 0 以上且 维持 高浓 度 时 间较 长 ， 瓦斯抽 采 浓度 衰减 幅度 小 ，显 著提 高 了抽 采 效果 。 关键 词 煤层 钻孔 瓦斯抽 采长距 离封孔压 气 注浆 带压 效应 中图分 类号T D7 1 2 ． 6 文献标 识码A Te c h no l o g y r e s e a r c h o n l o ng - d i s t a n c e c o mp r e s s i n g 。 a i r g r o u t i ng s e a l i ng o f dr i l l i ng h o l e i n c o a l s e a m Li Yi j i n g ，Ya n g Le i ，Hu S h e n g y o n g ，Z h o u F u b a o ，Z h o u Er y u a n 。 1 ．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 Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ，X u z h o u ， J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ； 2 ．L u l i n g C o a l Mi n e ，Hu a i b e i Mi n i n g Gr o u p ， S u z h o u ，A n h u i 2 3 4 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e r e a s o n a b l e s e a l i n g l e n g t h o f p r e d r a i n a g e h o l e i n I I 8 1 7 mi n i n g f a c e i n Lu l i n g Co a l M i n e i s de t e r m i ne d， a n d t he f u nc t i on pr i n c i p l e o f l o n g d i s t a n c e c o m p r e s s i n g a i r g r ou t i n g s e a l i n g of d r i l l i ng ho l e i n c o a l s e a m i s r e v e a l e d，a n d t he n t he s e a l i ng t e c hni qu e a n d pr o c e s s a r e pr o po s e d．St u di e s s how t ha t ，a d o pt i ng l o ng d i s t a n c e c o m pr e s s i ng a i r gr o ut i ng s e al i ng t e c hn ol o g y i n o ut b ur s t c o a l s e a m c a n i n c r e a s e t h e s e a l i ng d e p t h；u s i n g g r o u t i ng pump t o s e nd t he s e a l i ng a ge nt i nt o c l o s e d c a b i n by wi n d a c t i o n a nd whe n i t e x pa nd s，t he a d he s i o n be t we e n i t a n d t he ho l e wa l 1 wi l l i n c r e a s e d ue t o i t s pr e s s u r i z e d e f f e c t a nd i t c a n p e n e t r a t e t he c r a c ks a r ou nd t he ho l e wa l 1 t o b l oc k t he o ut s i d e a i r t o e n t e r ， wh i c h s i g ni f i c a n t l y r e d uc e s t h e a m o un t o f a i r l e a k a g e i n t he h o l e ．Co mp a r e d wi t h t h e o r i g i n a l p r o c e s s ，wh e n i mp l e me n t i n g t h e l o n g d i s t a n c e s e a l i n g t e e h n o l o gy of d r i l l i ng ho l e i n s e a m ，t he e x t r a c t e d g a s c o nc e nt r a t i o n i nc r e a s e s by 3 0 a n d i t c a n m a i nt a i n a t a h i gh l e ve l f or a l o ng t i m e；t he a t t e n ua t i ng r a ng e o f e x t r a c t e d g a s c o nc e nt r a t i o n i s s m a l l ，a n d t he e x t r a c t i n g e f f e c t i s s i g ni f i c a n t l y i m p r ov e d． Ke y wo r d s dr i l l i n g ho l e i n c o a l s e a m ，ga s e x t r a c t i o n，l o ng d i s t a n c e s e a l i ng，c o m p r e s s i n g a i r gr o ut i ng，pr e s s u r i z e d e f f e c t 如何治理瓦斯是煤矿安全生产 的头等大事 ，我 *基金 项 目国家 自然科 学基金 5 1 1 7 4 1 9 9 ；江 苏省 3 3 3人 才 计 划 B R A2 0 1 0 1 3 4 ；江 苏 省 自 然 科 学 基 金 S BK2 O 1 O 2 1 6 4 8 ； 江 苏 省 研 究 生 创 新 计 划 CXZ Z1 1 03 1 4 煤层钻孔长距 离压气带压注浆封孔技术研究 * 国 目前治理瓦斯的根本性措施之一是井下负压 抽 采 。国 内外 现有 的顺 层 钻 孔 封孔 技 术 有 黄 泥封 孔 、 水 泥砂 浆封孔 、聚氨酯 封孔 、封孔 袋封 孑 L 、封孔器 封孔等 。其中水泥砂浆封孑 L 技术和聚氨酯封孔技术 应用较多，但水泥砂浆封孔技术不适合平缓孔 ，所 1 O 5 以聚氨酯 封孔 技术应 用较 为广泛 ，而聚氨 酯封孔 的 深 度 不 深 ，一般 很 难 超 过 8 m 就 发 泡 凝 固 了。本 文介 绍一 种新 型 的顺 层钻 孔封孔 技术 ，利 用风力 作 用将 封孔剂 送人 钻孔 内 ，实现 了长距 离带压 快速 封 孔，提高了封孔效率以及抽采效果。 1 试 验 工作面 情况 芦岭煤 矿 为双突矿 井 ，建井 以来 瓦斯 问题始 终 制约 着矿井 安全 生产 ，先后 发生 大小有 记 录的煤 与 瓦斯 突出或 动力 现象 2 6次 ，2 0 0 0年 以来 发生 突 出 的频率和强度不断增大，其中 2 0 0 2年 4月 7日发 生在 Ⅱ一采区 Ⅱ8 1 8 3 煤 眼斜石门的煤与瓦斯突 出极 其 强 烈 ，共 突 出 煤 量 1 0 5 0 0 t ，喷 出 瓦 斯 量 1 2 3万 m。 。试验 地点 Ⅱ8 1 7工作 面煤 层变 化大 ， 8 煤层 厚 3 ． 0 ～ 1 1 ． 0 IT I ，平 均 厚 度 7 ． 7 2 I T I 。煤 层 倾角 1 5 ～2 5 。 ，平 均 1 9 。 。煤层顶底板多为泥岩 一 砂岩。实测 8 煤层瓦斯压力 为 2 ． 8 MP a 一5 4 3 m ，9 煤层 瓦 斯压力 为 1 ． 3 MP a 一5 1 2 m 。上 区段 Ⅱ8 1 5工作面 回采标高平均 一3 4 0 m煤 层 瓦斯含量高，煤体松软破碎 ，呈粉末状 。在 I I 8 1 5 机巷掘进期间也曾发生两起煤壁整体外移的动力现 象 。同区段右翼 Ⅱ8 1 8 工作面瓦斯压力 2 ． 6 MP a 。 2 煤 层钻 孔长 距离压 气带 压注 浆封 孔技术 原理 由于构 造运 动 的作用 。煤层 内存 在大 量 的原 生 裂隙 ，预抽煤层瓦斯后 ，裂隙发育程度更高。机巷 和风巷开挖对煤体产生的采动影响 ，也促进 了煤体 裂隙 的发 育 。同时 ，在钻 机打钻 的过 程 中 ，加剧 了 煤体的破坏程度，使得裂隙贯穿煤帮和钻孔 ，如果 封孑 L 不严实或者封孔段很短未超过裂隙圈，在负压 抽采 状态 下 ，空气 由煤 帮和钻孔 周边 进入 孔 内 ，将 导致瓦斯抽采浓度短期 内下 降到 3 0 ％以下。因此 抽采 效果 取 决 于 封 孔 长度 和封 孑 L 质 量 两 个 关 键 因 素 。煤层 钻孔 长距 离压 气带压 注浆 封孔技 术是 在风 力作 用下 将封 孔剂 送入 钻孔 内 ，以密封钻 孔 ，可 以 保证足够长的封孔深度和足够高的封孔质量。其主 要分为孔 口构造密闭腔室和注浆封孔两个 阶段 。构 造密闭腔室原理图见图 1 ，注浆封孔原理图见图 2 。 如图 1 所示 ，把封孔袋缠绕在抽采管上 ，封孔 袋 前端 固定 圆形 托盘 ，封孑 L 袋距 离孔 口的位 置大 于 裂隙圈，迅速把抽采管送入钻孔内 ，等封孔袋发泡 后 ，再 把注 浆管 送 入 钻 孔 ，采 用 封孑 L 剂 密 封孔 口， 待其充 分发 泡后 ，相 对密 闭空 间即形 成 。接下来 进 1 ] 6 行第 二步 ，如 图 2所 示 ，把 进 风 管 接 到压 风 系统 ， 出料 管接 到注 浆 管上 ；把封 孔 剂 的 A 液 和 B液 以 II 的比例依 次分别倒入两个不 同的风动注浆泵 中；打开进风管开关 ，风流经过三通变为两路进入 风动注浆泵 ，封孔剂 的 A 液和 B液被压 出，经过 另一个三通合为一体经注浆管进入钻孔内直至充满 密闭腔 室 。封 孔 剂 A 液 和 B液 充 分 发 泡 过 程 中 ， 会产生一定的压力 ，封孔剂可进入钻孔周围的裂隙 中，加强了与孔壁的粘合度 ，使得封孑 L 质量大大提 高 。 图 1 构造密 闭腔 室原理 图 l 一钻孔 ；2 一抽采管；3 一托盘；4 一封孔袋；5 一密闭腔室 6 一聚氨酯；7 一注浆管；8 一进风软管；9 一三通 ；1 O 一阀门 一注浆泵 ；1 2 一封孔剂 A液 ；1 3 一封 L 剂 B液 1 O 1 图 2 注浆 封孔 原理 图 I 一钻孔 ；2 一抽采管；3 一托 盘；4 一封孔袋 ； 5 ～相对密封空间 ；6 一聚氨酯 ；7 一注浆管 ；8 一进风软管 9 一三通 ；1 0 一阀门 ；1 I 一注浆泵 3合理 封孔 深度 的确定 3 ． 1 应 力 集 中带的测 定原理 沿煤层掘进巷道后 ，巷道周围煤体 由里向外依 次形 成原 始应力 带 、应力 集 中带 和卸 压 带 简 称 为 巷 道三带 。在卸压 带 内 ，由于 煤 层 得 到 较 充 分 的 卸压，同时会形成大量的贯通裂隙，导致巷道内的 空 气经 卸压 带 的贯 通裂 隙抽 人钻孑 L ，从 而 降低 瓦斯 抽采浓度和瓦斯抽采效果。由于煤体应力的变化会 造 成不 同深 度煤体 的钻 屑量 变化 ，因此 ，采用 向巷 帮 打 钻 的方 法 ，测 定 不 同深 度 煤 体 的煤 屑 量 S可 以初步确定巷道应力集中带 的分布深度 ，从而确定 中国煤炭第 3 8卷第 8期 2 0 1 2年 8月 合 理 的钻孔封 孔深 度 。 3 ． 2 应 力集 中带的测 定 方法 在 1 1 8 1 7掘进工作面运输巷道及其后方每隔 2 O m 选择 6 个 地 点 ，每个 地 点 用 KHY D8 0 一 Z J型 煤 电钻 向两帮施工两个 移 5 O mm顺煤层钻孔 ，单孔长 度为 1 5 m；钻孔施工过程 中，每钻进 1 m，用弹 簧 秤测 定一次 钻屑 量 S值 。 3 ． 3测 定 结 果 由于所取的 6个钻孑 L 都在 1I 8 1 7掘进工作面运 输巷道 ，钻屑量变化规律相似，所 以取其平均值来 初步 确定巷 道应 力集 中带 的分布深 度 。根据 测定 的 数据 绘制 了所有 钻 孔 的钻 屑 量 S 平 均 值 随钻 孑 L 深度 变化 图 ，如 图 3 所 示 。 g ＼ ∽ 哩 摇 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 l 6 钻孔深度／ m 图 3 所有钻孔 的钻 屑量 s 平均值随钻孑 L 深度变化图 从 图 3反映 的原始应 力 区应该 是在巷 道壁 往里 1 5 m以后的区域 ，为 了保证 封孔效果 ，防止钻孔 因封孔 过短 在抽采 负压 的作 用下漏 气 ，结合 芦岭矿 煤层构 造裂 隙发育 的特 点 ，确定其 合理 封孔 深度应 为 1 5 m。 4 现 场应 用 4 ． 1 煤 层 钻 孔 封 孔 每组钻孔施工结束后立 即封孔，封孔所使用的 封孔 剂为 聚氨酯 发泡 材料 ，易堵 塞抽 采管 ，因此 封 孔段 必须 形成密 闭腔 室 ，再 把 聚氨酯 注入其 中。具 体 工艺 流程 为 抽采 管 长度 为 1 8 m，在抽 采管 1 5 m处缠绕一封孔袋并将其打开 ，封孔袋前端 2 0 c m 绑定一圆形托盘；使用均匀的力把抽采管送入钻孔 内，送至外部留有 3 0 c m左右即可；等 5 mi n后， 同样 的办 法 把 注 浆 管 送 人 钻 孔 内 ，注 浆 管 长 1 ． 5 m；用 棉纱 蘸取少 量聚 氨酯 封堵 孔 口；连接 好 注浆 泵管路 ，向两个注浆泵里按照 11的比例依次分 别 倒入封 孔剂 A 液 和 B液 ；打 开 进 风 阀 ，风 压 控 制 在 0 ． 3 MP a以下 ，开始 注 浆 直 至 注 满 相 对 密 闭 空问；抽采管并入抽采系统，观察抽采效果 。 4 ． 2瓦斯抽 采效 果 煤 层 钻 孔 长距 离压 气 带 压 注 浆 封孔 技 术 研 究 为确保煤层钻孔抽采效果 ，将抽采负压保持在 1 3 k P a 。1 ～ 6组 为 原 工 艺 封 孑 L ，7 ～ 1 2组 为试 验 组。为了对 比分析 ，以第 4组和第 8组为例进行介 绍 。第 4 组 采用 原封 孔工 艺封 孔 ，第 8组 采 用 长距 离 封孔工 艺 。封孔完 毕后 ，每 隔 7 d对 两组 钻孔 的 瓦 斯抽采 浓 度 进行 测 定 每次 测 5组 数据 ，取 5 次所测数据 的平 均值作 为各孔 的最终瓦斯抽采浓 度 ，累计 观 测对 比 8个 星期 ，两种 封孔 工艺效 果对 比如 图 4所示 。 ＼ 避 观测 日期 图 4 两种封孑 L 工艺瓦斯抽 采浓度对 比图 由图 4可 知 1 在类似条件下 ，原封孔工艺瓦斯抽采浓度 衰减 幅度较大，1个月左右即降到 3 0 以下 ；相 比之下 ，煤层 钻孔 长距 离压气 注浆 带压 封孔工 艺 瓦 斯抽采 浓 度 衰减 幅度 较 小，1个 月 后 仍 可保 持 7 O ～8 0 。 2 煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔工艺瓦 斯 抽采 浓度 衰减 幅度与 原封孔 工艺 相 比较小 ，这说 明在实 施煤 层 钻 孑 L 长距 离 压气 带 压 注 浆 封 孔 技 术 后 ，相 对密 封空 间里封 孔材料 的致 密性 及钻孔 周 围 裂 隙 的封 堵 性 得 到 了很 大 的 提 高 ，更 利 于 密 封 钻 孔 ，保证钻孔 的密封性 。由于风力作用 ，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 ，原封孔工艺不具备这一性质，瓦 斯 浓 度衰减很 快 。 5 结论 1 煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术安 全可靠 、工艺 简单 、技术可行 ，具 有 良好 的适 应 性 。 2 在 保证 封孔质 量 的前 提 下 ，确定 Ⅱ8 1 7工 作面煤层预抽钻孔合理封孑 L 深度为 1 5 m。 3 煤 层钻孔 长距 离 压 气 带 压 注 浆 封孔 技 术 ， ∞∞∞加印如∞如 0 增加 了封孔 深度 ，封孔 剂在 风力作 用下 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 入 ，显 著减少 孔 内的漏 风量 。与原 工艺 相 比，煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术实施 后 ，瓦斯抽采浓度提 高 3 O 以上，瓦斯抽采浓度 维持在高位的时间较长 ，衰减幅度较小 ，显著提高 了抽 采效 果 。 参考文献 [ 1 ] 卢 平等 ． 低 透气性煤 层群高 瓦斯采煤 工作 面强化抽 采卸压瓦斯机理及试 验 E J ]．煤炭学报 ，2 0 1 0 4 E z J 杨德传等 ． 深部煤巷锚网索耦合支护应用 研究 E J ]． 煤炭工程 ，2 0 1 1 2 [ 3 ] 王 圣程等 ． 定 点定长 度新型封孔 工艺及 工业性 试验 E 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 研究 E J ]．中国煤炭 ，2 0 1 2 3 陈杰 ，金龙哲 ．关 于聚氨酯 封孔可 提高 瓦斯抽 放效 果 的研究 [ J ]．煤炭工程 ，2 0 0 3 8 吴水 平 ． 囊 袋式注 浆封孔法 在煤矿 瓦斯抽采 封孔 中 的应用 E J ]．煤矿安全 ，2 0 1 0 6 王向 阳 ． KF Q I快 速封孔 器 的研 制 与应用I- J ]． 煤炭科技 ，2 0 0 7 3 作者简介 李义敬 1 9 8 7 一 ，男 ，安 徽宿州人 ，在读 研 究生 ，现在 中国矿业 大学安 全工程学 院就读 安全 工程专 业 ，从 事瓦斯综合 治理方 面的研究 。 责任编辑张艳华 上接 第 6 0页 E 3 ] 范钢伟 ，张东升，马立强 ．神东矿区浅埋煤层开采 覆 岩移 动与 裂 隙分 布特 征 I- J ]．中国矿 业 大学 学 报 ，2 O 1 1 1 E 4 ] 范钢伟 ，张 东升 ，卢鑫等 ．浅埋煤层 采动导水 裂隙 动态演化规律模拟分 析 [ J ]．煤炭科 学技术 ，2 0 0 8 5 E s ] 吴洪胜 ，董立军 ，张国红等 ．特厚煤层开采主亚关键 层活动特征 及其 对覆 岩移 动 的控制 规律 研究 E J ]． 中国煤炭 ，2 0 1 2 4 E 6 ] 张东升 ，范 钢伟 ，刘玉德 等 ．浅埋煤 层工作面 顶板 E 7 3 [ 8 ] 裂隙扩展特征数值分析 [ J 3．煤矿安全 ，2 0 0 8 7 汤建泉 。何满潮等 ．开采覆 岩运动 和破坏 规律 的实 验研究 E J ]．中国煤炭 ，1 9 9 6 2 范钢伟 ．浅埋煤层 开采与脆弱 生态保 护相互 响应机 理与工程实践I D ]．徐州 中国矿业大学 ，2 0 1 1 责任编 辑张毅玲 上接 第 9 1页 温度 降低 了 ，固定 碳在催 化剂 的 作用下，也同样降低 了着火点温度，加快了固定碳 的燃 烧 ，从而说 明了催化 剂对燃 煤 的燃烧 过程是 起 到 r催化 作用 。 在样 品 燃 烧 的热 重 分 析 过 程 中 ，采 用 了 干 燥 点、燃点和燃尽点作为主要表征点。分析在催化助 燃过 程 中 ，将加 入 不同质 量催 化剂 时 的样 品 的热重 曲线 进行 分析 ，通过 对 比其水分 蒸发 温度 、着火 温 度 、燃尽 温度 的变 化 ， 比较 出同种催 化剂下 ，更有 利于煤催化燃烧 的添加比例 ，选出每种催化剂下的 最佳 配 比，然 后 将 这 种 比例 下 的样 品 再 与 原 煤 对 比 ，发 现 以 Mn O 作 为添加 剂 时 A4组 的配 比催 化 剖参 与了燃煤的催化燃烧中的化学反应 ，使煤的热 解和燃烧温度降低 ，失重率提高。 参 考 文献 [ 1 ] 毛 健雄等 ．煤 的清洁燃 烧 E M]．北 京 科学 出版 1『 E 2 ] [ 3 ] E 4 ] E 5 3 E 6 ] 社 ， 1 99 8 傅维标，严鸿飞 ．分析煤粒非均相着火 的方法 E J ]． 中 国科 学 ，1 9 9 0 6 章明川 ．煤粉着火及切 圆燃烧火焰稳定性分析 E D ]． 北京 清华大学 ，1 9 9 0 徐 明厚 ，田翔 等 ．一维 炉高浓度煤 粉燃 烧试验 研究 E J ]．工程热物 理学 报，1 9 9 3 7 金茂庐 ，朱大宏 ，徐旭 常 ．煤粉气 流着 火界 限的试 验研究 [ M]． 北京 科学 出版社 ，1 9 8 6 周建明 ，公旭 中，王永刚 ，李文华．煤焦一C O 气化 反应性及其动力学模 型 I- J ] ．中国煤炭 ，2 0 0 5 5 作者简介 路 树 萍 1 9 7 1 一 ，女 ，内 蒙古 锡 林 浩特 人 ，内蒙古锡林 郭勒 职业 学 院教务 处 副教 授 ，研 究方 向 煤化学。 责任 编辑王雅琴 中国煤炭第 3 8卷第 8期 2 0 1 2年 8月