矿井瓦斯抽采钻孔封孔工艺技术应用与研究.pdf

第 1 3 卷第5 期 VO Ll 1 3 NO． 5 2 0 1 5 年 9 月 Se p ． 201 5 矿井瓦斯抽采钻孔封孑 L 工艺技术应用与研究 赵 威 神华乌海能源有限责任公司通风管理部， 内蒙古乌海， 0 1 6 0 4 0 摘要 高突矿 井瓦斯治理工作是“ 一通三防” 工作 的重 中之重， 瓦斯抽采钻孔施工质量是确保抽采 率的主要任务之一。 近年来 ， 瓦斯抽采技 术得到 了很大提升和发展 ， 不管从抽采钻孔的布置方式和数 量都有很 大的变化 ， 特别是钻孔封孔技术 由原先的聚氨酯封孔发展到了水泥填充、 合成材料封孔等技 术。 但是由于高突矿井地质条件 、 煤层 瓦斯透气性 、 煤层裂隙发育、 瓦斯含量、 瓦斯压力等条件 的不同 选择封孔方式也不一样 ， 给抽 采工作带来 了极 大不便 。 本文从 实际工作遇到的问题 出发 ， 分析探讨 了 传统瓦斯抽放封孔方法存在的缺陷， 总结 了其 中存在 的缺点， 创造性地提 出一种新的套装 自动反应封 孔 法 。 关键词 瓦斯抽 采钻孔封孔对比研 究 中图分类号 T D 7 1 2 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 4 8 4 9 2 2 0 1 5 0 5 0 2 9 0 3 1 引 言 瓦斯治理工作是防范事故的重要手段 ， 瓦斯事故 为煤矿生产中最严重的 自然灾害之一。 抽采瓦斯是解 决矿井瓦斯含量高 、 瓦斯涌出量大等问题中最根本的 措施 ， 影响矿井瓦斯抽采效果的因素是多方面的， 其中 抽放钻孔的封孔质量是做好抽放工作的最基础的保 障性措施。 要充分发挥钻孔抽采的作用， 达到预计抽采 效果， 钻孔的封孑 L 质量是保障抽采达标的重要环节。 2 常用封孔技术的应用 2 ． 1 高分子材料封孔技术 目前 ， 不管是本煤层抽采钻孔还是穿层抽采钻孔 最常见的封孔技术就是利用高分子材料采用“ 高分子 发泡材料 ” ， 其 中以聚氨酯材料为 主要材料 ， 根据配 方 、 配料及 比例的差异又有很多名称的叫法 。 封孔 时 将双组分或多组分“ 高分子发泡材料” 混合搅拌后 ， 用 抹布、 棉纱 等用铁丝等捆绑 ， 将配好 的封孔材料缠绕 涂抹在封孔管的一定长度上 ， 然后插入施工好 的抽采 钻孔 内， 等待 “ 高分子发泡材料” 发生反应 、 凝固后 ， 将 钻孔封堵 ， 见图 1 。 煤体 1 一 封孔管 ； 2 一 封扎时发泡 材料膨胀体积 ； 3 一 封孔初期钻孔 周围裂隙漏气 通 道； 4 一 封孔后期发泡材料压缩体积； 5 一 封孔后期钻孔周围裂隙漏气通道 图1 高分子封孔材料封孔法漏气通道扩张、 收缩 高分子材料封孔的原理就是利用其高倍数发泡 特』生 封孔， 但是在高分子发泡材料发泡之后具有两个 致命缺陷 ①抗压强度低。 ②可压缩量很大。 高瓦斯矿 井和煤与瓦斯突出矿井一般采深不断加大 ， 相应的地 应力也较大 ， 再加上煤层强度普遍较低 ， 井下煤层钻 孔在地应力作用下将逐渐蠕变 ， 钻孔在蠕变的过程 中， 钻孔周围的煤体将会产生松动裂隙， 之后便产生 了漏气通道。 同时， 在封孔材料反应和凝固过程中封 孔材料本身就会收缩 ， 收缩后便会产生空隙和裂隙 ， 空隙和裂隙随之就生成 了漏气通道 。 漏气通道会释放 抽放压力， 导致抽放率降低， 直接影响抽采率。 2 ． 2 机械弹性封孔技术 现在国内还有一部分矿井使用机械弹性封孔， 最 作者 简 介 赵威 1 9 8 4 一 ， 男 ， 工程 师 ， 现 任 职 于神 华 乌 海能 源 有 限责 任 公 司通 风 管理 部 ， 从 事 煤 矿 “ 一 通三 防” 技术 管 理工 作 。 T e I l 3 9 4 7 3 3 9 2 3 6． E ma i l z h a o we i O1 1 5 1 6 3 ． c o rn 3 0 赵威 矿井瓦斯抽采钻孔封孔工艺技术应用与研究 第5期 长见 的机械弹性封孔技术有两种 一种是螺旋弹性胀 圈式封孔器； 另一种是弹性串球式封孔器， 这两种封 孔器的结构如图 1 和图2 所示 ， 它 的工作原理都是在 外加力的挤压作用下 ， 迫使弹性胶桶或者弹性串球膨 胀 ， 贴紧钻孔 内壁 ， 达到封孔 的 目的 ； 当外加力取消 后 ， 胶桶或串球在 自身的弹性 力作用下恢 复原状 ， 即 可从钻孔 中取 出， 重复使用 。 卜接头 ； 2 -- 螺母 ； 3 - 手柄 ； 4 - 垫板； 5 - 定向销 ； 6 - 套管 ； 7 - 螺杆 ； 8 - 传力垫 ； 9 - 外套； 1 0 一 内管； 1 卜托盘； 1 2 一 胶桶； 1 3 - 螺帽； 1 4 一 手柄 图 1 螺旋式封孔器 卜内套 ； 2 一 橡胶球 ； 3 一 挤压板 ； 4 一 挤压外套 图2 串球式封孔器 上述两种封孔器 ， 用在采煤工作面临时性封孔 ， 钻孔深度前 5 l O m ， 主要抽采工作面前方松动区内 的瓦斯 ， 在距离孔 口1 ～2 m封孔 ， 它们对钻孔的密封性 能很差 ， 漏气很严重， 根本不能用于本煤层长效抽采钻 孔的封孔， 高效矿井已基本不使用这种封孔方法。 2 ． 3 充气式封孔器 目前， 有部分矿井继续使用传统的充气式封孑 L 器 。 充气式封孔器主要有两种 ， 一种是免充气气囊式 ； 另一种是充气气囊式。 前者将气体封闭在一个橡胶囊 里 ， 气囊 中部有一根抽采管 ， 利用气体 的可压缩性将 气囊塞进钻孔里实现封孑 L ， 主要在孔 口l m范围内封 孔 ； 后者的气囊里没有封闭空气， 气囊中部有一根抽 采管， 将囊带塞进钻孔之后， 让后再向囊带充气。 两者 的效果是一样 的 ， 只能做为临时性封孔。 不能做为瓦 斯抽采钻孔的一种封孔技术和方式。 2 ． 4 水力膨胀式封孔器 水力膨胀式封孔器 的原理是 压力水进入封孔器 后 ， 通过在膨胀器内部所形成的水压升高来促使封孑 L 器胶管膨胀 ， 从而达到封堵钻孑 L 的目的。 膨胀胶管可以 是钢丝复合胶管 ， 向胶管 内的注水压力可以达到很高 的压力 ， 对钻孔具有很好的封闭效果。 这种封孔器在煤 层注水方面用的较多 ， 但对于本煤层 和穿层长效抽采 来讲是不可行 ， 两方面原因 一方面是成本较高 ； 另一 方面是封孔器的微泄漏不能保证长效封孔的效果。 3 新型“ 一键 ” 加压 注浆封孔法研 究 3 ． 1 封孔原理 “ 一 键” 加压注浆封孔法主要是设计出一整套傻 瓜式封孔装置 ， 将配备好的封孔液体装入设计好 的封 孔装置内 ， 并将其用特殊材料隔开 ， 使用时利用引线 将其隔挡材料抽出 ， 随即两种液体混合后反应。 同时 ， 在液体反应时 ， 给予一定的压力使其充分发生反应。 施加压力有两方面的重要作用 ①使封孑 L 液体材料充 分发生反应。 ②反应后的液体封孔材料压力增大 ， 向 周边扩张力加强 ， 强化封孔空间 ， 防止材料反应后收 缩 留下空间和产生漏气通道 ， 见图3 、 图4 。 0一 ■0 ～一0 。、 __ 0 0 0 豳 暖 l_ 3 媒体 卜A组分材 料 ； 2 - B 组分 材料 ； 3 一 加压 管 ； 4 一 抽 采管 ； 5 - 钻孔 ； 6 - 单向排气 孔 ； 7 一 A、 B组分材料 隔挡板 图3 “ 一键” 加压封孔装置使用前 主剖面图 7 、 | 、 。 。 ≯ 、 1 - “ 一键” 封 L 拉绳 ； 2 一 封孔管 ； 3 一 排气 管 ； 4 一 A组分材料 ； 5 - 排气管壁 透气 孔； 6 一 梯台型单向堵漏塞 与“ 一键” 封孔绳孔邦连接， 拉开后， 可以自动展开， 起 到堵漏作用 ； 7 - 钻孔； 8 - B 组分材料； 9 - 加压管和单向阀 图4 “ 一键” 加压封孔装置使用前 主剖面图 “ 一 键” 封孔装置主要原理是在封孔管前后设计 出防止封孔材料 向钻孔 内漏液和阻挡液体材料反应 时压力及外加压力 ； 将两种或两种 以上封孔材料液体 第5 期 3 1 配备好后装入封孑 L 管的外套管内， 使用特殊材料将其 分开， 并且利用引线将其连接， 抽动引线后， 分开的材料 很好的混合和反应， 起到自动“ 一键” 式傻瓜封孔装置。 封孔加压主要原理是 由于封孔液体材料膨胀量 比较大， 而且将封孔材料装入“ 一键” 封孔装置内， 不 能及时发生反应或反应不充分 ， 利用设置好的单 向阀 和导管 向内施加一定的压力 ， 使其加速反应 ， 同时强 化反应质量 。 使封孔材料发生反应后能够承受一定的 压力 ， 防止收缩 。 3 ． 2 加压封孔方法 “ 一 键” 加压封孑 L 方法 ①能使钻孔周围的裂隙得 到充填 ， 消除开孔时形成 的漏气通道和裂隙 ， 即消除 初期漏气通道。 ②能使钻孔得到可靠的支护， 保证钻 孑 L 的稳定， 使钻孔周围不再产生新的漏气通道和裂 隙 ， 即避免后期漏气通道 的产生和发展 。 ③体现 自动 “ 一 键” 傻瓜式封孑 L ， 因为它是设计好的一套完整的封 孔装置， 不用对材料进行配比， 使用简单、 方便， 加压 使用矿井压风系统的风压即可， 所以其操作工序少 ， 提高 了劳动效率和安全l 生。 该装置 目前只进行了简易制作和试验 ， 2 0 1 4 年 5 月份在平沟煤矿 0 9 0 9 瓦斯抽采钻孔的封孑 L 过程中进 行了试验 ， 使用原来的封孔方式大约需要 3 0 m i n ， 而 且工序繁琐 ， 劳动力强度大。 通过使用简易制作 的“ 一 键” 加压封孑 L 装置的封孔时间提高到 1 5 m i n ， 大大缩 短了封孑 L 时间， 劳动强度明显降低， 工序简单易操作。 封孔压力达到 1 MP a 左右 ， 封孔长度 8 m时 ， 与同样条 件下使用传统封孔方式的钻孔进行了对比， 气密性较 好， 抽采浓度明显上升。 如果在破碎带使用“ 一键” 加 压封孔效果更佳 ， 目前只是简易制作 ， 如果正规批量 制作并应用于生产 ， 一定能够带来可观的效益 。 4 结束语 通过以上钻孔封孑 L 工艺技术应用的对 比可知 ， 新 型“ 一键” 式加压封孔技术比原有的高分子材料封孑 L 等法封孔简单、 高效、 可靠， 杜绝了材料浪费， 同时可 以支护钻孑 L 防止漏气带的形成， 提高矿井瓦斯抽采 率。 同时， 这种新型封孔方法适用于各种钻孔 。 参考文献 [ 1 ]周地全． 石门揭煤瓦斯抽放钻孔封孔方法的改进研究[ J ] ． 工业技 术 ， 2 0 0 9 ， 4 ． [ 2 ]崔景昆． 一种有效的封孔方法[ J ] ． 河北建筑科技学院学报， 2 0 0 3 ， 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 ． [ 4 ]曲来民． 采用新材料新工艺封孔提高钻孔抽放质量[ J ] ．矿业安全 与环保 ， 2 0 0 1 ， s 1 ． [ 5 ]孙玉宁． 囊袋式注浆封孔装置及其封孔方法[ P ] ． 中国 ， E 2 1 B 3 3 ／ 1 38； E21 F 7 ／ 0 0， 2 0 0 7-1 0-1 0 ． [ 6 ]乌海能源． 神华乌海能原有限责任公司瓦斯抽采管理办法 试 行 ． 2 0 1 2 5 - 2 3 ． Mi n i n g Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f Dr i l l i n g Ho l e S e a l i n g M i ne Ga s Ex t r a c t i o n ZHAo W e i f V e n t i l a t i o n Ma n a g e me n t De p a r t me n t o f S h e n h u a Wu h a 。E n e r g y C o ． ，L t d ，Wa h a i ，I n n e r Mo n g o l i a ,o 1 6 o 4 o Abs t r ac t Hi g h o u t b u r s t mi n e g a s ma na g e me n t wo r k i s ” p rio r i t y a mo ng p rio rit i e s On e v e n t i l a t i o n a n d t h r e e p r e v e nt i o n” wo r k ． g a s d r a i na g e d ril l i n g c o n s t r uc t i o n q ua l i t y i s o ne o f t h e ma i n t a s k s o f pu mp i n g r a t e ．I n r e c e n t y e a r s ，g a s d r a i n a g e t e c h n o l o g y h a s b e e n g r e a t l y i mp r o v e d a n d t h e d e v e l o p me n t ，r e g a r d l e s s o f t h e a r r a n g e - me n t o f d r a i n a g e h o l e s a n d t h e n u mb e r o f g r e a t c h a n g e ，e s p e c i a l l y d r i l l i n g h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y f r o m t h e o ri g i n a l p o l y u r e t h a n e s e ali n g t o t h e d e v e l o p me n t o f t h e c e me n t f i l l i n g ，s y n t h e t i c ma t e ri a l s e a l i n g t e c h n o l o gy ． Bu t b e c a u s e o f c o a l b e d g a s g e o l o g i c al c o n d i t i o n s ，mi n e o u t b u r s t p e r me a b i l i t y ，r a c t u r e d c o al s e a m g a s c o n t e n t ， g a s pr e s s u r e ，t h e di f f e r e n t c o n d i t i o n s o f s e a l i n g mo d e s e l e c t i o n i s n o t t h e s a me ，br o u g h t g r e a t i n c o n v e n i e n c e t o t h e d r a i n a g e wo r k s ．S t a r t i n g fro m t h e p r a c t i c a l p r o b l e ms e n c o u n t e r e d h e r e ，d e f e c t a n a l y s i s o f t h e t r a d i t i o nal g a s e x i s t i n g d r a i n a g e h o l e s e a l i ng me t h o d， s u mma riz e s t h e s ho r t c o mi n g s o f wh i c h， c r e a t i v e l y p u t s f o r w a r d a n e w s e t o f a u t o ma t i c r e a c t i o n h o l e s e ali n g me t h o d ． Ke y wo r d s S t u d y o f Ga s ； Dr a i n a g e B o r e h o l e ； Ce me n t i n g ； C o n t r a s t 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 6 责任编辑 马小军