松软煤层顺层钻孔带压注浆封孔技术研究应用.pdf

第4 9 卷 第7 期 煤炭工程 C 0AL E NGI N EE RI NG Vo 1 ． 4 9， No ． 7 d oi 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 70 7 01 8 松软煤层顺层 钻孔带压 注浆封孔技术研究应用 巴全斌 ，赵旭生1 , 2 ，刘延保 1 ． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 7 摘要松软煤层顺层钻孔瓦斯抽采普遍存在封孔深度不合理、封孔不严等问题，抽采效果 差。针对以上存在的问题，文章从松软煤层钻孔稳定性及巷道围岩应力场分析出发，确定了松软 煤层钻孔合理封孔深度 ；并通过增大钻孔 内压力对孔壁施加主动支撑 ，封堵充填钻孔孔壁裂隙， 提 出适用于松软煤层顺层钻孔带压注浆封孔技术。通过保安煤矿现场应 用显示 ，在 6 0 d的考察期 内试验钻孔平均瓦斯浓度提 高3 0 ％以上 ，显著提高松软煤层顺层钻孔封孔的密封性和抽采效果。 关键词 松软煤层 ；抽采钻孔；封孔深度 ；带压注浆 ；封 f L ． Y - 艺 中图分类号T D 7 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 7 0 7 ． 0 0 6 1 ． 0 3 Re s e a r c h a nd a ppl i c a t i o n o f ho l e s e a l i ng t e c hn o l o g y wi t h pr e s s ur i z e d g r o ut i ng i n s o f t c o a l s e a m be dd i ng dril l i n g B A Q u a ． 一 b i n ， _ ，Z H A O X u s h e n g 一，L I U Y a n - b a o ， 1 ． N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f G a s Di s a s t e r D e t e c t i o n ，P r e v e n t i o n a n d E m e r g e n c y C o n t r o l ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，C h i n a ； 2 ． C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g G r o u p ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e g a s d r a i n a g e p r o b l e ms wi t h b e d d i n g d ri l l i n g i n s o f t c o a l s e a m， s u c h a s s h all o w s e a l i n g d e p t h ， t i g h t s e a l i n g h o l e a n d S O o n ， l e a d i n g t o p o o r p u mp i n g e ff e c t ．T h r o u g h a n a l y z i n g t h e d ri l l i n g s t a b i l i t y a n d s t r e s s fi e l d o f s u r r o u n d i n g s o ft c o a l s e a m ，t h e r e a s o n a b l e s e a l i n g d e p t h o f g r o u t i n g h o l e s e a l i n g i n s o ft c o al s e a m wa s d e t e r mi n e d ．B y i n c r e a s i n g b o r e h o l e p r e s s u r e t o t h e h o l e wa l l ， s e a l i n g fi l l i n g fis s u r e e ff e c t i v e l y ， t h e p a p e r p r o p o s e d t h e g r o u t i n g t e c h n o l o g y i n s o ft c o a l s e a m． I n t h e a p p l i c a t i o n i n B a o a n C o al Mi n e ， d u rin g t h e 6 0 d a y s i n s p e c t i o n p e r i o d， t h e a v e r a g e g a s c o n c e n t r a t i o n o f t e s t h o l e i n c r e a s e d mo r e t h a n 3 0 ％ ， t h e e f f e c t o f d r a i n a g e a n d h o l e s e ali n g i n s o f t c o al s e a l n w a s gre a t l y i mp r o v e d ． Ke y wo r d s s o ft c o a l s e a m； g a s d r a i n a g e b o r e h o l e ； h o l e s e a l i n g d e p t h； p r e s s u riz e d gro u t i n g ； h o l e s e a l i n g t e c h n o l o gy 目前我国煤矿瓦斯抽采总体状况不理想。据不完全统 计超过 6 5 ％回采工作面的瓦斯抽采浓度低于 3 0 ％以下l 1 ] ， 其中松软煤层由于煤质松软、易失稳塌孔堵塞、封孔技术 不合理等原因导致瓦斯抽采效果更差。虽然通过改进钻机 装备、优化排渣工艺和应用下筛管工艺。松软煤层钻孔成 孔率和成孔深度得到较大提高 。抽采效果也有了一定的改 善 ，但仍然不够理想。松软煤层钻孔抽采的有效性不仅受 钻孔施工工艺、煤岩体结构、应力作用等因素影响，还与 钻孔封孔深度及密封技术工艺密切相关。松软煤层钻孔封 孔深度和封孔技术不合理，致使钻孔密封不严 。无法有效 收稿 日期 基 金项 目 作者简介 引用格式 封堵钻孔裂隙，严重影响瓦斯抽采效果。 l 松软煤层钻孔稳定性分析 近年来国内外学者针对松软煤层施工钻具和钻孔失稳 机理开展了广泛的研究 】 。煤体是多孔隙介质，松软煤层 钻孔内瓦斯渗流过程符合达西渗流理论l 3 l 4 ] 。在假设抽采钻 孔单元体内瓦斯含量均匀分布 ．根据摩尔一 库伦强度准则和 达西渗流理论公式推导松软煤层水平钻孔孔壁单位长度区 域内坍塌压力随时间的变化函数 P 3 H 叼一2 C K[ K 一 厂一 ] 201 7 -0l l 8 “ 十三五”国家科技重大专项 2 0 1 6 Z X 0 5 0 6 7 - 0 0 4 - 0 0 4 ；重庆市基础与前沿研究计划项 目 e s t e 2 0 1 6 j e y j A 0 0 8 5 ； 重庆市科技创新领军人才支持技术 C S T C K J C X L J R C 1 4 巴全斌 1 9 8 6 一 ，男 ，山东临沂人，硕士研究生，主要从事煤矿瓦斯抽 采技术方 向的研究 ，E m ai l 1 4 0 4 8 0 1 6 6 7 q q ． c o rn 。 巴全斌，赵旭生，刘延保．松软煤层顺层钻孔带压注浆封孔技术研究应用 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 7 ，4 9 7 6 1 - 6 3 ． 61 煤炭工程 2 0 1 7年第7 期 [ 一 砰 ∑ ． A n e - u v o 尸 ／ [ ，一 1 K 2 叼一 ， ] 1 式中，P 为钻孔坍塌压力，MP a ；P 。为原始瓦斯压 力 ，MP a ； 为垂 直应 力 ，MP a ； 为 水 平 向最 大 主 应 力 ，MP a ； f为煤层的孔隙度 ；u为煤体的泊松比；P 为抽 采时孔内压力，MP a ； 为应力非线性修正系数；C为煤体 粘聚力，MP a ； 1 - 2 u ／ 1 一 ； 为松软煤层有效应 力 系 数 ； A 2 ／ “ 一 1 ； “ 2 n 一 1 詈 ； 4 A P 2 ￡ ， 为钻孔 有效抽采半径 ，e m。 。 松软煤层原始应力区孔壁完整性较应力降低 区和应力升高 区好。 松软煤层应力降低区和应力升高区是钻孔孔壁极易失 稳破坏区域，是松软煤层封孔的关键。因而，松软煤层钻 孔合理封孔深度 应该接 近原 始应 力 区，必 须超 过巷 道两 帮 应力峰值点范 围的深度 。 3松软煤层钻孔带压注浆封孑 L 技术 L 3 ．1 松软煤层 带压注浆封孔技术 根据式 1 可得，钻孔孔壁坍塌压力随着煤层原始瓦斯 压力增大而增大在 t 0时．钻孔孔壁坍塌压力最大 ．此 时钻孔孔壁失稳破坏风险最大 ，随着时间的推移，钻孔瓦 斯渗流对孔壁稳定性影响力逐渐减弱并趋于平稳。松软煤 层钻孔 封孔 接抽过 程如果 未施 加 主动支 撑作 用 ，钻孔 孔壁 极易失稳坍塌破坏。目前 ，针对松软煤层钻孔极易失稳坍 塌情况 ，煤矿现场广泛推广应用下放筛管工艺，保证钻孔 内瓦斯抽采通道畅通 ，抽采效果得到一定的改善，而对于 松软煤层钻孔密封问题，由于封孔段失稳破坏，裂隙更为 发育 ，常规的封孔深度及封孔技术无法到达抽采要求。 2 松软煤层钻孔合理封孔深度 关于抽采钻孑 L 封孔深度， 防治煤 与瓦斯突出 规 定 j ，顺层钻孔 的封孔段长度不得小 于 8 m。申宏敏 等[ 6 普 遍基于钻屑理论指出合理封孔深度要大于巷道两侧的卸压 带，小于应力峰值点的距离范围。对于松软煤层本煤层预 抽钻孔封孔深度，以上理论规定并不适用。 抽 采钻孔合理封孔 深度 的主要影 响 因素是 巷道 围岩应 力场作用。根据巷道围岩应力理论“ ] ，巷道周围由煤体外 向里依次为卸压带、应力集中带和原始应力带。在巷道两 帮进行本煤层钻孔施工时，在巷道围岩应 力场的作用下， 将依次经过这个三个区域 ，如图 1所示 ，根据煤体应力的 不同，划分为 3个 区域 I应力降低 区；Ⅱ应力 升高区； Ⅲ原始 应力区 。 y ＼ ， ， 巷 道 ＼ ． _ -_ ● - I Ⅱ l Ⅲ 图 1 巷道瓦斯抽 采钻 孔受巷道应力分布图 松软煤层应力降低区在钻孔施工过程，轻微的扰动就 会使钻孔孔壁失稳坍塌，该区域钻孔孔径不规则 ，极为破 碎 ；松软煤层应力升高区，极易发生失稳破坏，并且该区 域孔壁失稳破坏煤体颗粒较大，导致钻孔堵塞和破坏最为 严重区域，是松软煤层钻孔封孔需要重点维护解决的区段 ； 62 带压注浆封孔技 术是基 于 “ 两堵 一注 ”封 孔工 艺 的继 承和发展 ，通过总结 现行 封孔技 术存 在 的问题 和 国外 封孔 技术的经验 ，提 出的一种 新型 的封孔 方法 _ 8 ] 。通过 对钻孔 孔壁施加主动支护，增加封孔段钻孔孔壁的稳定性，并在 注浆压力作用下．进一步将封孔材料浆液填充钻孔孔壁裂 隙，与煤岩体粘结结合凝固，彻底密封钻孔封孑 L 段瓦斯泄 漏 通道 。 松软煤层由于自身物理特性、瓦斯渗流作用及复杂应 力场作用下，钻孔裂隙极为发育，并极易出现失稳坍塌破 坏 ，而抽采钻孔带压注浆封孔技术能够较好 的解决松软煤 层密封存在的问题。 3 ． 2 松软煤层钻孔封孔半径和注浆压力 按照经验 ．抽采钻孔周 围煤体的扰动破坏范围一般为 钻孔孔径的51 0倍，对于松软煤层硬度系数低、煤质松 软，在钻孔成孔过程受扰动裂隙较发育 ，故确定扰动影响 松动圈范围取最大值。抽采钻孔封孔半径与注浆压力紧密 相关，封孔材料浆液在一定压力条件下才能有效充填钻孔 周围煤体裂隙，文献 [ 9 ]参考中国水利水电科学研究院试 验建立的牛顿流体在水平光滑裂隙面的扩散方程 ．得出了 封孔半径与注浆压力、封孔材料浆液粘度及注浆时间存在 关系 一 2 式中，P为注浆压力 ，P a ； 为封孔材料浆液粘度， P a S ；R为封孔半径，e m；r n为钻孔半径，e m；T为注浆 时间 ，ra i n ；6 为钻孔孔 壁裂隙宽度 ，c m；P 为 裂隙 内地 下 水压力，P a ； 为注浆压力冗余系数，取 1 ． 2 ；由于钻孔成 孔的不均 匀性 ．取 r 0 m r ／ 2 ，m为不均匀 系数 ，一般 取 1 ． 2 ，r 为钻孔理论孔 径 ，c m。 3 ． 3 松软煤层钻孔带压注浆封孔器 囊袋式注浆封孔器在注浆压力作用下充分过滤注浆材料 的水分，致密的封孔材料在囊袋内粘结凝固，极大的提高了 封孔段两端的密封效果，但是普通囊袋式封孔器在松软煤层 钻孔煤渣积聚较多情况存在下放困难、易脱落情况．造成封 孔深度浅等问题．导致抽采效果不理想。通过队现有封孔器 结构分析 ．研发适用于松软煤层钻孔带压 封孔器 ，将 囊袋式 封孔器利用橡皮圈及管箍与抽采管进行固定，其结构由抽采 管、封孔器囊袋、管箍和爆破阀等组成如图2所示。 2 0 1 7 年第7期 煤炭工程 封孔器管箍 封孔器囊袋抽采钻孔 图 2 松软煤层囊袋式注浆封子 L 器结构示意 图 4现场应用及效果考察 4 ． 1 现 场应 用 试验参 数 山西煤炭运销集团保安煤矿设计生产能力为 1 ． 5 M a ， 主采 1 5号煤层，煤层厚度 3 ． 2 5 ～ 5 ． 5 5 m，钻孔瓦斯流量衰减 系数0 ． 0 8 6 8 6 0 ． 8 4 5 8 d ～，煤层瓦斯压力 1 ． 3 1 M P a ，透气性系 数为 2 ． 5 6 3 5 2 2 ． 5 4 6 3 m ／ MP a 2 ． d ，硬度性系数 厂 值为 0 ． 6 7 。 保安煤矿带压注浆封孔试验钻孔布置在 1 5 1 0 9进风平 巷 ，钻孔 间距 2 ． 5 m，孔径 1 1 3 m m，钻孔孔壁裂 隙宽度约 0 ． 0 4 e ra。通过现场测定 ，本煤层钻孔应力升高区范围为 6 ～ 1 5 m。1 5 m以后为原始应力区，因而保安煤矿本煤层合理封 孔深度取 1 5 m。封孔 半径按 上述 最大 扰动破 坏 范 围考虑 取 1 0倍钻孔孔径 ，根 据保 安煤矿 钻孔孔 径为 1 1 3 m m，即封 孔 半径为 6 7 ． 8 c m。封孔材料选用 4 2 5号普通硅酸盐水泥并添 加 3 0 ％粉煤灰 ，水灰质量比2 1 ，浆液黏度为 1 8 ． 5 m P a S ， 单孔注浆时间约为 l O m i n 。 通过上述公式计算可得 ，保安煤矿本煤层钻孔注浆压 力为 0 ． 8 8 M P a ，鉴于理论计算与实际存在的差距 ，保安煤 矿本 煤 层 试 验 钻 孔 注 浆 封 孔 器 设 计 采 用 爆 破 阀 压 力 为 1 ． 5 MP a ，最终注浆压力为 1 ． O MP a以上。 4 ． 2现 场试验 应 用效果 分析 此次在保安煤矿进行为试验不同封孔深度和封孔工艺抽 采效果的不同，钻孔条件均保持一致，选取 1 、2 钻孔进行 原有封孔工艺 ，3 、4 钻孔在原有封孔深度增加封孔深度， 5 、6 钻孔采用带压注浆封孔工艺，封孔参数见表 1 。 表 1 试验钻 孔封孔参数表 据现场实测数据显示，在抽采前期 6 0 d内，抽采负压 在 1 5 k P a 左右 ，带压注浆封孔与原聚氨酯封孔试验钻孔瓦 斯浓度变化如图 3 所示。 由图 3 所示 ，1 、2 钻孔起始瓦斯抽采浓度在 4 5 ％左 右，接抽 6 0 d后瓦斯抽采平均浓度仅在 1 0 ％左右．3 、4 钻孔瓦斯抽采浓度有一定提高，随着抽采时间的延长，瓦 斯抽采浓度下降到 2 0 ％以下5 、6 钻孔瓦斯抽采浓度得 到明显改善，起始浓度较高达 8 0 ％左右．瓦斯抽采浓度下 8 O 。 4 0 霉 2 O 0 1 5 1 0 1 5 2 O 3 O 3 5 4 0 4 5 5 5 6 0 抽采时间， d 图 3 试 验组瓦斯抽采钻孔浓度对比图 降较为缓慢，接抽 6 0 d后瓦斯抽采平均浓度仍然保持在 3 0 ％以上 。 综上．松软煤层钻孔聚氨酯封孔工艺无法对钻孔形成 有效支护和填充裂隙，增加封孔深有一定效果，但是效果 有限。通过确定合理封孔深度 ，带压注浆封孔能够有效充 填钻孔周围的裂 隙．消除钻 孑 L 施工 过程 中形成 的漏气 通道 并使钻孔得到有效支护．有效地延长了瓦斯抽采时间。 5结论 1 松软煤层巷道两侧应力降低区和应力升高区是失稳 破坏最严重，是松软煤层封孔重点区域，封孔深度应接近 原始应力区，即超过巷道两帮应力峰值点范围的深度。 2 基于增大钻孔 内压力理论 ，通过对孔壁施 加主动支 护，并充填孔壁裂隙，达到密封钻孔瓦斯泄漏通道，同时 给出了合理封孔半径、注浆压力及封孔材料等参数确定 方法 。 3 通过保安煤矿现场应用试验 ，试验组钻孔瓦斯抽采 浓度提高 3 0 ％以上 。为松软 煤层顺 层钻 孔封f L z艺优 化 以 及封孔参数确定提供参考。 参考文献 程远平 ，付建华 ，俞 启香 ．中国煤 矿 瓦斯抽 采技 术 的发展 [ J ] ． 采矿与安全工程学报，2 0 0 9 ，2 6 2 1 2 7 1 2 9 ． 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 0 5 ． 周世宁 ，林 柏泉 ．煤层 瓦 斯赋 存 与流 动理 论 [ M] ．北京 煤炭工业 出版社 。1 9 9 7 ． 孟 晓红．松软煤 层瓦斯 抽放钻 孔塌 孔机 理及改 进措施 研究 [ D] ．太原 太原理工大学 ，2 0 1 6 ． 中华人 民共和 国煤炭工业部．防治煤与瓦斯突 出细则 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ．2 0 0 9 ． 申宏敏 ，毛桃 良，张雷林 ，等．基于钻屑理论 的抽采钻孔合 理封孔深度研究 [ J ] ．煤矿安全，2 0 1 4，4 5 8 3 9 - 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