浅谈松软煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术.pdf

总第2 0 2期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 7 9 8 ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 2 0 浅谈松软煤层 瓦斯抽 采钻孔 封孔技 术 魏 自富， 李洪贺， 高 凡 河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 封孔是煤矿瓦斯抽采过程中的关键环节， 而封孔质量的好坏直接影响着瓦斯抽采效果， 松软煤层 瓦斯抽采过程中出现的浓度低 、 衰减快等问题更是严重影响瓦斯抽采效果 ， 因此对其封孔技术的要求也更 高。文章对松软煤层现有的封孔技术进行了分析， 并对所存在的问题提出了改善措施。 关键词 松软煤层； 瓦斯抽采； 封孔 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 6 0 6 0 0 4 9 ． 0 2 在我 国的煤炭 地下开 采 中 ， 很 多地 区的煤层 都是松软煤 层 ； 瓦斯抽 采钻孔 的成 孔质 量和 密 闭性严重影响着 瓦斯抽采 的效果 。松 软煤层 由于 煤体 自身强度比较低， 在钻进过程 中由于受到地 应力和瓦斯压力 等影 响 ， 钻孔 容易变形 ， 甚至 出现 卡钻 、 顶钻 等现象 ； 同时钻孔 的钻进还会 影响周 围 煤体 ， 使 其 产 生 断裂 变 形 ， 周 围应 力 也 将 重新 分 布 。由于松软煤层 的煤 质稳定性差 、 松散易碎 、 高 瓦斯含量 、 高瓦斯压力 ， 也经常会 出现钻孔 孔径收 缩甚至塌孔等质量问题 ， 导致瓦斯抽采浓度降低， 使巷道 内瓦 斯浓度 增高 ， 严 重威胁 井下 的安 全生 产工作 。 目前提高 井下 瓦斯 抽采 率 主要 有 两大 途径 ①预先松动原始煤体， 使煤层透气性提高； ②改变钻 孔参数 ， 选择合理的钻孔布置方式 以及提高封孔质 量。采用第一种途径 ， 抽采效果不太明显 ； 第二种途 径应用普遍 ， 技术较为成熟 ， 能有效降低煤层瓦斯涌 出量 ， 抽采效果 比较好 。 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 ， 抽放系统中大约有 8 0 ％以上的空 气是通过钻孔吸入的， 如果提高了封孔质量， 钻孔空 气的吸入量减少 1 ／ 2～1 ／ 3 ， 钻孔 瓦斯抽采量可能增 加 1 ． 5～ 2倍 ， 这将显著提高井下瓦斯抽采效果。 瓦斯抽采钻孔封孔必须满足以下条件 密封性 好 、 操作方便快捷 、 封孔时间短、 单价费用低。封孔技 术的选择必须结合现场瓦斯抽采方法以及钻孔煤层 位置 ， 围岩性质 、 地质构造等因素综合确定。国家规 定本煤层顺层钻孔封孑 L 深度不小于 8 m， 临近层穿层 钻孔封孔深度不小于 5 m； 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。 1 现有技术 1 ． 1 “ 两堵一注” 式带压封孔技术 “ 两堵一注” 式带压封孔技术 图 1 就是采用 “ 两端堵 ， 中间注 ” 的操作工艺 ， 在封孔 区域两端采 用一定材料来封堵 ， 一般是聚氨酯或者聚氨酯混合 其他材料 ， 这样在封孔 区域 中间就留有一个密封 区 域 ， 然后利用预置的注浆管 向中间位 置注入水泥砂 浆 ， 在注浆压力的作用下 ， 浆液将会渗透到孔壁周围 的裂隙中 ， 从而填充了裂隙， 实现瓦斯抽采钻孔的封 孔 。 1 一 钻孔 ； 2 一 水泥砂浆 ； 3 一 聚氨 酯； 4 一 瓦斯抽采管 ； 5 一 注浆 管 ； 6 一 连接 注浆设备处 图 1 “ 两堵一注 ” 式带压封孔技术 聚氨酯具有 良好 的渗透性 、 膨胀性 以及早强性 的特点 ， 利用其特点可以在短 时间内支撑钻孔并填 充周 围裂 隙， 在封孔 区段两端反应完成后便提供 了 一 个相对密闭的注浆区域。水泥砂浆在一定压力下 注入密闭区域 内并凝 固后 ， 恢 复了封孔 区段 的整体 性 ， 对钻孔形成支撑力 ， 增加 了钻孔的可靠性 。该技 术能够克服单纯的聚氨酯封孔所带来 的封孔长度与 深度受限， 膨胀力不足 以使封孔材料充分填充封孔 段周 围煤体裂隙 ， 以及 由于受压力差导致抽采后期 产生裂隙， 形成漏气通道的缺陷； 同时发挥了水泥砂 浆凝 固后能够充填封孔 区段周 围煤体裂隙 ， 并能够 主动支撑钻孔 的优势。 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 - 2 9 作者简介 魏 自富 1 9 9 0一 ， 男， 河南安阳人， 在读硕士研究生， 研究方向为瓦斯灾害预测与防治方面。 49 2 0 1 6年6月 魏 自富等 浅谈松软煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术 第2 5卷第6期 】 ． 2 囊袋式注浆封孔技术 囊袋式注浆封孔技术 图 2 是通过两个囊袋来 封堵钻孔 ， 首先利用注浆管向囊袋注浆 ， 囊袋膨胀后 将会与钻孔 内壁紧密接触 ， 两个囊袋间有一个 出浆 嘴 ， 一定压力下 ， 浆体将通过囊袋 出浆嘴 向钻孔 的封 孔段注浆 ， 充填钻孔周围裂隙 ， 进而实现抽采钻孔 的 封孔 ， 1 钻扎 ； 2 一 塑料堵头件 ； 3 一负荷囊袋 ； 4 一 瓦斯抽呆管 ； 5 出浆 嘴 ； 6 一注浆管 闰 2 囊袋式注浆封孔 技术 囊袋式注浆封孔技术能够封堵封孔段周 围煤体 的初期裂隙 ， 给钻孔提供支护力 ， 抑制钻孑 L 的变形 ， 减轻周 围煤体压力对钻孔 的破坏 ， 能有效阻止抽采 后期裂隙的产生。 1 ． 3 穿层钻孔返渣封孔技术 返渣封孑 L 技术 图 3 广泛应用于英 国煤 矿 ， 该 技术是用穿孔橡胶垫片或者包裹有防蚀胶带 的螺纹 环来封闭孔 口， 再通过返流岩屑进行二次封孔 。在 穿层钻孑 L 施工过程 中， 随着钻孔 的推进 ， 煤层或者上 履岩层被破碎后会形成各种含水 的碎石 、 岩屑或者 它们的混合物 ， 因受到重力和水流冲击的影响 ， 它们 会在钻孔 内壁斜面产生类似流动的持续运动。当这 些混合物的含水量达到 8 0 ％时 ， 可 以用改进后 的工 艺使返流岩屑逐渐 积聚 、 脱水 、 粘结 ， 最终将会形成 封孔材料 。 3 返渣封孔技术 除了上述封孔技术外 ， 当前国内较为成熟的封孔 方法还有使用聚氨酯类有机材料 、 P D材料 、 封孔器 、 水泥砂浆等来实现封孔； 它们的优 、 缺点 ， 见表 1 。 2 存 在 问题 2 ． 1 封孔 材料 目前封孔材料 的渗透性 、 膨胀性 、 防水性 以及强 度和硬度并没有达到设计要求的水平。材料渗透性 差则不能使之充分 渗透 到钻孑 L 周 围裂隙 ； 材料膨胀 性能差则不能给钻孔 以主动支护 ， 对周 围煤体产生 相应的应力 ， 削弱 了周 围煤体 的密 闭性 ； 防水 性差 5 n 能， 对于含水量大的煤层 ， 钻孔内部容易积水 ， 造成 周围含水煤 岩 层对钻孔的腐蚀以及对发泡材料 膨胀性 的影 响； 现阶段 注浆封孔端 口的封堵材料依 然存在强度底 、 径向作用力不够等问题。 表 1 封 孑 L 技术对 比分析 类别 优点 缺 点 P 粼 封孔器封孔速 度快 ， 一般 可 薰复 封孔技术使用 水 泥砂浆操作简单 ， 水泥砂 浆价格 封孔技 术低廉 ， 固化后承压能力高 发泡 速度快 ， 可操 作时 间 就相 对较 短 ， 不 易控 制 ， 封孔长度较 短 ， 泡孔 强度 不高 且 会 随着 时 间 的推 移而 发 生 收 缩 ， 产 生 漏 气 ， 失 去 密封 能 力 ， 而且 聚氨酯类材 料价格 较高 ， 属于高分子 材料 ， 具有毒 性 封孔成 本较 高 ， 适 用于局 部钻孔封堵 密 时问短 ， 对 于高应力 区域 发 生 的钻 孔 运移 变 形 ， 封 孔 器 很 难 回收 利 用 ， 适用于临时封孔 固化 时间长 ， 完 全固化前 容易产生裂缝 ， 与孔壁结 合性不好 ， 密封性 能较差 且劳动量大 ， 需 要消耗 大 量的人 力、 物力 。 2 ． 2始封 深 度和 封孔 长度 松软煤层 的透气性差 、 瓦斯赋存量较高、 围岩性 质和地质条件复杂 ， 确定始封深度 和封孔长度所要 考虑 的因素还不够全面。封孑 L 长度面临着注浆压力 对封堵材料强度要求 的问题 ， 始封 深度则 面临着 三 带合理划分的问题 。巷道成 型后 ， 在高应力 的作用 下 ， 从煤体边缘到深部依次会出现应力释放 区、 应力 增高区、 原始应力区。如果始封深度太浅 ， 封孔段末 端未在应力增高区 ， 在负压作用下 ， 钻孔可通过周围 裂隙与外部空问形成循环 回路 ， 致使 空气通过裂 隙 进入钻孑 L 内部 ， 从 而使 瓦斯抽采浓度 降低。如果始 封深度较深 ， 将会增加封孔 的成本 ， 有可能形成抽采 盲区， 影响后续采煤工作的安全开展。 2 ． 3 钻孔成型 松软煤层深孔掘进困难已经成为瓦斯抽采工作 顺利开展 的一大难题 。松软煤层瓦斯抽采钻孔施工 过程 中， 往往会出现钻进深度达不到设计要求 ， 主要 原因是排渣不 良， 钻机功率达不到施工要求 ； 钻进过 程中如果 出现塌孔现象 ， 钻机负荷将会加大 ， 致使施 工过程排渣不畅 ， 甚至出现卡钻等现象 ， 严重影响钻 孔成型 ， 造成封孔质量差。 3 解决办法 3 ． 1 合理 的封孔材料 应对封堵材料的抗压强度 、 抗剪强度 、 封堵的密 闭性等进行进一步的研究 ， 同时要开发强度高 、 径 向 作用力高的新型封堵材料 ； 下转第 7 0页 马 英 综采工作面安全充填开采技术的分析 第2 5卷第6期 可以避免插板变形。②在整个充填 的过程 中， 紧密 关注矸石在下漏时得情况 ， 一次运送矸石 的量要不 多不少 ， 拿捏到位 ， 保证充填的结果 。③在回采的过 程 中， 应当保持工作面的水平 ， 确保运送井然有序的 进行 。④破碎机破碎矸石 时， 必须有作业人员在旁 看守 ， 保证矸石破碎到直径约 5 0 m m， 这样才能使采 空区填充结实。 4 充填效果及应用前景 在“ 三下” 采煤 的规章 中， 明确规定 ， 地表砖混 结构建筑物的破坏属于 I 级变形 。此矿 区 自从开采 工作开展 以来 ， 每周都对地表砖混结构建筑物进行 监测 ， 发现其最大的变形值为 1 ． 0 mm ／ m， 在 I 级变 形破坏的范围内， 达不到危险。长期以来 ， 矸石都是 被当作废物的 ， 自实行矸石填充再开采 以后 ， 共计以 矸换煤 1 2 2 ． 2万 t ， 破碎矸石 7 4 ． 8 4万 t ， 尽管在开采 过程 中， 有部分设备需要增加费用 ， 但相比煤的回采 率的增多 ， 费用 已不是问题 ， 而且最主要的是在提高 了利润的前提下 ， 矸石缓减了对生态环境的破坏 ， 矸 石不用上地 就不会 占用 空地 ， 从 而达到绿 色开采。 综采支架充填工艺开采技术不仅投资少 ， 操作简单 方便 ， 更使得 可 以废物 利用 ， 所 以这个 方法 在 “ 三 下” 采煤 中必须得到大力的推行。 5 结语 煤矿采用综采工作面安全充填开采技术对于美 化矿区环境 、 改善能源结构和实现环境保 护等都具 有重要的意义。在可持续 发展的总体 战略 目标下 ， 还要不断研究 、 探索和创新 ， 并逐步完善 开采工 艺 ， 以矸石废物利用填充的最新 工艺 ， 推动煤矿 以矸换 煤工艺体系的更新换代 ， 为解决 “ 三下压煤 ” 提供科 学依据 ， 最终实现“ 奉献绿色资源 ， 创造人本价值” 。 参考文献 [ 1 ] 张孝飞． 矸石充填留巷技术的研究应用[ J ] ． 黑龙江科 技信息 ， 2 0 1 3 2 7 5 6 5 8 ． [ 2 ] 刘铁鸣， 张宝成 ， 宋立平． 长城二号煤矿矸石充填综采 及设计[ J ] ． 陕西煤炭， 2 0 1 4 2 8 0 8 2 ． [ 责任编辑 路方] 上接 第 5 0页 现 阶段提高封孔效果就要做好封孔 材料 的合理选 择 ， 封孔材料的选 择应尽可能满足设 计要求的渗透性 、 膨胀性 、 防水性以及适 当的强度和 硬度 ， 而且要考虑封孔材料凝 固后的裂隙问题 以及 与孔壁结合的紧密性 。 3 ． 2 合理的始封深度和封孑 L 长度 钻孔施工过程 中， 为了避免扰动裂隙卸压对封 孔质量的影响 ， 确定始封深度和长度之前需要考虑 扰动裂隙范 围。巷道三带的划分直接影响着始封深 度和封孔长度 ， 合理确定三带范围， 是封孔深度的关 键 ， 可通过测定煤体不同深度的钻 屑量 s值和钻屑 解析值推算出巷道三带 的分 布区域划分 ， 封孔长度 也要充分考虑到注浆压力对封堵材料 的强度要求 ， 可通过实验测定不同封孔长度和封堵装置阻力之 间 的关 系， 确定最优封孑 L 长度。 3 ． 3 提高钻孔成型率 笔者认为应该从 “ 人机环管 ”四个方 面来提高 钻孔成型率 1 “ 人” 包括施工人员素质和职业技术水平 、 管理者的决策水平、 现场指挥者的指挥水平 以及人 员的身体状态和心理活动 ； 2 “ 机” 包括选择合适的施工机具 、 做好设备 的维修保养 ； 3 “ 环” 就是加强现场环境监测 ， 做好 地质勘 查工作 ； 7 0 4 “ 管 ” 就是优化 组织结构 、 明确 岗位职责 、 监督操作 规程 的实 施 以及做 好突发事 件 的应急 预 案。 4 结语 松软煤层 瓦斯抽采工作任务艰 巨 ， 封孔质量 的 好坏直接影响着瓦斯抽采 的效果 ， 从影响封孔质 量 的各种因素出发 ， 找到提高封孔质量 的有效途径 ， 对 煤矿 的安全生产工作意义重大。 参考文献 [ 1 ] 杨旭， 张春华， 郝朝瑜， 等． 松软煤层壁式密封瓦斯抽 采技术研究[ J ] ． 世界科技研究与发展 ， 2 0 1 5 6 6 5 8 6 62． [ 2 ] 孙玉宁， 王永龙， 翟新献， 等． 松软突出煤层钻进困难的 原因分析[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 2 1 1 1 71 2 1 ． [ 3 ] 孙星． 浅谈瓦斯抽采钻孔封孔技术[ J ] ． 科技风， 2 0 1 3 1 5 1 9 ． [ 4 ] 桑朋， 杨磊， 韩巍， 等． “ 两堵一注” 式顺层钻孔 封孔技术研究与应用 [ J ] ． 中国煤炭， 2 0 1 4 3 9 8 1 01， 1 0 5． [ 5 ] 王兆丰， 武炜． 煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析 [ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 4 6 3 1 3 4， 1 0 3 ． [ 6 ] 薛建峰． 穿层钻孔返渣封孔技术研究与应用[ J ] ． 中州 煤炭， 2 0 1 4 6 6 06 3 ． [ 责任编辑 路方 ]