三软难抽煤层大孔径抽采封孔技术改进.pdf
2 0 1 4年第 5 期 中州煤炭 总第 2 2 1 期 三软难抽煤层大孑 L 径抽采封孔技术 改进 李 亚龙 1 . 河南理工大学 安全科学与工程学 院, 河南 焦作4 5 4 0 0 3 ; 2 . 郑煤集 团公 司 杨河煤业 , 河南 新密4 5 2 3 8 2 摘要 三软难抽煤层 顺层 钻孔 预抽瓦斯过程 中抽采浓度 、 抽 采负压均 偏低等 问题的存在 , 在 一定 程度 上影响 了瓦斯治理 的成效。为有效解决本煤层顺层孔抽采浓度低 的问题 , 以裴沟煤矿为研 究背景 , 通过大直径顺层 钻孔施工 , 采取“ 两堵一注” 封孔工 艺, 比较和研 究 了不 同封孔 材料对抽 采 瓦斯 浓度及 负压 的影响。研 究结 果表明 采取“ 两堵一注” 封孔后 , 有效抽高 了钻孔的抽采负压及抽采浓度。 关键 词 煤层 ; 瓦斯抽采; 封孔工 艺; 抽采浓度 中图分类号 T D 7 1 2 . 6 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 4 0 5 0 0 5 5 0 3 I mpr o v e me nt o f S e a l i ng Te c hn o l o g y f o r La r g e Ap e r t ur e Dr a i n a g e Dr i l l i ng Ho l e s i n Ha r d l y - d r a i n e d ” Thr e e S o f t ” Co a l Se a m Li Ya l o n g 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 , H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y , J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 , C h i n a ; 2 . Y a n g h e C o o l Mi n e , Zh e n z h o u C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ., Xi n mi 4 5 2 3 8 2, C h i n a Ab s t r a c t Th e dr a i n a g e c o n c e n t r a t i o n a n d t h e n e g a t i v e p r e s s u r e o f e x t r a c t i o n i s r e l a t i v e l y l o w i n t h e t hr ee s o ft c o a l s e a m , t h e s e p r o bl e ms a f f e c t t h e e f f e c t o f g a s c o n t r o l t o a c e r t a i n e x t en t . To e f f e c t i v e l y s o l v e t h e s e p r o b l e ms, t h i s p a p e r s t u dy o n t he ba ck g r o un d o f Pe i g o u Co a l Mi n e , c o n s t r u c t e d t h e h o l e s a l o n g s e a m a n d t o o k t h e t e c h n i c o f” t w o b l o c k i n g a n d o n e i n j e c t i n g ”, t h e e f f e c t s t h a t d i f f e r e n t h o l e s e a l i n g ma t e r i a l s t o t he d r a i na g e c o n c e n t r a t i o n a nd t h e n e g a t i v e pr e s s ur e ha d b e e n s t u di e d. Th e r e s ul t s s h o w t h a t t he”t wo bl o c k i n g a n d o ne i n - j e c t i n g ”p r o c e s s h a s e f f i c i e n t l y i mp r o v e d d r a i n a g e c o n c e n t r a t i o n a n d t h e n e g a t i v e p r e s s u r e o f d r i l l h o l e s . Ke ywo r ds c o a l s e a m ; g a s d r a i na g e; t e c h no l o g y o f s e a l i n g h o l e ; g a s d r a i na g e c o n c e n t r a t i o n 裴 沟 煤 矿 隶 属郑 煤 集 团 , 由裴 沟 、 杨 河 、 樊 寨 3 个 井 田组 成 。井 田总 面 积 4 8 . 7 6 k m , 核 定 生 产 能 力 2 0 5万 t / a 。该 矿 为 突 出 矿 井 , 绝 对 瓦 斯 涌 出量 2 8 . 5 3 m / mi n , 相 对 瓦斯涌 出量 7 . 2 2 I n / t , 所采 二 . 煤 层属 三软 不 稳 定 煤 层 , 地 质 条 件 复 杂 , 全 层 构 造 煤 , 煤层瓦斯压力大 、 含量高, 透气性差 , 属难抽煤 层 。 由于透气 性低 、 较难 抽放 , 裴 沟矿在 实施 本煤 层 顺层钻孑 L 抽采时瓦斯抽采浓度低 、 负压低 , 无法满足 瓦斯 治理 的需 要 。 因此 , 该 矿 实 施 了 大孔 径 顺 层 钻 孔 高负压 抽采 技 术 , 有 效解 决 了本 煤 层顺 层 孔 抽 采 浓度 低 的问题 。 工作 面 。该 面走 向长 1 0 8 6 m, 切 巷 长 1 3 0 m, 煤 层 结构 简单 , 煤 厚 4 . 0~1 7 . 3 m, 平 均 厚 9 . 6 7 m, 局 部 地段 受构造 影 响 , 煤 层 变 薄 , 煤 厚 1 . 4~4 . 0 I n 。在 抽 采试 验 区 , 采 用 Z Y- 1 5 0型 钻机 、 Z D Y. 3 2 0 0型钻 机 配合 高 中压 压 风 、 圆形 凸棱 钻 杆 , 施 工 1 1 3 m m 的 抽采钻孔 , 然后采用不同封孔工艺进行封孔。 该 面 现 布置 有 2套 瓦斯 抽 采 系 统 , 抽 采 能 力 均 为 6 0 m / mi n 。一 套 服 务 于 高 位 钻 孔 采 空 区 抽 采 , 目前 抽采 浓 度 6 % 左 右 , 抽 采 负 压 3 0~4 0 k P a 另 一套 服务 于工 作 面 本 煤层 顺 层 钻 孔 抽 采 , 目前 抽 采 浓度 1 0 % 以上 , 抽 采 负压 6 0 k P a以上 。 1 工作面概况 2 封孔 工艺改进前瓦斯抽采情况 试验地 点 选 在 裴 沟 煤 矿 3 1采 区首 采 面 3 1 0 7 1 收稿 日期 2 0 1 4一O 10 6 作者 简介李亚龙 1 9 8 4 一 , 男 , 河南新 郑人 , 注册安全工程师 , 河南 理 工大学在读硕士研究生 , 现从事通风 、 瓦斯管理工作 。 此前 , 3 1 0 7 1工 作 面顺 层 钻孔 终 f L f L 径 8 9 m m, 封 孔管 为 1 根 1 0 m 长 的双 抗 管 , 直 径 2 5 m m, 前 端 花管长度 1 m, 采用双抗管配合袋装马丽散封孑 L , 封 孑 L 段 长度 9 In。通 过对 该试 验 区原 4 6 1个 钻 孑 L 的数 55 2 0 1 4年第 5 期 中州煤炭 第2 2 1 期 据 统 计 分 析 , 封 孔 后 联 抽 2 4 h后 , 瓦 斯 浓 度 最 高 1 8 % , 7 5 %的钻孔 在联抽 2 4 h后单孔 瓦斯浓 度在 1 0 % ~1 2 % 之 间 。联 抽 后 1个 月 内 , 瓦 斯 浓 度 由 1 0 %左右迅速衰减降至 5 % 以下 , 之后单孔浓度普 遍 在 2 % ~3 % 之 间 , 3个 月 后 , 抽 采 浓 度 徘 徊 在 1 % , 单孑 L 负压 1 0~2 0 k P a ; 抽 放 泵 站 浓 度 从 最 大 的 8 % 降 至 1 . 5 % 左 右 , 整 体 抽 采 浓 度 偏 低 , 泵 站抽 采 负压 3 0 k P a 图 1 、 图 2 。 蓝 吕 O 图 1 试 验 区 单 孔 原 抽 放 浓 度 衰 减 曲 线 图 2试 验区主管路原抽放浓度衰减 曲线 3封 孔 工 艺 改 进 根据 抽 采 情 况 可知 , 钻 孔 封 孔 是影 响 瓦斯 抽采 效 果 的关 键环 节 , 而 钻孔 封 孑 L 质量 的好 坏 取 决 于 两 个重要因素 ①封孔材料的性能 , 若材料易于渗漏或 粘结 较差 , 则会 由于 钻 孔漏 气 而无 法 达 到 瓦 斯 抽 采 的效果 ; ②封孔长度 , 若未确定足够的封孑 L 长度, 则 在孔 口负压作 用 下 , 钻 孔 可 以 通 过煤 体 裂 隙与 外 部 空 间形成 回路 循 环 而导 致 连 通 漏 气 , 降低 瓦 斯 抽 采效 率 。因此 , 对 孔 径 的选 择 、 封 孔 长度 、 封孔 材 质 等影 响 瓦斯 抽 采 效 果 的封 孔 技 术 进 行 综 合 分 析 论 证 。 3 . 1钻 孔孔 径 大 直 径钻 孔 可 以起 到破 裂 和软 化 煤体 的作 用 。 当在煤 体 内进行 卸 压 钻 进 时 , 在 钻 孑 L 周 围 的 高应 力 作 用下 , 其钻 出的 煤 粉 量 较平 常有 很 大 的增 加 。 因 此 每一 个钻 孑 L 周 围形 成一 个 比钻孔 直 径大 得 多 的破 碎 区 , 当这 些破 碎 区互相 连通 后 , 便 能 使岩 体钻 进剖 面全 部 破 裂 , 支 承 压 力 平 衡 , 向 围 岩 深 部 转 移 。 当在工 作 面两巷 同时 施 工 顺 层 钻 孔 时 , 由于 钻 孔 周 5 6 围煤 体 受高 地应 力 挤 压作 用 , 塑 性 破 坏 区 的 煤体 不 断得 以补充 并 随着 钻具 的钻 进 排 出孔 外 , 起 到 卸 压作 用 , 并形 成 了瓦斯 流 动通 道 , 利于 瓦斯 抽放 。但 随着 钻 孔直 径 的增大 , 施 工及 钻进 难度 也就 越 大 , 且 对 钻机 具 的要求 越 高 , 因此 , 钻 孑 L 直 径 不 宜 过 大 。 根 据理 论分 析 和裴 沟 矿 现 场 实 际操 作 情 况 , 实 验 区 顺 层钻 孔终 孑 L 直径选 定 为 1 1 3 m m。 3 . 2钻 孔封 孔 长度 根据应力分布规律 , 巷道轮廓线周边 6 m左右 范 围为卸压 破碎 区, 1 0~1 5 m为高应 力集中区, 约 1 5 m 以里为 原始 应力 区。考 虑 到巷道 掘进 期 间 , 巷 道 轮廓 线 以外 1 5 m 为 区域 探 测 钻 孔 的终 孔 控 制 位 置 , 为减 缓 高应力 对封 孔 密实 段 的破坏 , 防止 因通 过原 钻孑 L 与外 段卸 压 区沟通 , 从 而影 响抽 放 效果 , 必 须通过加长密实封孑 L 段长度 , 提高封孑 L 段对高应力 区抵 抗能 力 , 选 定 封孑 L 段 长 度 1 8 m进 行试 验 。 3 . 3封 孔材料 在 3 1 0 7 1_丁作 面预 计 终 采 线 外 2 0 m 边 缘 以里 6 0 m 范 围 内 , 分 别 以矿 用 合 成 树 脂 、 速 凝 膨 胀 封 孑 L 剂 、 普 通 水泥 为 封孔 剂 , 对 2 0个 钻孔 进 行 封 孑 L 试 验 并考 察 抽采 效 果 。 通 过 比较 发 现 , 3种 封 孔 材 料 的 单孑 L 抽采负压都能维持在 5 0~ 6 0 k P a 。抽采 1个月 后 , 矿用 合成 树 脂 的 抽 采 浓 度 保 持 在 1 2 % , 速 凝 膨 胀封 孔 剂 的浓 度 保持 在 2 0 % , 普 通水 泥 的浓 度 仍 能 保持 3 0 % 左右 , 远远 高 于另 外 2种 封 孔材 料 。综 合 对 比操 作程 序 、 难 易程 度 、 操 作 时 间等 因素 , 认 为 采 用 普通 水 泥封孔 能 够 达 到 抽 采 效果 并 节 约 成 本 ; 但 从 钻孔 抽放 效果 的持 续 和 稳 定 性来 看 , 速 凝 膨 胀 封 孑 L 剂效果较佳 图 3 。 6 0 商 5 0 4 0 靛 3 0 罾2 0 1 0 0 图 3不 同注 浆材料封 子 L 后 平均抽采浓度对 比 3 . 4封 孔技 术 采 用 “ 两 堵一 注 ” 封 孔 技 术 。该 技 术 是 利 用 袋 装 矿用 合成 树 脂 封 堵 两 头 即 孔 口以里 0 . 5 m 范 围、 花管以外 0 . 5 m范 围 , 待树脂完 全发爆后 , 使 得 两堵 之 间形成 一 个 密 封 的 容 器 空 间 , 随 后 通 过 预 埋 注 反 浆 管 , 利用 注 浆泵 将 浆 液 压 入两 堵 之 间密 李 亚龙 三 软难 抽煤层 大 孔径抽 采 封孔技 术 改进 总第 2 2 l 封 的容 器空 间 内并 充 填严 实 , 人 为造 成钻 孔 内 、 外 的 “ 屏 障” 。封孔 工 艺如 图 4所 示 。 花管 图 4“ 两堵一注” 封孔示意 4 效果考察 自2 0 1 1年 1 0月 至 1 2月 , 该 试 验 区共 施 工 6 5 个钻 孔 , 其 中 回 风 巷 7个 钻 孔 , 胶 带 运 输 巷 5 8个 。 钻孔 均采 取 “ 两堵一 注 ” 封 孔工 艺 , 严 格 按 照环 节 管 控流 程进 行操作 。截至 2 0 1 2年 1 月 中旬 , 已连 续 抽 采 6 0多天 。 4 . 1 瓦斯 浓度 分析 在本 煤 层 大孑 L 径 顺 层钻 孔 的施工 过 程 中, 采 用 “ 两堵 一注 ” 封孔 工艺 , 瓦斯 抽采 主 管 路 中瓦 斯 浓 度 最高 可达 1 8 % , 经 过连 续 抽 采 6 0 d后 , 单 孔 瓦 斯浓 度较先 前 有 明显 的增 加 图 5 , 最 大 达 7 1 % 。其 中 单孔 瓦斯 浓度 小 于 1 0 % , 占总 数 的 2 1 . 3 % , 在 1 0 % ~ 4 0 % 之 间 占总 数 的 5 5 . 9 % , 大 于 4 0 % 的 占总 数 的 2 2 . 8% 8 0 6 0 烂 摄 4 0 2 0 0 l 4 ⋯⋯1 5 l ⋯⋯ l 8 一 2 6 一 一2 9 1 0 2 0 3 O 4 0 5 O 6 0 抽放时间/ d 图 5 单子 L 瓦斯深度随抽采时 间变化 曲线 4 . 2抽 采负压 分析 采用“ 两堵一注 ” 封孑 L 方式后 , 孑 L 口始终处于高 负压 抽采 状态 , 抽采 泵站 抽采 负压 最高 达 8 4 k P a , 平 均抽采负压大于 6 0 k P a , 抽采负压提高了 1 . 3倍 ; 单 孔抽 采 负压 最 高 达 6 8 k P a , 平 均 抽 采 负 压 高 于 5 6 k P a , 较 先前 采 用 的封 孔 方 式 , 抽 采 负 压 提 高 了 2 . 5 倍 图 6 。 图 6不 同注浆材料封子 L 后平均抽采负压对 比 分 别选 取 3种不 同注 浆材 料后 的单 孑 L 抽 采 负压 进行对 比分 析 , 从 图 6可知 , 在 相 同 的抽 采 时 间 里 , 采用 3种 不 同材 料 封 孔 后 测 得 的 孔 口负 压 差 别 不 大 , 钻孔 抽 采负压 可 以满 足高 负压抽 采 的要求 。 5 实验效果 3 1 0 7 1 工 作 面试 验 区采 用 大 直 径 顺 层 钻 孔 “ 两 堵 一注 ” 封 孔 工 艺 封 孔 联 抽 , 瓦 斯 抽 放 效 果 提 高 明 显 。截 至 2 0 1 2年 1月 中旬 , 3 1 0 7 1 外 段 2 0 0 m 实验 区共施 工钻孔 6 5个 , 抽放 时 间最 长 的 钻孔 达 6 0 d 。 目前 单孑 L 浓 度 均 大 于 5 % , 其 中 大 于 5 %小 于 4 0 % 有 4 0个 , 占总数 的 6 3 . 5 % ; 大于 4 0 % 的有 2 3个 , 占 总数 的 3 6 . 5 % 表 1 。 表 1 3 1 0 7 1工作面封孔工艺 改进前后抽采效果对 比 比较项 目 原来抽采情况 试验区抽采情况 封孔 工艺 封孔段长度/ m 抽采管管径/ ra m 花管段 长度/ m 马丽散封孔 8 2 5 l 抽采浓度降到 5 % 以下 时间 2 5 d 抽采 1 个月后浓度 5 % 以下 单孔 负压/ k P a 2 0 泵站 负压/ k P a 3 5 泵站浓度 2 %左右 抽采纯量/ m mi n 0 . 4 “ 两堵一注” 1 8 5 O 6 6 0 d后浓度平均 3 0 % 3 0% 5 0 ~6 O 6 0 ~6 8 1 0 % 左 右 2. 0 6 结 论 1 通 过 大孔 径 钻 孔 的 施 工 , 本 煤 层 钻 孔 孑 L 径 由 8 9 mm变 为 1 1 3 mm, 采用 “ 两堵 一 注” 封 孑 L 工 艺 , 严 格环 节 管 控 , 抽 采 管 采 用 直 径 为 5 0 m m、 长 2 4 m 的聚 乙烯双 抗管 , 密 实段 为 1 8 m, 采 取带 压 注 浆 、 二 次补浆的方法 , 孑 L 口负压由原来的 2 0 k P a 提高至不 小 于 6 0 k P a , 泵 站 负压 大于 6 0 k P a , 最 高达 8 0 k P a 。 2 采用 该 方 法 抽 采 后 , 抽 采 泵 站 瓦 斯 抽 采 浓 度 由以 前 的 1 . 5 % 提 高 到 了 1 1 % 左 右 , 最 高 达 到 1 8 % 。 下转 第 8 7页 57 2 0 1 4年第 5期 原生芾 。 等 矿用电动机综合保护装置漏电闭锁功能的研究 总第 2 2 1 期 k Q 电阻 , 保 护器 应 可实现保 护 动作 , 若 不动作 , 则 需 微调电阻 R , ; 3 3 线16 6 0 V端和漏电闭锁检测接地 端子 L 9 跨接一个 2 2 k n 电阻 , 保护器也应能动作 , 不 动作微 调 电阻 R 即可 。 试验完毕后 , 把 K D B保护器装入开关 , 所有接 线仍按原来接法 , 9 线不接地 , 新改装的漏 电检测接 地端子 L 9 引线 与开关外壳接地相 连, 进行联机模 拟试验 ①1 1 4 0 V系统中 , 在保护器 3 3 线 1 1 4 0 V 端和改用 的漏电闭锁检测接地端子 L 9 间跨 接 1个 4 0 k O 电阻, 合上开关盖。接上 1 1 4 0 V电源 , 按章 操作 , 启动开关, 开关保护应能动作不 吸合 , 去掉跨 接的电阻开关应能正常 吸合。②6 6 0 V系统 中, 在 保护器 3 3 线 6 6 0 V端和 L 9 间跨接 1个 2 2 k O 电 阻 , 合上开关盖。接上 6 6 0 V电源 , 按章操作 , 启动 开关 , 开关应能保护动作不吸合 , 去掉跨接的电阻开 关应能正常吸合。 以上改动实验进行多次 , 确保动作灵敏可靠 , 满 足保 护漏 电功能要 求 。 4新型 隔离式漏 电检测 型保 护器研 究 针对现有保护器存在问题 , 为满足现场使用要 求 , 经与有关厂商交流 、 探讨 , 研制了新型数字式 电 动机综合保护器 , 该保 护器采用附加直流电源原理 进行漏电检测和闭锁保护 , 其工作原理如图 5所示。 图 5 新 型 保 护 器 漏 电 闭 锁 工 作 原 理 新型保护器的漏电检测采用了与控制电源完全 电气隔离的漏 电检测电源和检测 回路 , 无需控制变 压器 二次 侧 9 线 或 3 3 接 地 , 解 决 了 J D B、 K D B、 Z D B 等老 式 电动机保 护 器存 在 的安全 隐患 。 新型数字式电动机综合保护器在 内部配置 了独 立 的隔离 变压器 , 从 而实 现 与 3 6 V控 制 电源在 电气 上完全隔离。隔离变压器输出两路电源, 分别是保 护器的工作 电源和漏电检测用附加直流 电源。图 5 中仅有漏电检测部分, 隔离变压器二次经整流 、 滤波 并通过高稳定电压基准稳压 , 使精确检测绝缘 电阻 有了保障。而且 , 漏电检测接 口的信号能量经周密 设计 , 在正常工作或故 障状态下产生的电火花 与热 效 应都 不会 点燃 爆 炸性 甲烷混 合物 。 检 测 回路 中 串接有 取 样 电 阻 R, 端 子 R、 R 一 用 于检 测 负荷侧 对地 绝缘 电 阻的变 化 。负荷 侧对 地 绝缘电阻 的变 化, 将 导致取 样 电阻 R两端压 降变 化 。将该压降经过信号处理和 A / D转换 , 送 入微处 理 器进 行漏 电电阻 的计算 、 显示 和漏 电闭锁判 断 。 5 结 语 对 于 现 有 电动 机 综合 保 护 器 , 可 通 过对 其 外 部 接 线方 式或 对 内部 线 路 进 行 改 造 , 使 其 符 合 河 南 省煤矿防爆 电气性 能检查细则 要求 ; 对 于新 建矿 井或需对保护进行更新 、 增补时, 可选取 内部配置独 立 隔离 变压 器 的新 型保护 器 。上述 两种 方式 的保 护 器经在 焦煤 集 团部 分 矿井 试 用 近一 年 来 , 均 取 得 了 较好效果 , 解决了矿用隔爆型真空电磁启动器 中保 护器 的漏 电闭锁 问题 。 参考 文献 [ 1 ] 彭伯 高, 钱粤 民, 万业强 , 等。 煤矿机 电[ M] . 焦作 焦作矿务局 技 工培训 中心 出版 , 1 9 9 3 . 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