煤层瓦斯抽采孔封孔技术的研究与应用.pdf

2 0 1 3 年第 4 期 中,k l，l 煤炭 总第 2 0 8 期 煤层 瓦斯抽 采T L , T L 技术 的研 究与应用 许 军锋 ， 王 稳 飞 平煤股份 勘探工程处 ， 河南 平顶 山4 6 7 0 0 0 摘要 从 平煤 股份八矿煤层 瓦斯抽采现状 出发 ， 在分析煤体 特征 的基础上 ， 提 出 了顺层钻孔 长距 离护封联合 封孔新技术 ， 以能有效减少及封堵钻孔周 围裂 隙， 从而提高封孔质 量， 并进行 了对 比试验 。结果表 明， 全程 下 套管封孔工 艺延长 了钻孔 衰减 期 ， 提高 了钻孔 的抽采质量。 关键词 瓦斯抽采 ； 封孔 ； 套管 ； 瓦斯浓度 中图分类号 P 6 3 4 ． 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 3 0 4 0 0 7 90 3 Re s e a r c h a nd Ap pl i c a t i o n o f S e a l i ng Te c hn o l o g y f o r Co a l Se a m Ga s Ex t r a c t i o n Bo r e ho l e s Xu J u n f e n g， W a n g W e n f e i E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ， P i n g d i n g s h a n T i a n a n C o a l I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t F r o m t h e r e s e a r c h s t a t u s o f c o a l s e a m g a s e x t r a c t i o n i n No． 8 Co a l Mi n e o f Pi n g d i n g s ha n Ti a n a n Co a l I n d us t Co．， L t d．， b a s e d o n t h e a n a l y s i s o n t h e c o a l f e a t u r e s ， a ne w t e c h ni c a l me t h o d o f c o mbi ne d s e a l i n g bo r e h o l e s t e c h n o l o g y wa s pr o po s e d， whi c h c a n r e a l i z e t he l o n g di s t a n c e b o r e h o l e s e a l i n g o f bo r e h o l e a l o ng t h e c o a l s e a m． Th e p ur p o s e o f t h i s t e c h n o l o g y i s t o r e du c e a n d s e a l t he c r a c ks a l o n g t h e bo r e ho l e e f f e c t i v e l y， t h us c a n i mpr o v e t h e s e a l i n g q ua l i t y o f t he b o r e h o l e ． Th e c o nt r a s t t e s t wa s a l s o c a r r i e d o ut ． Re s u l t s s h o w t ha t ， t h e e nt i r e c a s i ng s e a l i n g pr o c e s s e x t e n d s d e c a y pe r i o d o f t he b o r e h o l e， i n c r e a s e s e x t r a c t i o n q ua l i t y o f t h e bo r e ho l e s ． Ke ywor ds g a s e x t r a c t i o n； s e a l i n g bo r e ho l e； c a s i ng； g a s c o nc e n t r a t i o n 煤矿开采过程中， 瓦斯灾 害严重制约着矿井的 安全 生产 。 国内外 学者 在 瓦斯治 理方 面做 了大量 的 研究 ， 目前本煤层瓦斯抽采仍是 主要 的区域性防突 措施 。 。除了钻孑 L 布置 ， 封孔工艺是钻孑 L 瓦斯抽采 效 果 最关 键 的 影 响 因素 。平 煤 股 份 八 矿 为 了更 好 地 预抽 工作 面 内瓦斯 ， 回采前施 工 了大 孔径 、 长 钻 孔 的本煤层预抽钻孔 ， 但钻孑 L 受地应力、 煤层构造等 方 面 的影 响 ， 塌 孔 严 重 ， 无 法 长 时 间 预 抽 工 作 面 瓦 斯 ， 瓦 斯抽 采 的效 果 大 打折 扣 ， 因此 ， 封孔 工 艺 的创 新 对消 除工 作 面 回采 期 间 的突 出危 险性和 回风 流 瓦 斯 超 限 问题 、 达 到安 全生 产 的 目的具有 重要 意 义 。 当前 国 内外 采用 的封 孔 技术 主要 有机 械注 水泥 砂浆封 孔 、 发泡 聚合材 料封 孔、 封孔器 封孔 等 。 现有 的瓦斯抽 采 方 法 只局 限 于如 何 堵 上 钻 孔 ， 而 未 涉及到如何减少钻 L I- 部卸压带裂隙的产生 以及封 收稿 日期 2 0 1 21 21 7 作者简介 许 军锋 1 9 7 2 一， 男 ， 河 南襄城人 ， 助理 工程师 ， 1 9 9 9年 毕业于平顶山煤矿职工大学 ， 现从事防 突技术研究 及瓦斯 综合治 理 工作。 堵瓦斯从煤壁的逸散通道 。为了提高大孑 L 径、 长 钻孔的瓦斯抽采效果 ， 提 出了顺层钻孔长距离护封 联合封孔技术 ， 并确定了相关的工艺参数。 1 顺 层钻孔长距离护封联合封孔技术 顺层钻孔周围煤体的应力分布与煤层巷道密切 相关 。研究 表 明 ， 边 界 线 划 分 在 切 向应 力 值 超 过 原 岩垂 直应 力 的 5 ％ 处 ， 巷 道 周 围煤 体 内受 影 响 范 围 卸 压 区 、 应力 集 中 区 一般 为 巷 道 断 面 的 3～ 5倍 。 在应力增高区， 煤体受高地应力 的作用而被压缩 ， 煤 层透 气 性系数 减 小 ； 同时 由于 此处 钻 孔 周 围 应 力较 大 ， 钻孔 极易 发生 破坏 而塌 孔 。根据 现场 施工 经验 ， 应力 集 中导 致 的顺层 钻孑 L 塌孔 多在 孔 内 1 8 n l 左右 ， 因此 封孔 管长 度应 超过 应力 增 高区 直至原 始应 力 区 域 ， 防止钻孔在应力集中区大规模塌孑 L 后封堵抽采 空 间 ， 封 孔管 长度 应不 小 于 2 5 m， 同时 ， 为 了保证 钻 孔 的高效 密封 ， 封 孔 管 与钻 孔 孔 壁 之 间 的 封 孑 L 长度 应不 小 于 1 8 1 T I 。 1 ． 1封 孔原 理 顺层钻孔长距离护封联合封孔技术是通过将小 79 2 0 1 3年第4期 中州煤炭 第 2 0 8 期 管径 的护 孔管 带 花眼 送 至 顺 层抽 采钻 孔 底部 ， 再 将大管径的封孔管送入孑 L 内应力集 中区， 在封孔管 与 钻孔 孔壁 之 间进行 注浆 封 孔 ， 之 后 连 接 封 孑 L 管 至 抽采管路进行瓦斯抽采。顺层钻孔长距离护封联合 封孑 L 技术如图 I所示。①通过送入孔底的抽放管支 撑钻孔 ， 有效防止孔内塌孔 ； ②通过在大管径封孔管 与孔壁 之 间 进行 注 浆 封孔 ， 形 成 “ 环 形 封 堵 带 ” ， 有 效解决 了 由于 浆 液 沉 淀 在钻 孔 上 部 形 成 的 “ 月 牙 ” 形 空隙 ， 保证 了顺 层钻孔 的 密封效 果 ； ③瓦 斯通 过护 孔管的花眼与两套管之 间的空隙向外运移 ， 保证 瓦 斯运移通道的畅通 ， 起到护孔作用 ， 大大提高了瓦斯 抽 采流 量 图 1 顺层钻孔长距离护封联合封孔技术 示意 1 ． 2工 艺流 程 顺层 钻孑 L 长距 离 护封联 合 封孔技 术 的核 心是 在 顺 层钻孑 L 内送人 长短 不 同的护孔 、 封 孔管 通过 送 人 孔 底 的护孑 L 管 防止 塌孔 ， 通 过大 管 径 的封 孔 管 防 止 高应 力 区大范 围堵 塞 ， 同时 在 封 孔 管外 进 行 封 孔 注 浆 ， 有效提高瓦斯抽采效果。其施工工艺流程为 ① 钻孑 L 施lT完毕后 ， 利用压风将钻孔 内钻屑吹净 ； ②将 抽放管 3 2 8 12 0 全部下到抽采钻孔 内， 直至送 至 孔底 ； ③将封孔管 5 0 IT I IT I 套在抽放管上送入孔 内 ， 封孑 L 管前 段 至 少 留有 5 IT I 带 花 眼 的抽 采 段 先 送到位 ， 查看钻孑 L 是否堵塞 ； ④将带有聚氨酯料的 毛 巾分 别裹 在封 孔 管 和 注浆 管 的两 端 ， 用 细 铁 丝 固 定后送至预定位置 ； ⑤继续送入封孔管 ， 送人长度不 小于 2 5 IT I ； ⑥封孔管送入完成后 ， 待聚氨酯完全反 应后 ， 利用带压封孑 L 技 术向两端封堵的聚氨酯之 间 注入水泥砂浆 ， 待水泥砂浆凝 固后 ， 将封孔管接上抽 采管 路进 行 瓦斯抽 采 ， 同时考 察抽 采效 果 。 I ． 3注 意事 项 1 确保钻孔有效控制 到煤层 里， 且钻孑 L 成 型 后 孑 L 内 的煤 粉要 排尽 ， 保证 抽采 管 能顺利 塞入 孑 L 中 。 2 封孔管要有效地套 在所下套管外 ， 聚氨酯 封孔药要捆绑在封孑 L 管抽气眼下 2～ 3 m处 ， 防止封 孔 药 膨胀后 堵 死封孔 管 。 ．8 0 3 所注 泥 浆 必 须 搅 拌 均 匀 ， 注 浆 过 程 中 应 坚 持“ 小流量 ， 长时间” 的原则 ， 使孔 内压力逐渐上升 ， 以便 能 够更 多渗 入 ， 保 证 封孔 的气 密性 ， 直 至抽 放管 内返浆 ， 方 可停 止 注浆 ； 注浆 结束 后 ， 要用 清水 清洗 注 浆泵 ， 防止泥 浆堵 死管 路 。 2 应 用 分 析 2 ． 1试 验 地点 及钻 孔布 置 试 验 地 点 选 在 己 1 3 3 3 0工 作 面 回 风 巷 ， 该 丁 作 面位 于 己三扩 大采 区东 翼下 部 ， 西 起采 区上 山 ， 东 至 9勘探 线东 2 0 0 m 处 ， 南 邻 正在 回采 的 己 1 3 3 1 0 采 面 ， 北 部 尚未 开发 。采 面设 计 走 向长 1 3 7 0 m， 南 北倾 斜 宽 1 8 6 ． 5 m， 标 高 ～ 5 7 0～ 一 4 6 0 n l ， 地 面标 高 7 4～ 7 6 m， 埋深 5 3 4～6 4 5 m。 根 据 己 三 扩 大 轨 道 上 山 和 回风 下 山 揭 露 的 资 料 ， 煤层 平 均厚 3 ． 1 m， 煤 层倾 角平 均 I l 。 ， 推 算原 始 瓦斯 压力 I ． 5～ 2 ． 0 M P a ， 瓦斯 含 量 2 0～ 2 2 m ／ t ， 己 三扩 大采 区突出危 险 区在 一 5 5 0～一4 5 0 m， 根 据 突 出危 险等 级划 分 ， 该 工作 面处 于 煤 与 瓦 斯 突 出 危 险 区域 。 己 1 3 3 3 0工 作 面 回风 巷 施 工 本 煤 层 抽 采 钻 孔 ， 设计 钻孑 L 位 于巷 道下 帮 ， 平 行 于煤层 顶 板 每 3 m 布 置 1个 ， 孔 径 l I 3 m m， 倾 角 1 0 。～I 3 。 ， 设 计 孔 深 9 0 m， 开孔 位 置距离 底 板 0 ． 5 m。 2 ． 2封孔 效果 对 比 为 了对 比分析 ， 选取 8 1 一9 0 钻孑 L 进行 试验 ， 其 中 8 1 一8 5 采 用普 通 聚氨酯 注 水泥 封 孑 L 方 法 ， 8 6 一 9 O 钻孔采用长距离护封联合封孔工艺对钻孑 L 进行 瓦斯 抽采 ， 每 个钻 孑 L 的瓦斯 抽采 负压 为 I 3 k P a ， 封 孑 L 完 毕后 ， 每 隔 5 d对 钻孔 瓦斯 浓度 进 行 测定 ， 每次 测 3组 ， 取 所 测 浓 度 数 据 的 平 均值 作 为各 孔 的最 终 瓦 斯 浓度 ， 累计观 测对 比 7次 。2 0 1 2年 7月 测 定 的各 孔 瓦斯 浓度 数 据见 表 I 。并 选 取 8 I 钻 孔与 8 6 钻 孔 的瓦斯浓度数据绘制折线图进行对比分析 图 2 。 由表 I可知 ， 使用顺 层钻孔 长距离护封联合封 孔 的钻孔 抽 采 3 0 d后 ， 所 测 得 的 瓦 斯 平 均 浓 度 为 3 9 ． 4 ％， 而采用普通 聚氨酯加水泥封孔的钻孔在抽 采 3 0 d后 平 均 浓 度 为 I 6 ． 2 ％ ， 平 均 浓 度 高 出 I倍 多 ， 较八 矿 目前 2 0 ％ 左右 的 瓦斯 预 抽 浓 度 有 了很 大 的提升， 新技术的应用有效提高了瓦斯抽采率 ， 降低 了己 1 3 3 3 0工作面的瓦斯危害。 由图 2知， 使用顺层钻孑 L 长距离护封联合封孔 的钻 孔瓦 斯浓 度从 封孔 1 5 d后 开 始 衰减 ， 且衰 减 趋 2 0 1 3年 第 4期 许 军锋 。 等 煤层 瓦斯 抽 采孔 封孔 技术 的研 究与 应 用 总第 2 0 8期 势不是很明显 ， 说明钻孔在应力作用下塌孔后仍 留 有预抽间隙。而没有使用全程下套管钻孔瓦斯浓度 从 6 d后就开始衰减 ， 且衰减趋势较为明显。 表 1各孔瓦斯浓度数据 爱 耀 摄 图 2两种封孑 L 工艺瓦斯抽采浓度变化对 比曲线 3 结 语 1 顺 层 钻 孔 长 距 离 护 封 联 合 封 孔 技 术 可 行 、 工艺简单 ， 对本煤层瓦斯抽采具有 良好的适应性。 2 全程 下套 管工 艺 能 有效 防止 顺层 瓦 斯 抽 采 钻孔的塌孔 ， 提升了本煤层钻孔的封孔质量 ， 提高瓦 斯 抽采 量 ； 通 过下 套 管进行 高 效抽采 ， 瓦斯抽 采平 均 初始 浓 度达 到 8 2 ． 8 ％ ， 3 0 d后 瓦斯 抽 采平 均 浓 度仍 可 达到 3 9 ． 4 ％ 。 3 顺层 钻孔 长距离护 封联合 封孑 L 技术 的实 施 ， 提高了工作面的预抽效果 ， 使工作面提前投入回 采 ； 降低 了在 回采期间煤层的突出危险性和瓦斯 涌 出量 ， 使工作面生产能力提高 ， 实现了安全生产。 参考文献 [ 1 ] 于不凡 ， 王佑安． 煤 矿瓦斯灾 害 防治 及利用 技术手 册 [ M] ． 北 京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 胡殿明 ， 林柏泉． 煤层瓦斯赋存 规律及防治技 术[ M] ． 徐州 中 国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 徐玉胜 ， 张仁贵 ， 彭担任 ． 裂隙发 育煤层 瓦斯抽 采钻孔 新封孔 技术 [ J ] ． 煤矿安全， 2 0 0 9 2 2 5 - 2 7 ． [ 4 ] 陈杰 ， 金 龙哲． 关 于 聚氨酯 封 L 可提 高瓦 斯抽放 效果 的研 究 [ J ] ． 煤炭 工程， 2 0 0 3 8 4 7 4 9 ． [ 5 ] 王兆丰． 我国煤矿瓦 斯抽采存 在的 问题 及对策探讨 [ J ] ． 焦作 工学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 4 2 4 1 2 4 6 ． 责任 编辑 刘光雨 舟、 f 、 、 、 自 e 2 、 、 、 、 甜 ～ 0 、 、 0 p 、 0 、 ～ f 0 、 一 、 p 、 p 、 ～ 上接 第 7 8页 2 3 9 2 2 ． 4 m； 本 煤层 钻孑 L 吨 煤钻 孔 量为 0 ． 2 5 m。 1 1 0 1 1工 作 面 自切 眼 向外 0～ 2 0 0 m 范 围采用 本煤 层预 抽钻 孔 和底板 巷穿 层大 面积 预抽 钻孑 L 的区域防突措施。预抽钻孔严格按抽采设计方 案 施 工 ， 钻 孔 开孔 、 终 孔 间距 均 未 超 过 1 ． 8 m， 处 于 有 效抽 放半 径 范 围 内。布 孔 均 匀程 度 满 足 煤 矿 瓦 斯抽采达标暂行规定 预抽钻孔间距不得大于设计 间距 的要求 。 3 ． 4检 验结 果 孟 津煤 矿 1 1 0 1 l采 煤 工 作 面 自切 眼 向 外 O～ 2 0 0 m 范 围内 区域 预 抽 钻 孔 有效 控 制 范 围 满足 防 治煤与瓦斯突出规定的要求 ， 预抽钻孑 L 布置均匀 ； 经现场实测和计算分析 ， 区域预抽瓦斯后各评价单 元可解吸瓦斯量 4 ． 7 7 m ／ t ， 小于 7 ． O 0 m ／ t ； 残余瓦 斯含 量 5 ． 1 0～ 7 ． 7 7 m ／ t ， 小 于 8 ． O 0 m ／ t ； 工 作 面 同 时满足风速不超过 4 m ／ s 、 回风流 中瓦斯浓度低于 0 ． 8 ％ 的要求。各评价单元 内残余瓦斯含量均小于 8 ． O 0 m ／ t 。由此判 定孟津煤矿 1 1 0 1 1采煤工作 面 自切 眼 向外 2 0 0 m范 围 内区域 瓦斯抽 采效 果达 标 。 4 结语 孟津煤 矿采 用立 体 网格 抽采 技术 进行 预抽 ， 1 1 0 1 1 工作面的瓦斯 含量 由 1 2 ． 4 4 m ／ t 降为 6 ． 4 3 m。 ／t ，消除 了突 出危 险性 ， 为安全 回采创 造 了有 利 的 条件 。立体网格抽采技术在孟津煤矿取得 了良好的 效果 ， 为严 重 突 出 区域 的 防 突 瓦斯 治 理 提 供 了一 条 有效 途径 。 参 考文 献 [ 1 ] 陈静 ， 王 继仁 ， 贾 宝 山． 低 渗透 性煤 层 瓦斯 抽采 技 术 与应 用 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 3 7 0 - 7 3 ． [ 2 ] 煤炭 工业郑州设计 研究 院股份有限 公 司． 义 马煤业 集团股 份 有限公司孟津煤矿初步设计修改安全 专篇 [ R] ． 郑州 煤炭 工 业郑州设计研究院股份有限公司 ， 2 0 1 2 ． 责任编辑 刘光雨 81