新型封孔技术在井下瓦斯抽采中的应用研究.pdf

第4 o 卷第5 期 2 0 1 7年 5 月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e m i c a l I n d u s t r y V0 1 ． 4 0 No ． 5 Ma y 2 0 1 7 新型封孔技术在井下瓦斯抽采中 的应用研究 侯 少波 潞安集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治0 4 6 1 0 0 摘 要为解决矿井瓦斯抽采过程中钻孔漏气、瓦斯抽采浓度低的问题，针对屯兰矿地质及 瓦斯地质情况设计新型囊带式封孔装置，并用于工业试验，从工业试验结果可知囊袋式注 浆封孔技术适合长时间的瓦斯抽采，减少瓦斯抽采周期，加快工作面回采。 关键词瓦斯抽采；囊袋式封孔器；瓦斯浓度；工业试验 中图分类号 T D 7 1 2 ．6 文献标识码 B 文章编号2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 7 0 5 0 1 0 9 0 3 Ap p p l i c a t i o n r e s e a r c h o f n e w s t y l e s e a l i n g t e c h n o l o g y i n unde r g r o und g a s dr a i na g e Ho u S ha o b o L u a nG r o u p Y u w u C o a l I n d u s t r yC o rp o r a t i o n L t d ． ， C h a n h i 0 4 6 1 o 0 , C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n a i r l e a k a g e o f b o r e h o l e a n d l o w g a s c o n c e n t r a t i o n i n p r o c e s s o f g as e x t r a c ti o n ， n o v e l c a p s u l e b e l t t y p e s e a l i n g d e v i c e w a s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o g a s g e o l o g i c a l c o md i t i o n and g e o l o g y o f I ． n z h o u mi n i n g a r e a ， w h i c h a p p h e d t o c o mme r c i a l t e s t ． T h e r e s u l t s h o we d t h a t thi s t e c h n i q u e W as s u i t a b l e f o r l o n g t i me g as e x tr a c ti o n ， g as e x t r acti o n p e r i o d Was d e c r e ase dan dwo r k i n gf a c e e x t r a c ti o nW as s p e du p ． Ke y wo r d sg as e x t r a c ti o n ； b ag t y p e g r o u t i n g ma c h i n e g as c o n c e n a ti o n ； c o mme r c i a l t e s t 目前，国内 5 0％左右井工开采矿井为高瓦斯 或煤与瓦斯突出矿井 ，且大部分高瓦斯或突出矿 井地质条件差 ，煤层透气性差 ，透气性系数只有 1 0 ～ 1 0 - m D ，瓦斯抽放困难，导致在煤层瓦斯抽 采防治过程中出现钻孔漏气现象严重，瓦斯抽采浓 度过低等情况出现，由于抽采钻孔漏气严重、致使 很多矿区内瓦斯抽采浓度达不到利用标准，不得不 将抽出的瓦斯排放到空气中，不仅造成瓦斯资源的 浪费，而且造成温室气体排放。因此 ，为改善矿井 瓦斯抽采钻孔的封孔效果，实现高负压、高浓度瓦 斯抽采，解决瓦斯抽采的现实难题，基于主动支护 式封孔理论 ，研究出新型囊袋式封孔器，解决封孔 漏气严重、抽采浓度不达标的瓦斯抽采难题。 1 概 况 屯兰煤矿可采煤层为 2 、7 、8 、9号煤层 ，煤 层倾角 2 。 一1 O 。，呈由北东向南西倾斜的波浪状 单斜构造，采用 3 个盘区式进行回采，设计生产能 力 4 0 0万 t ，该矿 2 8 1 1 0工作面整体呈单斜构造， 工作面走向长为 1 0 3 9 1 0 7 1 m、倾斜长为 1 7 7 m、 煤层倾角为 2 o ～ 5 。、8号煤层平均厚度 2 ． 2 m； 开采方法为综合机械化沿倾斜方向后退长壁式采 煤，一次采全高；该煤层自然发火类型为 Ⅱ 类 自 燃 倾向性煤层；该区水文地质条件复杂，8 号煤层受 奥灰水带压开采，静水位标高为 8 6 0 m，最大受压 约 0 ． 8 7 M P a ，突水系数为 0 ．0 2 1 M P a ／ m 。 2 8 1 0 6 工作面 8 号煤层瓦斯压力为 0 ．5 2 M P a ， 煤层瓦斯含量为 1 0 ．9 6 m 3 ／ t ，煤的孔隙率为 9 ． 1 7 ％， 煤层透气性系数为 2 ．8 3 m 2 ， M P a 2 ．d ，百米钻孔瓦斯 衰减系数为 0 ．0 0 3 1 1- ，参考瓦斯抽采难易程度划 分指标，2 8 1 1 0 工作面煤层属于可抽放的。根据相 邻的 2 8 1 0 6 工作面的统计分析2 8 1 0 6 工作面回采 期间绝对瓦斯涌出量平均为 2 1 ．2 5 m 3 ／ m i n ，工作面 瓦斯抽放量平均为 1 3 。 8 5 m ／ ra i n ；对 2 8 1 1 0 工作面 责任编辑任伟D O I 1 0 ． 1 9 2 8 6 ／ j ． e n k i ．c c i ．2 0 1 7 ．0 5 ．0 3 3 作者简介侯少波 1 9 8 4 一 ，男，山西潞城人，助理工程师。 引用格式侯少波． 新型封孔技术在井下瓦斯抽采中的应用研究[ J 】 ． 煤炭与化工，2 0 1 7 ，4 o 5 1 0 9 一I l l 1 O 9 2 0 1 7 年第5 期 煤炭与化工 第4 0 卷 煤层瓦斯预抽有利于煤层回采。 2 新型封孔装置的组成及方法 囊袋式注桨封孔装置由囊袋、后堵头、前堵 头、中部支撑件、出浆控制阀、逆止阀等组成。在 前堵头上开管孔，管孔用来穿套瓦斯抽采管 ，管孔 内安装有密封装置，并通过销钉使囊袋式封孔装置 与瓦斯抽采管连作一体；出浆控制阀安装在中部支 撑件上，出浆控制阀的作用是控制囊袋内浆液向囊 袋外出浆的最小出浆压力 ， 保证出浆控制阀出浆之 前囊袋能够充分膨胀并接触钻孔壁；前堵头设有管 孔和注浆孔，管孔用来穿套抽采管，注浆孔用来插 接注浆管，并在注浆孔内安装逆止阀，注浆管与注 浆孔之间采用易剪断注浆压力控制销联结，当注浆 压力达到设定数值时，注浆压力控制销 自动剪断， 注浆管 自 动与注浆孔脱离。在应用过程中，根据屯 兰矿煤层地质状况、瓦斯赋存情况等实际条件对封 孔器进行了改进，封孔器的复合囊袋增加到 3 r n ， 使之满足瓦斯抽采条件，囊袋式注浆封孔器如图 1 所示 。 图 1 囊袋式注浆封孔器示意 F i g ． 1 S k e t c h db a g t y p e g r o u ti n g ma c h i n e 3 封孔工业性试验及抽放效果分析 3 ． 1 封孔试验设计 2 8 1 1 0工作面封孔试验分为两个阶段 ， 1 1 0 阶段于 2 0 1 5 年 9 月 1 4日开始封孔，并于 2 0 1 5年 1 1 月 1 5日暂停封孔 ，在此期间共计封孔 2 7 个 ， 其 中 2 8 1 1 0回风巷 2 3个 、2 8 1 1 0底抽 巷 4个 ； 2 0 1 6 年 1 1 月 5日 进行第二次封孔试验，此次共封 孔 1 8 个 ，其中2 8 1 1 0 运输巷 1 1 个、2 8 1 1 0 底抽巷 7 个，两次试验共计完成封孔 4 5 个 ，封孔地点如 图 2所示 。 由于封孔试验分两个阶段进行的，第一阶段封 孔试验开始在 2 0 1 5年 9月份 ，目 前 已抽采 1 7 个 月，由于数据较多，只对近 5 个月钻孔浓度数据进 行对比分析；第二阶段封孔试验开始于 2 0 1 6 年 1 1 月份，距今封孔时间较短，由于前期封孔钻孔浓度 不稳定，为保证分析结果的准确性，对抽采三个月 的钻孔进行分析。 3 ．2 试验钻孔瓦斯浓度数据对比分析 3 ． 2 ． 1 2 8 1 1 0回风巷试验钻孔瓦斯浓度对比分析 在 2 8 1 1 0回风巷 ， 囊袋式注浆封孔法所封钻孔 孔号 试验孔号 为8 3 、8 4 、补 8 4 、8 5 、补 8 5 、8 6 、8 7 、8 8 、补 8 8 、8 9 、9 O 、9 2 、9 3 号。为 了对比结果准确合理， 选取邻近聚氨酯所封钻孔作 为对比钻孔 ，聚氨酯所封钻孔号为9 1 、9 4 、9 5 、 9 6 、9 7 、9 8 、9 9号。 根据所测的钻孔浓度数据，进行统计整理，利 用 E X C E L软件 ，可画出钻孔平均瓦斯浓度对比曲 线如图3 所示。 通过图 3 中钻孔平均浓度变化曲线可知 1 聚氨酯封孔浓度总体会有一定程度的降 低，但变化不明显 ，较为稳定 浓度稳定在 2 5 ％ 附近 ；囊袋式注浆封孔浓度的变化趋势比聚氨酯 所封浓度要大，囊袋式注浆封孔与矿方聚氨酯封孔 相比，两者之间差距在一定范围内会有升高增大的 第一 趋势，在联抽期间，提高 5 3 ％～ 1 4 5 ．2 ％。 图2 工业性试验封孔地点分布 F i 昏 2 Di s t ri b u ti o n o f h o l e l o c a ti o n in c o mme r c i t e s t 侯少波 新型封孔技术在井下瓦斯抽采中的 应用研究 2 0 1 7 年第 5 期 越 图 3 2 8 1 1 0回风巷钻孔平均 瓦斯浓度对 比曲线 F i g ． 3 Co mp a r i s o n c u r v e s o f a v e r a g e g a s e o n e e n a fi o n i n 2 8 1 1 0 t r a c k t u n n e l 2 测孔 日期为 2 0 1 7年 1月 3 1日 已联 抽 1 4 个月 ，囊袋式注浆封孔平均浓度为 4 8 ．9 ％，矿方聚氨酯封孔平均浓度为 3 1 ． 8％，囊袋式 注浆封孔平均浓度比矿方聚氨酯封孔平均浓度提 高了 5 3 ． 8 ％；测孔 日期为 2 0 1 7年 3月 2 0日 已 联抽 1 6个月 ，囊袋式 注浆封孔平 均浓度为 5 5 ． 6％，矿方聚氨酯封孔平均浓度为 2 5％，囊 袋式注浆封孔平均浓度比矿方聚氨酯平均浓度提 高了 1 2 2 ． 4％。分析可知囊袋式注浆封孔平均浓 度随抽采时间的增加反而有一定程度的升高。从 浓度对比方面可知 ，囊袋式注浆封孔明显优于矿 方聚氨酯封孔。 3 ． 2 ． 2 2 8 1 1 0运输巷试验钻孔 瓦斯浓度对比分析 在 2 8 1 1 0 运输巷 ，使用囊袋式注浆封孔法所 封钻孑 L 孔号为 3 0 、3 1 、3 2 、3 3 、3 4 、3 5 、3 6 、 3 7 、3 8 、3 9 、4 0 号。第二阶段进行的囊袋式注浆 封孔试验有 I 1 个在 2 8 1 1 0 运输巷新补打钻区域 。 为了对 比方便， a 代表为钻孔 3 O 、3 1 号的平均浓 度 ，b 代表钻孔 3 2 、3 3 、3 4 、3 5 、3 6 、3 7 、3 8号 的平均浓度 ，根据浓度数据画出浓度对 比曲线 ， 如 图 4所示 。 图 4 2 8 1 1 0运输巷不 同地段囊袋 式注浆封孔浓度对 比曲线 F i g ． 4 Co mp a r i s o n c u r v e s o f s e a l i n g c o n c e n t r a ti o n 0 f b a gg r o u ti n gi nd i ff e r e n t s e c ti o n s o f 2 8 1 1 0b e l t r o a d wa y 通过图4 可知，同为囊袋式注浆封孔的钻孔瓦 斯浓度相差很大，钻孔 3 0 、3 1的平均浓度比钻孔 3 2 、3 3 、3 4 、3 5 、3 6 、3 7 、3 8号的平均浓度高出 很多，两者差别最大时可以达到 8 4 ． 5 3 8 ．6 ， 3 8 ． 6 1 2 9 ％；通过聚氨酯封孔浓度数据也可以看 出所封钻孔地段浓度相差较大的情况。 经分析封孑 L 地段出现浓度相差较大的情况具体 原 因为 1 不同倾角的钻孔浓度受水的影响程度不 同。负倾角钻孔其瓦斯浓度往往较高 ①当钻孔 倾角为负时 ，如果巷道顶板及煤层富含水 ，水可 以通过钻孔周围缝隙渗透到钻孑 L 封孔段 ，与封孔 段共同起到密封钻孔的作用 ，一定范围内倾角越 大，钻孔的瓦斯浓度就可能越高；②由于抽采负 压较小，当煤层中水较丰富时，钻孔内水无法被 排出，产生 “ 汩汩”声 ，水将起到密封的作用 ， 有助于提高钻孑 L 瓦斯浓度 ，可能造成管路中瓦斯 “ 高浓度、低流量”现象 ；③当钻孔负倾角较大 时，如果煤层中水赋存丰富，则不同的封孔方法 对钻孔瓦斯浓度效果不太明显。当钻孔倾角为正 时，钻孔瓦斯浓度可能较低 ，这是 由于水将顺着 钻孑 L 缝隙排 出。 2 煤层中矸石的存在影响了瓦斯的赋存与 运移，夹矸越多，周围煤体瓦斯往往越低。 煤层本身就是非均质体 ，如夹矸。3 0 、3 1 号 钻孔打钻过程中没有矸石出现，又由于钻孔间距较 大，说明了钻孔周围煤体出现夹矸情况较少，保证 了瓦斯的来源；而 3 2～ 3 8 号钻孔打钻过程中较早 见矸 ， 说明该段煤体矸石较多，严重影响了瓦斯在 煤层中的赋存。 4结 论 。 1 囊袋式注浆封孔经过长期抽采还可以保 持较高的瓦斯浓度，比聚氨酯有持久高效抽采效 果，证明囊袋式注浆封孔技术适合长时间的瓦斯抽 采，减少瓦斯抽采周期，加快工作面回采 ，并对工 作面安全高效生产提供了技术支持。 2 富水并有陷落柱及断层等地质构造出现 的区域，水、夹矸等情况对钻孔瓦斯浓度造成的影 响较大，水富集、钻孔倾角为负时会影响瓦斯抽采 效果。 参考文献 【 1 】 许卫东，何志刚，韩兆彦，等． 瓦斯抽放钻孔新型合成树脂 定位封孔技术的应用【 J 】 ． 中州煤炭，2 0 1 1 1 2 1 1 6 1 1 8 ． [ 2 】 王彦凯，张 超，林柏泉． 基于 P D密封材料的本煤层瓦斯 抽采钻孔密封技术【 J 】 ． 煤矿安全 ，2 0 1 3 5 8 O 一8 2 ． 【 3 】 张景飞，郭德勇，丁开舟． 高位钻孔瓦斯抽放技术应用的研 究【 J 】 ． 煤矿安全，2 0 0 4 7 5 7 ．