煤层注水带压封孔技术研究.pdf

第 4 2卷第 1期 2 0 1 5年 2月 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S AF ET Y ＆ E NVI RONMEN T AL P ROT E C T 1 0N Vo L 4 2 N o ． 1 F e b ． 2 0 1 5 万纯新， 聂文， 周刚， 等． 煤层注水带压封孔技术研究[ J ] ．矿业安全与环保， 2 0 1 5 ， 4 2 1 1 0 1 1 O 4 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 5 0 1 - 0 1 0 1 - 0 4 煤层注水带压封孔技术研究 万纯新 ， 聂 文 ， 周 刚 ， 于岩斌 ， 文金 浩 山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘要 针对煤层注水钻孔封孔质量差、 注水效果不 明显的问题， 基于钻孔周 围裂隙场对封孔质量影 响的分析， 对聚氨酯带压封孔技术进行 了研究。提 出根据钻孔周 围裂 隙场 的特 点， 确定封孔方 法及 封 孔深度 ， 并对聚氨酯带压封孔 的原理及工艺进行 了阐述 ， 利用钻屑法确定 了某矿 7 3 0 6工作 面合理的 封孔深度为 91 4 m。现场应用表 明， 聚氨酯带压封孔技术可有效封堵钻孔周 围裂隙， 改善 了煤 层注 水效果。 关键词 煤层注水 ； 裂隙场； 钻屑法； 带压封孔 ； 封孔深度 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 3 文献标志码 B 网络出版时间 2 0 1 5 - 0 2 - 0 3 2 1 5 9 网络出版地址 h t t p ／ ／ w w w ． c n k i ． n e t ／ k c m s ／ d e t a i l ／ 5 0 ． 1 0 6 2 ． T D ． 2 0 1 5 0 2 0 3 ． 2 1 5 9 ． 0 0 5 ． h t m l Re s e a r c h o n P r e s s u r i z e d Ho l e - p a c k i n g Te c h n o l o g y o f Co a l S e a m W a t e r I n f u s i o n WA N C h u n x i n， Nl E We n， ZHOU G a n g Y U Y a n b i n． WE N J i n h a o S c h o o l o fMi n i n g a n d S a f e t yE n g i n e e r i n g， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a Abs t r a c t To c o u n t e r t o t h e p o o r ho l es e a l i ng q ua l i t y i n c o a l s e a m wa t e r i n f u s i o n a n d t h e l e s s o b v i o us e ffe c t o f wa t e r i n f u s i o n， s t u d y Wa s ma d e o n t h e p o l y u r e t h a n e p r e s s u ri z e d h o l e p a c k i n g t e c h n o l o g y b a s ed o n t h e a n a l y s i s o f t h e i n f l u e n c e o f t h e f r a c t u r e f i e l d a r o u n d t h e h o l e o n t h e h o l e p a c k i n g q u a l i t y ． T h e h o l e - p a c k i n g me tho d a n d l e n g t h we r e p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e f r a c t u r e fi e l d aro u n d t h e h o l e ， t h e p ri n c i p l e o f p o l y u r e t h an e p r e s s u ri z e d h o l ep a c k i n g t e c h n o l o g y wa s e x p o u n d e d， a n d b y u s i n g t h e me t h o d o f d r i l l i n g c u t t i n g s ， i t w a s d e t e r mi n e d t h a t t h e r e a s o n a b l e h o l e p a c k i n g l e n gth i n 7 3 0 6 wo r k i n g f a c e i n a mi n e w a s 9 m t o 1 4 m． T h e s i t e印p l i c a t i o n s h o we d t h a t t h e u s e o f p o l y u r e t h a n e p r e s s u ri z e d h o l e p a c k i n g t e c h n o l o g y c a n e f f e c t i v e l y s e a l t h e f r a c t u r e s a r o u n d t h e h o l e a n d i mp mv e t h e e f f e c t o f c o a l s e a m wa t e r i n f u s i o n ． Ke y wo r d s c o a l s e a m wa t e r i n f u s i o n； f r a c t u r e fi e l d； me t h o d o f d ril l c u t t i n g s ； p r e s s u riz e d h o l e - p a c k i n g ； h o l e - p a c k i n g l e n h 煤炭开采前 向煤层注水 ， 可 以有效 降低工作 面 粉尘浓度 、 煤层 冲击危 险性 、 瓦斯突 出危险性 ， 是 预 防矿井灾害的有效手段之一 。在巷道开掘及钻孔钻 进过程 中， 钻孔周围形成 了一定范围的裂隙场 ， 影 响 钻孔的封孔质量 ， 致使煤层注水工作难 以达 到预期 效果。因此 ， 在分析钻孔周 围裂 隙场对封孔质量影 响的基础上 ， 对有效 的封孔方法及合理 的封孔深度 进行研究 ， 对于提高煤层注水效果 ， 保证煤矿安全生 产具有重要 的理论价值与指导意义。 1 工作面概况 某矿 7 3 0 6工作 面位 于七采 区北部 ， 主采 3煤 层， 煤层倾角 3 。 一1 O 。 ， 平均 7 。 ， 煤厚平均 8 ． 5 8 in 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 2 1 ； 2 0 1 4 - 1 2 1 2修订 作者简介 万纯新 1 9 9 O 一 ， 男， 山东济南人， 在读硕士研 究生， 主要从 事灾害预测 与防治技术 研究工作。Em a i l we x O1 2 4 1 26． c o m。 工作面倾 向长 7 9 ． 2 1～1 5 4 ． 0 9 in， 工作面总推进长度 为 6 0 0 ． 1 m。煤炭开采过程中， 存在高浓度粉尘和冲 击地压危险。为降低工作面粉尘浓度及冲击地压危 险， 该矿在开采前采取向煤层中注水的方法来解决 这一问题 。采用水泥砂浆封孔 ， 封孔深度 6 in， 注水 过程 中钻孔缝隙、 巷帮及锚索眼漏水严重 ， 注水效果 较差 。为此 ， 笔者对聚氨酯带压 封孔工艺进行 了研 究， 确定出合理的封孔深度， 以提高注水效果。 2 钻孔周围裂隙场对封孑 L 质量的影晌 在巷道形成过程 中， 巷道 围岩受掘进扰动影 响 在巷道径向方向上产生应力集 中和压缩变形 ， 形成 应力降低区、 应力增高区及原岩应力区[ 1 ] 。当围岩 所受应力超过其极限强度后 ， 围岩发生破碎 ， 并在巷 帮一定深度产生裂 隙， 这些裂 隙就构成 了钻孑 L 围岩 的轴 向裂隙。在 向煤体施工钻孔过程 中， 由于煤体 受到钻机扰动破坏 ， 引起钻孔周 围煤岩应力重新分 1 01 V o L 4 2 No ． 1 F e b ． 2 0 1 5 矿 业安 全 与环保 MI NI NG S A F E T Y ＆ E NVI R ONME NT AL P R OT E CT I ON 第 4 2卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 布， 在钻孔径向方向上同样会产生应力降低区、 应力 增高区及原岩应力区 。钻孔周围煤体在围岩应力 及钻机扰动共同作用下产生裂隙， 这些裂隙构成了 钻孔围岩的径向裂隙。钻孔轴向裂隙与径向裂隙共 同构成了钻孔周围裂隙场， 见图 1 。 图 I 钻孔周 围的裂 隙不意 图 实践表明， 煤层注水过程中漏水主要存在 2种途 径 一是由于钻孔封孑 L 深度不够， 钻孔周围裂隙未被完 全封堵， 形成漏水通道， 水从该通道中泄漏； 二是封孔用 的密封材料与钻孔壁粘合不紧密而产生裂隙， 注入钻孔 的水从这些裂隙中流出。因此， 封孔深度与封孔方法是 影响注水效果的两个关键因素 。 3 聚氨酯带压封孑 L 工艺研究 研究表明 ， 采用粘液密封钻孔周 围裂隙可以 有效防止漏水通道的形成。在此选用聚氨酯材料作 为煤层注水封孔材料， 并对聚氨酯带压封孔工艺进 行研究， 以有效封堵钻孔密封段裂隙， 防止漏水通道 的形成 。 聚氨酯带压封孔的前提条件是在钻孔内形成一 个封闭空间， 通过压注仪将一定量 的聚氨酯材料压 注到该空间内， 压注过程中会有部分聚氨酯沿钻孔 周 围裂隙扩展 ， 之后膨胀将裂 隙封堵。在孔壁 的限 制下 ， 聚氨酯会沿钻孔轴向定向膨胀 ， 当聚氨酯材料 充满整个密闭空间时 ， 聚氨酯材料会 沿钻孔径 向裂 隙膨胀 ， 进一步对钻孔径向裂隙进行封堵， 大大提高 封孔的气密性 。具体步骤是 注水钻孔形成后 ， 在距 注水管前段 厶 处缠上少量带有聚氨酯材料的棉纱 ， 在距注水管前端 处用带有聚氨酯材料的棉纱 将注料管缠在注水管上 ， 并迅速将注水管伸人钻孔 中， 待棉纱上的聚氨酯材料完全膨胀并凝固后， 利用 压注仪将聚氨酯材料通过注料管注入密闭空间内。 带压注浆封孔见图 2 。 注料量可按下式进行计算 1 式中 L ， 为密封段长度 ； D为钻孔直径 ； d为注水管 外径 ； 为聚氨酯发泡倍数 。 1 02 1 一 注水管； 2 一 注料 管； 3 一 注水钻孔； 4 一棉 纱。 图 2聚氨酯带压注浆封孔示 意图 4 合理封孔深度的确定 对于封孔深度的确定 ， 尚有较大争议 ， 文献[ 8 ] 认 为可根据密封材料与钻孔的粘结性能以及封孔物质 两端压差确定封孔深度， 该方法确定的封孔深度较 短 ， 由于煤体受采动影响产生 的裂隙场范 围较大， 往 往不能对裂隙进行有效封堵。文献 [ 9 1 1 ] 认为合理 封孔深度应该超出卸压区的范围并且要小于应力峰 值距煤壁的深度 ， 大量实践表 明， 利用这一方法确定 的封孔深度较为合理， 封孔效果较好。研究表明， 沿 钻孔钻进方向上的钻屑量与煤体应力变化趋势具有 相关性， 并且不同应力区域的钻屑排出量、 钻屑粒度 及钻进过程中的声响强度也有较大差异 ， 其变化趋势 见图 3 。因此 ， 可利用钻屑法分析巷帮的应力变化规 律， 确定出巷帮应力降低区范围及应力峰值点所在位 置 ， 从而确定合理的封孔深度。 蹙 l 札 ， 梨 ， 姆 擐 钻 孔 深 度 图 3 钻屑量 、 钻屑粒度和声 响强度 随钻孔深度 的变化趋 势 钻孔施工地点选在 7 3 0 6工作面轨道巷超前工 作面 5 0 1 1 1 煤壁侧 ， 共施工 6个钻孔 ， 孔间距 2 0 1 1 3 ， 钻 孔深度 2 0 m、 直径 5 0 m m。施工过程中， 每钻进 1 m 收集并称量钻屑量 ， 同时记 录钻屑粒度及声响强度 的变化情况。将 6个钻孔同一钻进长度上的钻屑量 取平均值 ， 绘制 出钻屑量随钻进深度 的变化曲线 ， 来 确定巷帮应力降低 区范围及应力峰值点 的位置 ， 见 图 4 。 第 4 2卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 矿 业安全 与环保 MI NI N G S AF E T Y ENVI RONME NT AL P RO T EC T I O N Vol _ 4 2 NO ．1 F e b ． 加 1 5 图4 钻屑量平均值随钻进深度的变化曲线 从 图 4中可 以看 出， 在孔深 0～ 4 m 内， 钻 屑量 缓慢增加 ； 4～9 m 内， 煤屑排 出量无 明显变化 ， 从孔 深 9 m开始 ， 钻屑量迅速增加 ， 并在 1 5 m处达到钻 屑量峰值。此外 ， 在钻进过 程中， 0～ 9 m 内打钻较 为顺利 ， 孔深超过 9 m后开始出现夹钻现象 ， 并伴有 响声， 在 1 5 m左右处出现塌孔现象。因此可以初步 确定 0 9 m 内为应力降低区 ， 9～1 5 m 内为应力增 高区， 应力峰值出现在 1 5 m左右。因此合理的封孔 深度应超过应力降低区范围， 且小于应力峰值距巷 帮的距离 ， 即合理 的封孔深度应为 91 4 m。 5现场应 用 为考察聚氨酯带压封孑 L 的效果， 设计使用矿方 原有的水泥砂浆封孔及聚氨酯带压封孔， 两种封孔 方法各设定 4种 封孔深度分别 为 矿方原有封孔深 度 6 m， 设计 的合理封孔深度 9 、 1 2 、 1 4 m。 5 ． 1 钻孔布置及施工 超前 7 3 0 6工作面 6 0 m实施钻孔 ， 此处钻孔 为 l 注水钻孔 ， 并 向远离切眼方 向依次编号至 2 4 注水 钻孔。钻孔间距 1 5 m， 钻孔直径6 5 l a i n 、 孔深 6 9 IT I ， 共 布置 2 4个注水钻孔。钻孔布置及封孔方法见图 5 。 、、 、 ＼ 1 ．．． ．-． 7 ．． ． 1 2 1 3 - 。．一 ．． 1 8 l ⋯ - 2 4 -- ----- 、--- ---’， 一 - -’ --- 一、--- -’ ，--- 一 封孔深度6 n l 封孔深度9 n l 封孔深度1 2 m 封孔深度 1 4 n l 单号钻孔使用水泥砂浆封孔，双号钻孔使 用聚氨 酯带压封孔。 图 5 钻 孔布置及 封孔方法示 意图 经实验室测定 ， 固邦特黑白料配比为 1- 1 1 ． 2 时 ， 聚氨酯 的抗压性 能较好 ， 透气性能较低 ， 且 具有一定的膨胀能力。因此选定配比为黑料 白料 1 1 ， 发泡倍数 为 3倍 的固邦特作 为聚氨酯带压封 孔材料。采用聚氨酯带压封孔时， 首先根据式 1 计 算不同封孔深度下 的用 料量 ， 然后按 上述方法将注 水管伸人钻孔内， 其中L 。 L 1 m， 封孔深度为6 、 9 、 1 2 、 1 4 i n时， 密封段长度分别为 5 、 8 、 1 1 、 1 3 m。待 纱布处 的聚氨酯材料完全反应并凝 固后 ， 连接好压 注仪与注料管开始向钻孔内注入聚氨酯 。采用水泥 砂浆封孔时则按照矿方原有的封孔工艺进行。 5 ． 2封孔效果对 比 封孔完成 后 ， 连 接好注水 管路 ， 使用静 压水 注 水。每套注水管路上配备一套独立的水表， 以观测 流量 、 流速及 注水量 ， 并记 录钻孔周 围煤壁漏水情 况。部分监测数据见表 l 。 表 1 不同条件下部分钻孔煤层注水情况 钻孔编号 封孑 L 方法 封孔深度／ m 注水时 间／ h 注水 量／ m 备 注 水泥砂浆 聚氨酯带压 水泥砂浆 聚氨酯带压 水泥砂浆 聚氨酯带压 水泥砂浆 聚氨酯带压 水泥砂浆 聚氨酯带压 水泥砂浆 聚氨酯带压 2 ． 3 4． 2 2 ． 2 4． 0 4． 7 7． 4 7． 3 1 1 ． 8 7． 0 1 1 ． 3 1 3． 2 1 7． 3 3 ． 4 5 6． 3 2 3 ． 3 6 6． 1 2 6． 6 3 1 0． 5 7 8 ． 9 8 1 4． 5 2 8． 5 4 1 3． 8 9 1 5． 4 5 l 9． 91 巷帮及临近锚索出水 ， 钻孔出水 巷帮及 临近锚索出水 巷帮及 临近锚索出水 ， 钻孔出水 巷帮及 临近锚索 出水 巷帮及临近锚索出水， 钻孔出水 巷帮及 临近锚索 出水 巷帮及临近锚索 出水 ， 钻孔 出水 巷帮及 临近锚索出水 巷帮及 临近锚索 出水 ， 钻孔出水 巷帮开始渗水 巷帮及临近锚索渗水， 钻孔出水 巷帮开始渗水 1 03 6 6 6 6 9 9 M 聿。 Vo 1 ． 42 No ．1 F e b ． 2 01 5 矿 业安全 与环保 MI NI NG S AF E T Y EN VI RONMEN r A L P ROT EC T I ON 第 4 2卷第 1期 2 0 1 5年 2月 由表 1中的数据分析可得 1 封孔深度为 6 m时 ， 使用聚氨酯带压封孔 出 现漏水的时间及注水量均比使用水泥砂浆封孔时略 大 ， 说 明聚氨酯带压封孔对钻孔周围裂隙封堵效果 较好。1 一 6 钻孔均短时间内出现巷帮及临近锚索 漏水 ， 说明封孔段位于应力降低区内， 钻孔周 围裂 隙 较发育 ， 成为漏水通道 ， 因此应增加封孔深度 ， 避 开 应力降低区裂隙。 2 封孔深度为 9 、 1 2 、 1 4 m时， 使用水 泥砂浆封 孔的钻孔均出现巷帮及临近锚索漏水现象 ， 出现 漏 水的时间分别为 4 ． 5 、 7 、 1 3 h左右， 说 明随着封孔深 度的增加封孔的效果也有所提高； 而使用聚氨酯带 压封孔的钻孔仅 出现 了巷帮渗水 的现象， 说明聚氨 酯带压封孔对钻孔周围裂隙封堵效果较好。此外 ， 随着聚氨酯封孔深度的增加， 出现渗水的时间也相 应增加 ， 说 明在应力峰值前 ， 封孑 L 深 度越长， 封孔 效 果越好。 3 水泥砂浆封孑 L 时， 除了在巷帮及锚索眼漏水 外 ， 有部分钻孔出现漏水 ， 这是因为水泥砂浆凝 固过 程中出现收缩， 封孔材料与孔壁之间出现裂隙， 水从 这些裂隙中流出； 而使用聚氨酯压注封孔时， 未出现 钻孔漏水现象 ， 说明聚氨酯材料与孔壁粘结性 良好 ， 与孔壁之间不存在裂隙。 同时 ， 为观测聚氨酯封孔的实际效果 ， 当工作面 推进到聚氨酯带压封孔实验钻孔时， 减慢割煤速度， 对钻孔轴向及径向有效封孔深度进行测量， 测定结 果见表 2 。 表 2 聚氨酯带压封孔有效封孔距离测定 测定结果表 明， 聚氨酯带压封孔有效封堵 了钻 孔周围裂隙 ， 且封孔效果 随着封孔深度 的增加而相 应提高 。 6 结语 1 通过对钻孔周 围裂隙场 的分析得 出， 钻孔周 围裂隙场是在巷道开掘及钻孔钻进共 同作用下形成 的 ， 影响着封孔的质量以及封孔深度 ， 进而影响煤层 1 0 4 注水的效果 。在封孑 L 时 ， 应选择合适的封孔方法 ， 确 定合理的封孔深度。 2 为了封堵钻孔周围裂隙， 提出使 用聚氨酯带 压封孔方法密封煤层注水钻孔 ， 并推导出聚氨酯带 压封孔的单孔用料量的计算公式。 3 根据钻孔钻进方 向煤体应力变化与钻进过程 中钻屑量 、 钻屑粒度及声响强度 的变化规律 ， 提 出利 用钻屑法确定应力降低区范围及应力峰值位置， 并据 此确定了7 3 0 6工作面合理的封孔深度为 91 4 m。 4 现场工业性试验表明 ， 矿方使用 的水 泥砂浆 封孔效果较差 ， 水泥砂浆凝 固后发生收缩变形 ， 与孔 壁之间存在裂 隙， 成为漏水通道； 原有的封孔深度处 于应力降低区范围内， 钻孑 L 周围裂隙较发育， 漏水严 重。使用聚氨酯带压封孔 后 ， 有效封堵了钻孔周围 裂隙， 提高了封孔效果 ， 且封孔效果随着封孔深度的 增加而相应提高。 参考文献 [ 1 ]倪冠华 ， 林柏 泉， 翟成 ， 等． 钻 孔 密封 材料 的微观 特性及 其对密封性能的影响[ J ] ． 北京科技大学学报， 2 0 1 3 ， 3 5 5 5 7 2 5 7 9 ． [ 2 ]陆振国， 孙鑫， 林柏泉， 等． 粘液在煤层浅孔中的渗透规 律[ J ] ． 煤矿安全， 2 0 0 8 8 9 1 2 ． [ 3 ]张玉军， 张华兴， 陈佩佩． 覆岩及采动岩体裂隙场分布几 何特征的可视化探 测[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 1 1 1 21 61 21 9． [ 4 ]张飞， 郭文彬． 煤体 内裂隙对润湿性能羞的煤层注水效 果的影响[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 0 ， 3 7 2 2 0 - 2 2 ． [ 5 ]周晓军， 马心校． 煤体钻孔周围应力应变分布规律的实 验研究[ J ] ． 煤炭工程师， 1 9 9 5 2 1 7 - 2 0 ． [ 6 ]幸大学， 杨春， 吴再生． 煤矿瓦斯抽采钻孔新型封孔剂在 磨心坡煤矿的应用[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 1 2 ， 3 9 1 5 8 6 0 ． [ 7 ]王圣程， 庞叶青， 张云峰， 等． 抽采钻孔注浆封孔技术的 研究与应用[ J ] ． 煤矿安全， 2 0 1 0 ， 4 2 6 4 - 6 ． [ 8 ] 李季． 煤矿 硬质 聚氨 酯泡沫 封孔安全 性 能实验 研 究[ D] ． 北京 中国地质大学， 2 0 1 1 ． [ 9 ]李义敬， 杨磊， 胡胜勇， 等． 煤层钻孔长距离压气带压注 浆封孔技术研究[ J ] ． 中国煤炭， 2 0 1 2 ， 3 8 8 1 0 5 - 1 0 8 ． [ 1 0 ] 尚群． 赵庄矿 3 煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研 究[ D] ． 焦作 河南理工大学， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ] 丁守根， 李德 参． 煤层抽放钻孔合理封孔深度的确 定[ J ] ． 淮南 淮南职 业技 术学院 学报， 2 0 0 9 ， 9 1 4-6． 责任编辑 卫蓉