松软高突煤层封孔关键技术研究与应用.pdf

2 0 1 4年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 2 7期 松 软 古 同 煤层封 孔关键 技术研 究 与应用 刘 中一 ， 庞 学 文 ， 张保 法 河 南能 源化 工集团 义煤公司孟津煤矿 ， 河南 孟津4 7 1 1 0 0 摘 要 针 对豫西新安煤 田本煤层 顺层 钻孔瓦斯抽采浓度低 、 衰减快等 问题 ， 从钻孔成型 、 封孔深度和封孔材料 3个 方面对影响封孔质量 的主要 因素进 行 了分 析 ， 通过 对 封孔 工艺 的优化 ， 实现 了深封孔 、 封深孔 的 目的。 实践表 明 应用新 式封孔工 艺后瓦斯抽采效果有 了大幅提 高， 单孔抽采 浓度在 9 1 ％ 以上。 关键词 瓦斯抽采 ； 封孔质量 ； 封孔工艺 中 图 分 类 号 TD 7 1 2 ． 6 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 4 1 10 0 4 70 3 S t u dy a nd App l i c a t i o n o f Ke y Te c hn o l o g y o f S e a l i ng i n So f t Hi g h Out b ur s t S e a m L i u Zh o n g y i ， Pa n g Xu e we n， Zh a n g Ba o f a Me n g j i n C o a l Mi n e ， Y i ma C o a l I n d u s t r y C o ．， He n a n E n e r g y a n d C h e mi c a l G r o u p， Me n g j i n 4 7 1 1 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t he pr o b l e ms s uc h a s t he l o w a n d f a s t a t t e n ua t i o n o f g a s d r a i n a g e c o nc e nt r a t i o n o f be dd i n g d r i l l ho l e s i n c u r r e n t s e a m o f Xi n a n co a l f i e l d i n W e s t e r n He n a n， t h e ma i n f a c t o r s a f f e c t i n g t he q u a l i t y o f ho l e s e a l i n g we r e a n a l y s e d f r o m t h r e e a s p e c t s i n c l u di n g b o r e h o l e f o r mi n g， s e a l i n g de pt h a n d s e a l i ng ma t e r i a 1 ．I t ma d e a n o p t i mi z a t i o n o n t h e s e a l i n g b o r e h o l e s t e c h no l o g y， a n d i t r e a l i z e d t h e pu r po s e o f s e a l i n g b or e ho l e s i n d e e p a r e a a nd s e a l i ng l o ng e r a r e a i n t h e ho l e s ． Pr a c t i c e s h o ws t h a t ， t he e f f e c t s o f g a s d r a i na g e h a v e i n c r e a s e d g r e a t l y． s i n g l e h o l e g a s c o n c e nt r a t i o n c a n r e a c h 9 1 ％． Ke ywo r ds g a s d r a i na g e； s e a l i n g q u a nl i t y o f h o l e； s e a l i n g t e c h ni c s o f ho l e 瓦斯 抽 采 封 孔 技 术 直 接 影 响着 瓦 斯 的抽 采 效 果 ， 影响采 出气源 的品质。我 国大部分顺层钻孑 L 预 抽 回采 区域 的瓦斯 抽 采 浓 度 较 低 ， 松 软 高 突 煤 层 瓦 斯抽采更是面临着钻孔 瓦斯抽采浓度低 、 衰减快 的 问题 。如 何 提高 封 孑 L 质量 ， 是 松 软 高 突煤 层 瓦 斯 抽 采亟 待解 决 的关键 技术 问题 。本文 基 于豫西 新 安煤 田煤层松软高突的实际情况 ， 提出了应力增高 区聚 氨酯 囊袋 注 浆封 孔 新 工 艺 ， 并 在 孟 津煤 矿 反 复 试 验 和优 化 ， 并取 得 了 良好 的应 用效 果 。 1 影 响封孔质量主要 因素分析 1 ． 1 钻 孔成 型 松软 高 突煤 层深 孔钻 进 困难 已成 为制 约矿 井安 全 高效 开采 的瓶 颈 问题 。 国内外 为解 决 突出煤 层深 孔钻 进 困难 做 了大 量 的研 究 探 索 ， 但 问题 仍 未 从 根 本上 得 到解 决 。基 于塌孔 、 抱 钻对 钻进 进尺 的影 响 ， 河南 理工 大 学提 出 了松软 突 出煤层 钻孔 大部 分 抽采 钻孑 L 施 工不 到设 计 深 度 的 主要 因 素是 排 渣 不 良 ， 钻 收 稿 日期 2 0 1 4 0 63 0 作者简 介刘 中一 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河 南太康 人 ， 硕 士， 2 0 1 2年毕业 于 河南理工大学 ， 现从事煤矿瓦斯灾害防治工作 。 机功率 小 、 输 出转矩 小 ； 另外 ， 一旦 出现塌 孔 ， 钻 机 负 荷 加 大 ， 钻 机旋 转 较 慢 ， 也 易 导致 排粉 不 畅通 ， 出现 卡钻 、 抱钻现象 ， 造成钻孔成型差 ， 给封孔质量 造成 影响。在我国现有技术条件下 ， 可从选择合适 钻具 和提 高操 作 人 员 素 质 2个 方 面 人 手 提 高 钻 孔 成 孔 率 。根据 气 力 输 送 原 理 ， 顺 层 钻 孔 深 度 每 增 加 4 5 IT I ， 风压 应增 加 0 ． 1 MP a 。 1 ． 2封孔 深 度 确定 合理 的封 孔 深度对 瓦斯 抽采 具 有 十分重 要 的意义。巷道成型后 ， 在高应力作用下 ， 从煤体边缘 到深 部 ， 会 出现应 力 释放塑 性 区 、 应 力增 高弹性 区及 原 岩应力 区。为 了避 免巷 道扰 动裂 隙卸 压对 抽采 钻 孔封 孔段 的影 响 ， 提高 钻孑 L 密封 效果 ， 在 设计 抽采 钻 孔 封孔段 深 度和 长度 时应 考虑 巷道 扰动 裂 隙影 响范 围 。另外 ， 掩 护煤 巷 掘 进 所施 工 的 区域 钻 孑 L 加 剧 了 煤体破坏 ， 裂隙贯穿煤壁和钻孔 ， 在负压状态下 ， 空 气由煤帮通过裂 隙进入钻孔 。 。如果封孔深度太 浅 ， 封孔段 未 布置 在应 力增 高 区 ， 钻孔 可 以通 过裂 隙 与外 部 空间 形成 回路 循 环 ， 导致 空气 经 裂 隙进 入 钻 孔 ， 进而使瓦斯抽采浓度 降低。合理确定巷道的三 带 范 围是 确定 封孔 深 度 的关 键 ， 可 通 过 测 定 煤 屑量 S值 和钻 屑解 吸 值 推 算 出 巷 道 应 力 三 带 的 分 布 区 ． 47 2 0 1 4 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 2 7 期 域 。另外 ， 掩 护煤 巷掘进 区域钻 孔 控制 到 巷 帮 1 5 m， 也是 影响 封孔 质量 的一个 重要 因素 。 1 ． 3封孔 材料 实际操作过程中， 封孑 L 材料应满足密封性好 、 操 作 方便 、 速 度快 、 材料 省等 要求 。采 用水 泥 膨胀 剂 封 孔 ， 膨胀 剂浆 体硬化 后其 硬度 系数 增加 ， 凝 固体没 有 柔韧 性 ， 脆 性加 大 ， 当矿 压 显 现 时 ， 压 力 对 封孔 体 的作用容易造成封孔体及抽采导管断裂。聚氨酯封 孑 L 以其 工艺 简单 的 特点 在 近 几 年 得 到广 泛 应 用 ， 与 水 泥砂浆 相 比 ， 采 用 聚 氨酯 材 料 封 孔 具 有 较小 的钻 孑 L 瓦斯流量衰减系数和较高的百米极限抽采量 J 。 采用 聚氨 酯封 孑 L 工 艺 ， 顺 层 钻 孔 平 均抽 采浓 度 比采 用 马 丽散 F封 孔 时提高 1 2 ． 2 ％～ 2 4 ． 5 ％ [ 6 j ， 并 可实 现 钻 封一 体 化 。 高 振 勇 等 提 出 聚 氨 酯 在 环 形 空 间 内膨 胀 时 膨 胀 倍 数 与环 形 空 间 长 度 存 在 指 数 关 系 Y2 8 ． 9 0 5 e 。 由此 可 见 ， 聚氨 酯 是 目前条 件 下一 种更 有优 势 的本煤 层顺层 钻 孔封孔 材 料 。使 用 聚氨 酯封 孔 时 ， 具 体 用 量 要 考虑 到 环 形 空 间膨 胀 倍 数 问题 ， 不 能 简单照 搬在 不受 限空 间 的膨胀倍 数 。 2封孑 L 配套技 术优 化 2 ． 1 钻具 选 型 豫西新安煤 田三软 高突煤层 存在钻孔施工 困 难 、 钻 孑 L 成 孔 率低 等 问题 ， 所 以钻 机 的旋 转 转 矩 、 推 进 力 和转 速应 大 幅度 增 加 ， 经 多方 考察 和现 场试 验 ， 采 用 了 Z Y W 0 0 0型 液压 钻 机 ， 该 型 钻 机 输 出 扭 矩 高 达 1 0 5 0 N m， 额定 功率 为 5 5 k W。采 用 7 3 mm 高 强度 螺纹 管钻 杆 ， 钻 头 直径 9 4 m m， 钻 杆之 间采 用 六 方连 接 ， 然 后再 用 高 强 度 螺 栓 连接 ， 具 有 强度 高 、 拆 装容 易 、 对 中性 好 等 优 点 。Z Y W40 0 0型 钻 机 在 施 钻过程 中减少 了卡 钻 、 抱 钻事 故 ， 每 台钻机 月钻 尺 可 达 6 5 0 0 m。 2 ． 2封孔 新装 备 新 型囊 袋 式封 孔工 艺采 用 聚氨酯 为 主要封 孔材 料 ， 具 备操 作 简单 实 用 的 特点 ， 能够 实现 封 深 孔 、 深 封 孔 的 目的 。新型囊 袋 式封孔 器 由 8 m长 高分 子囊 袋 、 注 浆 软 管 、 单 向 注 浆 阀 和 封 孔 器 活 接 组 成 图 1 ， 封 孔 器 以里 可 接 5 0 m m 抽 放 实 管 和筛 管 ， 外 侧 连接 单根 5 0 mm抽 放 实 管 ， 8 m 长 囊 袋 内可 通 过 封孑 L 器 活接逐 根连 接 4根共 8 m长抽 放实 管 。囊 袋 具有 一定 的微 膨 胀 功 能 ， 当聚 氨 酯浆 液 膨 胀 达 到 一 定压力后可从囊袋壁向外微渗透 ， 能够对煤体周 围裂 隙进行 封堵 。 ． 48 ． 图 1 新 型 囊 袋 式 封 孑 L 器 示 意 聚氨 酯反 应 速度 快 ， 操 作 时 间较 短 ， 为 此 ， 试 验 应用 了快 速注 浆装 置 。该装 置 由注浆罐 、 进 气 阀 、 注 浆接 口和排气阀等组成 。注浆 时将排气 阀关闭， 进 气阀与矿井压风系统相连， 注浆接 口与封孔注浆软 管相 连 ， 在 注浆 罐 内套设 塑料 袋 ， 将 聚 氨酯 A B液 在 塑料袋 内混合均匀后 ， 封闭罐体 ， 开启压风注浆 。注 浆 结束 后 ， 关 闭进 气 阀 ， 开 启 排 气 阀 排 气 ， 打 开 注浆 罐 ， 回收塑料 袋及 残 留聚 氨酯 。 3新型 封孔装 置现 场应用试 验 3 ． 1试 验工 作面概 况 新 安煤 田孟 津煤 矿 软 煤 层普 遍 发 育 ， 瓦斯 含 量 高 ， 煤层 透气 性系 数 小 ， 属 严 重 煤 与 瓦斯 突 出矿 井 。 1 2 0 1 1 工作面埋深 6 1 2～7 0 8 m， 总体上呈一单斜形 态 ， 倾 角 3 。～ 6 。 ， 平 均采 高 6 m， 平 均 瓦 斯含 量 l 0 ． 8 m ／ t 。工作 面 回采 区 域采 取 “ 底 板 岩 巷 穿 层 钻 孔 两巷顺层钻孑 L ” 立体网格式抽采的 区域 防突措施 ， 本 煤层 抽采 钻孔 从轨 道 、 胶 带运 输巷 进行 顺层 对抽 ， 钻 孔直 径 9 4 m m， 孔深 6 5 m， 留有 1 0 m 相互 交 叉 的 重 叠 区。 3 ． 2封 孔工 艺 囊袋 式 注浆封 孔 工艺 为 由里到外 依 次下人 长度 为 1 6 m 的 P V C筛管 、 1根 长度 2 m 的 P V C实 管 及 长 度为 8 m的 聚氨 酯囊 袋 式 专 用 封 孔器 ， 外 端 接 长 度为 1 8 m的单根聚乙烯抽采管。要求封孑 L 深度为 4 4 m， 封 孔段 长度 8 m。抽 采管 安设 完 成 后 ， 向孔 口 内塞 人长 度不 小于 2 0 0 mm 的黄 泥或 快 干水 泥 对 钻 孔 孔 口部位 进行 密 封 并 固定管 路 ， 然后 由注 浆 软 管 向囊袋 内注入 聚氨 酯 浆 液 ， 依 靠 聚 氨酯 发 生 化 学 反 应 而膨 胀 ， 将钻 孑 L 密 封 堵 实 。封孔 前在 筛 管 上 包 裹 砂 网 ， 防止 碎煤 屑堵 塞气孔 。封孔完 成后 ， 聚乙烯 封 孔 管外 露长 度不 大于 3 0 0 mm， 注浆 管外露 长度 不 大 于 2 0 0 mm， 以便标 准 化连 管 。 3 ． 3 标 准化 连管 和后 期管 理 为 提 高抽 采 效 果 ， 积 极 推行 瓦 斯 抽采 标 准 化 连 管 工作 ， 先后 采取 多 种 措 施对 抽 采 连 管 方 式 进 行 改 进 ， 主管 路 至集气 箱 由原 来 的梢 头 铁 丝 捆 绑 连 接 改 2 0 1 4年第 1 1期 刘 中一 。 等 松 软高 突煤 层封 孔 关键技 术 研究 与应 用 总 第 2 2 7期 进为带法兰盘 的 1 5 0 mm弹簧管连接 ； 集气箱 汇总 管 至单 孔 由原来 的 P V C管 “ 硬 ” 连 管 方 式 改 进 为用 瓦斯抽采软管 “ 软” 连管 ， 改变 了原来 连管弯头 、 接 头多， 负压低及漏气现象 。 经过一段时期抽采 ， 煤体的变形 、 位移会导致钻 孔周围煤体 的孑 L 裂 隙扩张 、 发育 ， 外界空气 由裂 隙通道导入孔底 ， 使得抽采浓度下降， 故需要进入二 次封孔 阶段 。在漏气孔 两侧打孔堵 漏可提 高瓦 斯 抽 采浓 度 和 瓦 斯 抽 放 量 ， 通 过 二 次 注 浆 封 孔 ， 可 有效 处理 抽 采 浓 度 衰减 过 快 的 问题 。 另外 ， 定期 对 各 地点抽 采 单孔 进行 抽采 参数 测试 和堵 塞 疏导 工 作 ， 对 满 足预抽 期 的抽采 单孔 进行 逐 孔筛 选 ， 将 有抽 采价值的钻孔继续 连管抽采 ， 对流量 和浓度偏低 的 钻孑 L 则关 闭停 止抽 放 ， 以此 提升 瓦斯 抽采 效 果 。 3 ． 4封孔 效 果考 察 本煤 层顺 层 钻孔采 用 聚氨 酯囊 袋式 专用 封孔 器 的封 孑 L 工 艺后 ， 瓦 斯抽 采浓 度有 了大幅 提高 ， 封孔 后 单孔浓度在 9 1 ％以上。据不完全统计 ， 1 2 0 1 1工作 面本煤层钻孔 封孑 L 后 2 4 h内， 单孔 浓度能保 持在 7 0 ％ ， 1 0 d衰 减到 2 0 ％ 。未采 用 聚 氨酯 囊 袋式 封 孑 L 前 ， 本煤层顺层钻孔抽采浓度 7 2 ％， 经 1 0 d后 ， 抽采 瓦斯 浓度 就会 衰 减 到 8 ％ 。1 2 0 1 1轨 道 运 输 巷 7 钻 场 1 8个钻 孔平 均 浓度 衰减 趋势 如 图 2所 示 。 堡 髭 薏 抽采 时间／d 图 2 1 2 0 1 1工作面 7 钻场瓦斯平均抽采浓度 衰减趋 势 1 2 0 1 1工作 面 回采 区 域 瓦 斯 储 量 为 4 4 5 ． 0 7万 m ， 设计 施 工本煤 层 顺层 钻孔 6 1 6个 。2 0 1 3年 7月 上 接 第 2 5页 能 够 有 效 破 坏 基 本 顶 的 完 整 度 ， 增加 裂 隙 面 ， 为 工作 面 内部爆 破提 供 自由面 ， 大大提 高了强制放顶 的效率 。 4 通 过对 工作 面 基 本 顶 岩 性 的分 析 ， 结 合 爆 破实践证明， 当工作面最小抵抗线在 5 m左右时 ， 爆 破效果最好 ， 能够充分释放能量 ， 确保爆破效果 。 参 考文 献 [ 1 ] 李风 仪 ， 梁冰 ， 董 尹庚 ． 浅 埋煤 层 工 作面 顶板 活 动 及其 控 制 1 3日开始抽采在线计量 ， 至 2 0 1 3年 1 0月 1 2日， 抽 采瓦斯纯量 1 0 3 ． 9万 m ， 9 0 d瓦斯预抽率就已经高 达 2 3 ％ 。 4 结论 1 聚氨 酯囊 袋式 专 用 封孔 器 封 孔 工 艺具 备 操 作简单 、 能够降低劳动强度的特点 ， 在加快封孔速度 的同时 也提 高 了封孔 质量 。 2 通 过优化 钻 孔封 孔 工 艺 ， 实 现 了深 封 孔 、 封 深孑 L 的目的， 有效缓解 了瓦斯抽采浓度低、 衰减快 的 问题 ， 单孔抽 采 浓度 提 高 到 9 l ％ ， 抽 采 1 0 d时单 孔 浓 度能 保持 在 2 0 ％ 。 3 通过标准化连管 ， 杜绝了抽采管路弯头多 、 接头多等现象 ， 降低 了阻力 ， 增加 了钻孔流量 ， 为矿 井 取得 了较好 的经 济效 益 。 参考 文献 [ 1 ] 侯守道． 1 3 0 7工作 面顺层长 钻孔瓦斯 抽放试验 研究 [ J ] ． 煤 矿 开采 ， 2 0 0 6， 1 1 1 7 0 HI ． [ 2 ] 张成武． 新景矿本煤 层钻孔 封孔工 艺改进 [ J ] ． 矿业安全 与环 保 ， 2 0 0 9， 3 6 S I 9 2 03 ． [ 3 ] 陈颖兴 ， 郭振新． 聚氨酯水泥浆封孔技术在新景矿 的应用 [ J ] ． 煤 炭 工程 ， 2 0 1 3 5 7 1 _ 7 2 ． [ 4] 丁守垠 ， 李德参． 煤层抽放钻 L 合理封 L 深度的确定 [ J ] ． 淮南 职业技术学院学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 9 4 - 6 ． [ 5 ] 宋庆尧 ， 胡德文． 淮北芦岭煤矿构造煤层钻孔 瓦斯抽采效 果分 析 [ J ] ． 煤炭科技 ， 2 0 0 8 5 4 6 48 ． [ 6 ] 秦江涛 ， 杨春 ， 庞成 ， 等． A ． B胶封孔工 艺在煤矿 顺层抽采 钻孔 中的应用性试验 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 1 3 ， 4 0 6 8 6 ． [ 7 ] 高振 勇， 张志 刚， 尹斌． 提高 聚氨酯 封孔质量 的研究 [ J ] 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