瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术研究.pdf

第4 1 卷第 1 0 期 2 0 1 3年 1 0月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e nc e a n d Te c h n o l o g y V o 1 ． 4 1 No ． 1 0 0c t ． 2 0 1 3 瓦斯抽 采钻孔径 向膨胀渗透 封孔技术研究 杨磊 ， 朱昱辰 ， 李义敬 ， 宋国正 1 ．中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．内蒙古科技大学 矿业工程学院， 内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要 针对本煤层瓦斯抽采钻孔漏风严重、 抽采浓度低和有效抽采周期短的技术难题， 分析了煤层 瓦斯抽采钻孔的漏风机理和封孔关键技术， 提出煤层瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术， 阐述了该 技 术封堵钻孔周边裂隙带的技术原理。最后结合 实例确定 了某矿 2 2 1 0工作面煤层 瓦斯抽采钻孔的 合理封孔深度为 1 6 m， 试验表明采 用径向膨胀渗透封孔技术后 ， 钻孔 瓦斯抽采体积分数提 高 2 1 ％～ 3 2 ％， 平均抽采流量提高 0 ． 0 1 6 1T I 。 ／ m i n ， 可延长抽采期 1 2个月， 既保证 瓦斯抽采的安全、 高效进行 ， 又避免了封孔材料的浪 费和抽采盲区的形成。 关键词 漏风裂隙； 瓦斯抽采 ； 径向膨胀渗透； 封孔技术 中图分类号 T D 7 1 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 3 1 0 - 0 0 6 0 - 0 4 S t u d y o n Ra d i a l S we l l i n g a n d Pe r me a t i o n Bo r e h o l e Se a l i ng Te c h no l o g y o f Ga s Dr a i na g e Bo r e h o l e Y A N G L e i ， Z HU Y u c h e n ， L I Y i j i n g ， S O N G G u o z h e n g 1 ． S c h o o l o fS a f e t y E n g i n e e r i n g， C h i n a U n iv e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l ofMi n i n g E n g i n e e r i n g， I n n e r Mo n g o l i a 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 ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s e r i o u s a i r l e a k a g e o f t h e g a s d r a i n a g e b o r e h o l e i n t h e mi n i n g s e a m ． 1 o w d r a i n e d g a s c o n t e n t a n d s h o n e ff e c t i v e g a s d r a i n a g e p e rio d， t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e a i r l e a k a g e me c h a n i s m a n d k e y t e c h n o l o g y o f b o r e h o l e s e ali n g o f t h e g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s i n t h e mi n i n g s e a m ， p r o v i d e d t h e r a d i al s w e l l i n g a n d p e r me a t i o n s e a l i n g t e c h n o l o gy o f t h e g a s d r ain a g e b o r e h o l e i n t h e mi n i n g s e a m a n d s t a t e d t h e t e c h n i c al p rin c i p l e o f t h e t e c h n o l o gy t o s e al t h e b o r e h o l e wi t h c r a c k z o n e a r o u n d t h e b o r e h o l e ． F i n a l l y， c o mb i n a t i o n w i t h t h e c a s e s ， a r a t i o n a l b o r e h o l e s e a l i n g d e p t h o f t h e g a s d r a i n a g e b o r e h o l e f o r N o ． 2 21 0 c o al mi n i n g f a c e i n a mi n e w a s d e t e r mi n e d a s 1 6 m． T h e e x p e r i me n t s h o w e d t h a t wi t h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e r a d i al s we l l i n g a n d p e r me a t i o n s e a l i n g t e c h n o l o gy ， t h e f r a c t i o n o f t h e g a s d r a i n a g e v o l u me w a s i n c r e a s e d b y 2 1 ％ 一3 2 ％ ． t h e a v e r a g e g a s d r a i n a g e fl o w w a s i n c r e a s e d b y 0 ． 0 1 6 m ／ mi n a n d t h e g a s d r a i n a g e p e rio d c o u l d b e e x t e n d e d b y 1 ～2 mo n t h s ． T h u s a s a f e t y a n d h i g h e ffic i e n t g a s d r a i n a g e c o u l d b e e n s u r e d a n d t h e wa s t e o f t h e s e a l i n g ma t e r i al a n d the f o rm a t i o n o f t h e g a s d r a i n a g e b l i n d z o n e c o u l d b e a v o i d e d ． Ke y wo r d s a i r l e a k a g e c r a c k； g a s d r a i n a g e ； r a d i a l s w e l l i n g a n d p e rm e a t i o n； b o r e h o l e s e ali n g t e c h n o l o g y 0 引 言 预抽煤层瓦斯是有效防治煤矿瓦斯灾害的根本 措施 J ， 但是我国煤矿瓦斯钻孔预抽效果并不理 想， 多个矿区煤层瓦斯抽采率仅为 3 0 ％左右， 出现 这一现象除因我国煤层渗透率低和煤层赋存构造复 杂， 还与封孔质量、 封孔长度、 钻孔结构失稳等因素 有关 。提高煤层瓦斯抽采率 已成为矿井瓦斯治理的 关键问题， 而封孔质量通常是决定煤层瓦斯抽采效 果的核心因素 。目前我国煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔 技术主要有 水泥砂浆封孑 L 、 聚氨酯封孔 、 矿用封孔 器封孔等 。 。 J ， 这些技术一定时期 内都得 到推广应 用但都存在着一定 的不足 ， 如封孔器 的封孔深度有 限 ； 聚氨酯封孔材料反应时间较快 ， 操作过程 中易造 成材料的浪费， 且价格昂贵 ； 水泥砂浆封水平或近水 平孔时 ， 由于重力作用砂浆沉淀 与钻孔之间形成间 隙， 密封效果不佳等 。而膨胀封孔技术能有效地 控制封孔时间， 避免封孔材料与钻孔之间形成 间隙 收稿日 期 2 0 1 3 - 0 5 - 2 8 ； 责任编辑 王晓珍 作者简介 杨磊 1 9 8 7 一 ， 男， 安徽亳州人， 硕士研究生。T e l 1 3 9 5 1 4 6 8 3 9 3 ， E - m a i l a q y l c u m t 1 2 6 ． t o m 引用格式 杨磊， 朱昱辰， 李义敬， 等． 瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 3 ， 4 1 1 O 6 0 6 3 6 0 杨磊等 瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术研究 2 0 1 3年第 1 0期 等问题 ， 但 目前类似研究对于其封堵钻孔漏风机理 都没有 阐述清楚 ， 对封孔工艺 和封孔参数没有 明确 给出。针对这种问题 ， 笔者在膨胀封孔技术 的基础 上提出瓦斯抽采钻孔径 向膨胀渗透封孔技术 ， 揭示 其封堵钻孔漏风机理和技术原理 ， 并 以某矿 2 2 1 0工 作面为例确定了合理封孔长度 ， 以期提高瓦斯抽采 钻孔的封孔质量 ， 实现瓦斯的安全、 高效抽采。 1 钻孔周边 裂隙带及封子 L 关键技术 1 ． 1 钻孔周边裂隙带 煤层巷道开挖后巷道壁周 围应力重新分布 ， 由外向内依次形成卸压带 、 应力集 中带和原始 应力 带， 其中卸压带煤体充分卸压、 裂隙发育， 应力集中 带煤体受 挤压裂 隙闭合 ； 抽 采钻孔施工 过程 中， 钻孔周边煤体应力重新分布 ， 产生大量 的微小裂 隙。 钻孔密封段漏风区域 由巷道掘进和钻孔开挖耦合形 成 ， 将钻孔周边裂隙区域划分为钻孔裂 隙带 、 巷道裂 隙带、 耦合裂隙带和材料裂隙带， 如图 1 所示， 这些 裂隙带中的裂隙扩展沟通形成瓦斯抽采钻孔 的漏风 通道， 导致瓦斯抽采负压和浓度下降。 一．．J 图 1 瓦斯抽采钻孔周边裂 隙区域分布 1 ． 2封孔关键技术 瓦斯抽采钻孔封孔技术 的关键在于有效封闭钻 孔封孔段周边 4个 “ 裂 隙带 ” ， 减少 漏气通道 ， 降低 封孔段煤体的透气性。由此可知， 封孔技术及封孔 材料必须解决 4个关键问题 ①封孔能够使抽采管 与孔壁之间的环状间隙不漏气 ； ②避免封孔 段周边 钻孔裂隙带漏气 ； ③封孔长度必须超过巷道裂隙带 ； ④封孔材料凝固后不产生材料裂隙带， 或产生的材 料裂隙带不足以形成漏风通道 。这就要求封孔材料 具有一定 的径 向膨胀 渗透性 ， 为此提出了瓦斯抽采 钻孔径 向膨胀渗透封孔技术。 2 径向膨胀渗透封孔技术原理 2 ． 1 封孔材料 通过对钻孔周边漏风裂隙带的分析可知 ， 封孔 材料要满足 3 个要求 ①具有一定的强度， 对于钻孑 L 的变形具有一定的支撑力； ②具有一定致密性， 膨胀 后不漏气 ， 提高钻孔的密封性 ； ③具有一定渗透性 ， 可渗入钻孑 L 漏风区域并封堵漏风裂隙。所以采用膨 胀封孔剂为封孔材料 ， 该材料具有初凝时间和强度 可调 、 凝固后不析水 、 膨胀 系数 高和膨胀后致密性 强、 成本较低等特点 ， 能封堵钻孔和渗入钻孔周边裂 隙区域保证钻孔气密性 ， 同时可避免水平或近水平 煤孔用水泥砂浆封孔后浆液沉淀形成的上部间隙。 2 ． 2 合理封孔深度确定 瓦斯抽采钻孔合理封孔深度不 能仅依赖于经 验 ， 其合理性关系着钻孔是否漏气和封孔材料 的使 用情况 ， 若封孔深度较浅 ， 外界空气就会沿着钻孔周 边裂隙区域吸入抽采管路内； 若封孔深度较深， 不仅 会造成材料 的浪费还会在应力集 中区至封孔段末端 形成抽采盲区 。因此 ， 合理封孔深度的设定原则 就是最大限度地抽采煤体瓦斯和使煤体卸压， 范围 为超过巷道松动 圈且小 于应力集 中峰值点 。实 践表明， 不同深度 的钻屑量在一定程度上反应 了巷 道周边煤体 内的应力分布情况 ， 所以可以通过测定 钻屑量变化来确定松动 圈和应力峰值点的位置， 为 确定合理封孔深度提供依据 。 2 ． 3封孑 L 工艺 钻孔施工完毕后立即采用径向膨胀渗透封孔技 术进行封孔 图 2 ， 封孔长度为 ￡ ， 其 中 、 为聚氨酯封孔段长度 ， 取 1 ． 0 ～1 ． 5 m， L 为膨胀 封孔剂封孔长度。具体工艺 钻孔施工完成后先注 入聚氨酯使其在钻孔 中形成封孔空腔 ； 将膨胀封孔 剂和水按 1 1混合倒入注浆泵 中， 搅拌均匀使之无 沉淀 ； 连接注料管 ， 以 2 ～ 3 M P a的压力将浆液注入 封孔空腔 ， 注满后维持注料压力 1 0 ～1 5 m i n 。该封 孔材料能够使浆液径向渗入巷道裂隙带 、 钻孔裂隙 带和耦合裂隙带 ， 且封孔材料膨胀后致密性较好 ， 能 较好实现钻孔周边裂隙区域 的封堵。 图2 径 向膨胀渗透封孔技术原理示意 3 现 场试 验 3 ． 1 工作面概况 淮北某矿2 1 2 0 工作面煤层厚 2 ． 2 ～ 3 ． 5 m， 有大 61 2 0 1 3 年第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 小断层 5 处， 煤层倾角 8 。 ～ 1 0 。 ； 煤层直接顶为砂质 泥岩 ， 厚约 7 ． 0 m， 基本顶为浅灰色 中粒砂 岩， 直接 底为砂质泥岩 ， 厚约 6 ． 5 m； 该工作面煤层瓦斯压力 1 ． 5 2 ． 0 M P a ， 瓦斯含量 2 O 一 2 2 m ／ t ， 为 自燃煤层 ， 煤尘爆炸指数 2 5 ． 4 7 ％一 2 6 ． 7 8 ％， 自然发火期 46 个月。 2 1 2 0回风巷位置如 图 3所示 ， 受 2 1 l 0工作面 采动影响巷道周边裂隙发育 ， 瓦斯 抽采钻孔采用水 泥砂浆和聚氨酯封孔 ， 依据经验 ， 封孔段两端为 1 m 长的聚氨酯段 ， 中间 7 m注水泥砂 浆 ， 封孔深度 9 m 。但封孔 7 d 后发现水平或近水平孔水泥砂浆沉 淀与钻孔之间形成间隙， 瓦斯抽采浓度和流量衰减 严重， 并且有部分抽采管温度过高， C O体积分数达 4 0 0 1 0 ～， 严重影响瓦斯抽采系统的安全性 ， 为解决 该 问题 ， 在该巷道实施径 向膨胀渗透封孔技术试验。 二 一 图 3 2 1 2 0回风巷位置 3 ． 2 封孑 L 深度 利用螺旋钻杆 向 2 1 2 0回风巷巷帮施工 5个直 径 4 2 m m、 深度 2 5 m的钻屑测量孔 ， 记 录每钻进 1 m的钻屑量 s值 ， 平均钻屑量随钻孔深度 的变化如 图 4所示。由图 4知， 该巷道松动 圈深度为 1 2 m， 应力集 中峰值点深度为 1 6 ． 5 m， 所以合理的封孔深 度应为 1 2 ． 0 1 6 ． 5 m。 ；7 i 囊 露1 表 1 1 1 0 --1 1 5号试验钻子 L 参数 3 ． 4 效果分析 1 1 0 1 1 5号钻孔于 2 0 1 2年 3月 1 4日封孔完 成 ， 在之后的 8 0 d内对各个钻孔的瓦斯抽采浓度和 抽采流量进行测定 ， 测定时均保持负压为 8 k P a ， 瓦 斯抽采浓度和抽采流量随时间的变化如图 5所示 。 由图 5可知 ， 采用原封孔工艺和采用径向膨胀渗透 封孔技术 的钻孔在前 4 d瓦斯抽采浓度和流量差距 不大 ， 之后 1 1 0号 、 1 1 1号钻孔 的瓦斯抽采浓度 、 抽 采流量 明显低于其余 钻孔 ； 2 0 d左 右采用新工艺钻 孔平均 瓦斯 抽 采体 积 分数 比采 用 原 工 艺钻 孔 高 2 2 ％， 平均瓦斯抽采流量高 0 ． 0 0 7 m ／ ra i n ； 3 5 d以后 1 1 0 号、 1 1 1 号钻孔的平均瓦斯抽采体积分数一直降 至 1 0 ％， 而其余钻孔仍维持在 3 0 ％左右； 采用新工 艺后 ， 不同封孔深度钻孔瓦斯抽采效果几乎相同。 ＼ 瓣 蛙 眯 据 日期 月一 日 a 瓦斯抽采体积分数 粪 0 ． 0 1 LLj 1 0 3 1 5 0 4 0 7 0 4 3 0 0 5 2 3 杨磊等 瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术研究 2 0 1 3年第 1 0 期 发现有顶钻现象 ， 说明存在瓦斯抽采盲区 ， 所 以合理 的封孔深度应为 1 6 m， 封孔深度过深不能增加抽采 效果反而为 日后生产留下安全隐患 。由以上分析可 知 ， 采用径向膨胀渗透封孔技术 的钻孔 瓦斯抽采体 积分 数提 高 2 1 ％ 一3 2 ％， 平 均 瓦斯 抽 采流 量 提高 0． 01 6 m ／mi n 4结 语 分析 了煤层瓦斯抽采钻孔 的漏风机理 ， 得 出钻 孔密封段漏风区域由巷道掘进和钻孔开挖耦合形 成， 并将钻孔周边裂隙区域划分为钻孔裂隙带、 巷道 裂隙带、 耦合裂隙带 和材料裂 隙带 。提出煤层 瓦斯 抽采钻孔径向膨胀 渗透封孔技术 ， 有效地封 闭钻孔 周边 4 个“ 裂隙带” ， 减少漏气通道， 降低封孔段煤 体透气性 ， 保证 瓦斯抽采 系统 的安全性。结合实例 确定了煤层瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度为 1 6 In ， 既保证瓦斯抽采的高效进行 ， 又避免了封孔材料 的 浪费和形成抽采盲区的情况 ； 同时瓦斯抽采钻孔径 向膨胀渗透封孔技术使钻孔瓦斯抽采体积分数提高 2 1 ％～ 3 2 ％， 平均瓦斯抽采流量提高0 ． 0 1 6 in ／ m i n ， 抽采期延长 1 2个月。 参考文献 [ 1 ] 程远平 ， 俞启香 ， 周红星 ， 等 ． 煤矿瓦斯治理 “ 先 抽后采 ” 的实践 与作用 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 4 3 8 9 3 9 2 ． [ 2 ] 袁亮． 淮南矿区瓦斯治理技术与实践[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 0 ， 2 8 1 7 1 2 ． [ 3 ] 黄鑫业， 蒋承林． 本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 4 5 4 8 ． [ 4 ] 陈杰 ， 金龙哲． 关 于聚氨酯封孔 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 8 ． [ 5 ] J I A N G C h e n g - l i n ， L I X i a o - w e i ， T AN G J u n ． F a s t D e t e r m i n a t i o n o f G a s P r e s s u r e B e r e C o a l U n c o v e r i n g i n C r o s s c u t a n d S h a f t 『 J ] ． J o u rnal o f Ch i n a Un i v e r s i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y， 2 0 0 8，1 8 4 6 8 7 1 ． [ 6 ] 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 ． [ 7 ] 马灵军， 王宽， 张云峰， 等． 瓦斯抽采钻孔化学注浆封孑 L 技术 的应用 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 7 1 0 0 1 0 2 ． [ 8 ] 鲁岩， 邹喜正， 崔道品， 等． 围岩破碎圈的理论分析与实践 [ J ] ． 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 7 ， 2 6 2 1 1 9 -2 21 ． [ 9 ] 尚 群． 赵庄矿 3号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 3 3 3 4 ． [ 1 O ] 孙玉宁． 松软煤层瓦斯抽采钻进技术与封孔技术研究报告 [ R ] ． 焦作 河南理工大学， 2 0 0 8 1 0 1 4 ． [ 1 1 ] 贾良伦． 瓦斯抽放钻孔封孔长度的确定和实践[ J ] ． 煤炭工程 师， 1 9 9 8 ， 2 5 2 2 8 2 9， 4 8 ． [ 1 2 ] 刘国泉．关于应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标判定突出危险 性若干 问题 的讨论 [ J ] ． 煤矿安全 ， 1 9 9 3 ， 2 4 2 3 5 4 0 ． [ 1 3 ] 丁守垠 ， 李德参． 煤层抽放钻孔合理封孔深度 的确定 [ J ] ． 淮南 职业技术学 院学报 ， 2 0 0 9， 9 1 4 6 ． 上接第 5 9页 和分布进行分析 ， 在现有“ U L ” 型通风不能很好解 决上隅角瓦斯超限问题且工作面通风系统 已形成无 法更改的前提下 ， 创新性地提出了通过调整采 空区 抽采量 ， 采取措施局部改变上隅角附近通风系统 ， 人 为将上隅角风流反 向， 由出风变进风 ， 局部形成类似 于 Y型通风 的上 隅角 瓦斯 综合治理技术 。通过现 场在工作面实施该技术 ， 上隅角和二号 回风巷 瓦斯 体积分数下降幅度 高达 5 0 ％， 上隅角瓦斯体积分数 始终保持在 0 ． 5 ％以下 ， 彻底解决 了工作 面上隅角 瓦斯超限问题， 同时结合 F lu e n t 数值模拟， 深入分析 了采取该技术治理前后采空区及上隅角附近瓦斯浓 度分布变化 ， 现场实施效果 和数值模拟都证 明了该 技术能有效治理上隅角瓦斯积聚导致 的瓦斯超限问 题， 为高瓦斯工作面上隅角瓦斯治理难题提供参考。 参考文献 [ 1 ] 丁厚成． 张集矿 综采 面采空 区瓦斯 运移 规律及 抽采 技术研 究 [ D] ． 北京 北京科技 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 徐钧， 戚良锋．Y型通风采空区瓦斯流场数值模拟研究[ J ] ． 安徽理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 0 3 2 9 3 1 ． [ 3 ] 张兆． 回采工作面偏 Y型通风系统巷道布置的改进[ J ] ． 煤 炭工程 ， 2 0 1 0 4 1 2 ． [ 4 ] 高贵． U L型通风 治理 回采 工作 面上隅角 瓦斯 [ J ] ． 煤矿安 全 ， 2 0 0 9 ， 4 0 1 2 1 5 1 7 ． [ 5 ] 高艳． 关于采煤工作 面 U L型通风方 式的探 索与实践 [ J ] ． 科技情报开发与经济 ， 2 0 0 9 ， 1 9 1 2 2 5 2 2 6 ． [ 6 ] 王 德 明． 矿 井通 风与 安全 [ M] ． 徐 州 中 国矿 业 大学 出 版社 ， 2 o 0 7 ． [ 7 ] 安 士春 ， 赵龙． 沿空 留巷 与“ Y” 型通风研究 与实践 [ J ] ． 山东 煤炭科技 ， 2 0 1 0 6 1 5 7 1 5 8 ． [ 8 ] 申晓东． 高瓦斯矿井沿空 留巷 Y型通风瓦斯抽采技术实践 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 1 1 ， 3 0 3 1 1 0 -t 1 2 ． [ 9 ] 张法全． 夹河煤矿采煤工作面上隅角瓦斯涌出的规律及其防治 措施[ J ] ． 煤矿安全， 2 0 0 6 ， 3 7 4 2 6 2 8 ． [ 1 O ] 时国庆， 王德明， 奚志林． 基于 F L U E N T对采空区氧气浓度场 的数值模拟[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 9 ， 3 7 6 7 6 7 9 ． [ 1 1 ] 韩占忠， 王敬， 兰小平． F L U E N T流体工程仿真计算实例与 应用 [ M] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 63