坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究.pdf

★ 煤矿安全 ★ 坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究 方前程 黄 渊跃 刘 学服 1 _湖南省煤炭科学研究所，湖南省长沙市，4 1 0 0 0 4 ； 2 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南省长沙市，4 1 0 0 8 3 摘 要 针对传统的聚氨酯封孔工艺存在的缺陷，在实践的基础上 ，总结出了采用聚氨 酯一膨胀水泥砂浆封孔技术，实践表明，该技 术的应用提高了矿井的瓦斯抽采率 ，解决了抽 放 过程 中抽放 钻孔 漏气及抽 放 率低 等 问题 。 关键 词 瓦斯抽 放聚氨 酯膨胀 水 泥封 孔工 艺 中图分 类号TD 7 1 2 ． 6 文献 标识码A S t u d y o n g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e f o r T a n j i a c h o n g C o a l Mi n e F a n g Qi a n c h e n g ，Hu a n g Yu a n y u e ，Li u Xu e f u 1 ．Co a l S c i e n c e Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Hu n a n Pr o v i n c e ，Ch a n g s h a ，Hu n a n 4 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Re s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g，Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，Ch a n g s h a ，Hu n a n 4 1 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e d e f e c t s o f b o r e h o l e s e a l i n g b y p o l y u r e t h a n e ，a n e w t e c h n i q u e wa s p r o p o s e d f o r t h e b o r e h o l e s e a l i n g b y p o l y u r e t h a n e a n d e x p a n d a b l e e e me n t mo r t a r ．Th e a p p l i c a t i o n s howe d t h a t t he ga s d r a i na ge e f f i c i e nc y wa s e nh a nc e d a nd t he p r o bl e m s u c h a s g a s l e a ka ge d ur i n g t he g a s d r a i n a g e wa s s o l ve d． Ke y wo r d s g a s d r a i n a g e ，p o l y u r e t h a n e ，e x p a n d a b l e c e me n t ，b o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e 我国煤矿大多数是瓦斯矿井 ，瓦斯事故为煤矿 生产中最严重的 自然灾害之一。抽采瓦斯是解决矿 井瓦斯含量高、瓦斯涌出量大等问题中最根本 的措 施 ，影响矿井瓦斯抽放效果 的因素是多方面的，其 中抽放钻孔的封孔质量是做好抽放工作 的最基础的 保障性措施。坦家冲矿是我 国著名的煤与瓦斯突出 矿井，一直致力于瓦斯抽采高效技术的探索。随着 开采深度的增加，采区地应力及瓦斯含量逐 步增 大 ，加之煤质松软 ，采用聚氨酯封孔后 ，钻孑 L 边缘 部位漏气严重 ，导致抽放效率低 ，不能有效地消除 突出危险，故进行了新型封孔材料的试验探索。 1 矿井抽放系统概况 坦家冲矿地质构造较复杂 ，井田内顶底板受构 造应力的影响明显 ，近年来 ，随着矿井开采深度的 增加 ，造成开采区域内地应力大、瓦斯含量及压力 逐步增大 ，给矿井采掘活动造成较大影响。现采掘 1 O6 活动区域 2 2 6 4工作面的瓦斯含量原始最高 已达到 1 5 ． 0 9 m。 ／ t ，原始瓦斯 压力为 0 ． 7 8 ～ l _ 5 5 MP a ， 瓦斯放散初速度为 1 4 ． 3 ～2 0 ． 6 ml ／ s ，2 0 1 0年矿井 瓦 斯 等 级 鉴 定 的 绝 对 瓦 斯 涌 出 量 达 到 6 4 ． 5 m ／ mi n ，2 0 1 1 年矿井瓦斯等级鉴定的绝对瓦 斯 涌 出 量 为 7 7 ． 4 6 m。 ／ rai n ，透 气 性 系 数 仅 为 0 ． O 1 1 6～O ． 0 5 2 0 m ／ MP a d ，这些不利因素 都导致矿井瓦斯抽采难度增大。 该矿建立了地面永久瓦斯抽放泵站 ，目前全矿 在抽钻孔 5 3 3个 ，矿井抽放量为1 5 ． 7 4 m ／ rai n ，其 中本煤层抽放量为 1 4 ． 5 6 m。 ／ rai n ，矿井抽放率维持 在 1 9 左右，其余钻孔因浓度低于 8 而关闭。 2 矿井抽放效率低的原因分析 在相同抽放系统下 ，瓦斯抽出量大小与瓦斯抽 放工艺 、抽放钻孔布孑 L 方式、通风系统、煤产量大 小及工作面长度、工作面推进速度和井下煤层开拓 中国煤炭第 3 8卷第 2期 2 0 1 2 年 2月 及开采间隔时间等因素有关。影响矿井抽放效率的 因素主要有 抽放设备 ；抽放管网；抽放钻机 ；抽 放钻孑 L 间距；钻孑 L 的封孔工艺及抽放负压 。坦家冲 矿井瓦斯抽放系统 的实际情况 主要归纳为 4个方 面 。 2 ． 1 抽放 周期 短 由于煤体透气性差 ，瓦斯衰减快 ，瓦斯来源补 充有限，抽放难 度较大 ；同时构造发 育、煤 层松 软，造成抽采钻孔易塌孔 、成孔率低 ，抽采效果非 常差 。 以 2 2 6 3进风巷试验孔为例 ，抽放 2 0 d后钻孔 抽放浓度平均衰减 1 9 ％左右 ，抽放 1 0 0 d后钻孑 L 抽 放浓度平 均衰减 2 6 左 右。由于抽 放衰 减较 快， 新接抽钻孔仅能弥补抽放衰减所损失的部分 ，使抽 放总量维持一个较稳定水平 。 2 ． 2抽 放钻 孔 少 工程量小 钻孑 L 工程量不足是导致瓦斯抽放率 偏低的主要原因之一 。按 2 2 6 3工作面在抽钻孑 L 最 多时 5 8 6个计算 ，其吨煤钻孔量仅为 0 ． 0 3 1 T I 。 ，远 低于其他矿井 。 在抽钻孔少 目前全矿在抽钻孔仅 5 3 3个 ，其 中 2 2 6 4抽 放泵 站覆 盖抽放区域在抽钻孔 2 9 4个， 抽放量为 1 4 ． 2 4 m。 ／ rai n ，占抽放总量 的 9 1 ；而 2 2 6 3 采空区和 2 2 6 1 抽放泵站抽放区域在抽钻孑 L 合 计 2 3 9 个 ，抽放纯量合计 1 ． 4 9 m。 ／ rai n ，仅 占抽放 总量 的 9 9 ／ 6 。 表 1 抽放钻孔参数表 2 ． 3抽 放 管路 漏 气严重 针对井下本煤层瓦斯抽放浓度低 、负压小的问 题 ，抽放 队对井下抽放 系统进行 了全面普查 和整 改。尽管如此，抽放系统漏气现象仍然普遍存在 。 通过对抽放主管加接防漏气装置，抽放管路漏气现 象基本得到有效控制 。但部分钻孔仍然存在封孔不 严、孔 口漏气现象 ，造成抽放系统短路 ，钻孔孑 L 口 负压降低 ，致使抽放浓度 低影 响抽放 效果。其 中 4 3 0 6 4泵站抽放 区域 1 4 6个钻孑 L ，漏气现象极为严 重 ，钻孔浓度和孔 口负压均达不到抽放标准 ，该部 分钻孑 L 占全矿井在抽钻孑 L 数 的 4 5 ，均无法得 到 有效抽放效果 。 2 ． 4抽放 负压与抽 放 量不 匹配 原 2 2 6 4抽 放泵 站 负压 为 2 0 k P a 左 右 ， 回风巷 及孔 口负压为 1 0 k P a左右 ；通过对抽放系统整改 ， 负压现已达到 4 8 k P a左右 ，2 2 6 3工作面 3条回风 巷及 孑 L 口负压 均 在 4 0 k P a左 右 。而为 了进 一 步 提 高矿井瓦斯抽放 率 ，采取 了关闭低浓度 钻孔 的措 施 ，这样在原有的抽放负压条件下，在抽的钻孔数 量较少 ，使得在抽的钻孔 内瓦斯流量较小。虽然能 提高部分区域内抽放管路 中的瓦斯浓度 ，但矿井瓦 斯抽采率并未提高 。 坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究 3 封 孔 工艺 改进 3 ． 1 聚氨 酯封 孔 抽放钻孔普遍采用聚氨酯材料进行封孔 ，该方 法是采用 3种不 同的化学药剂 ，按照一定的混合 比 例调配 ，将配好的药液均匀涂抹在绑有棉纱布的封 孔器或抽放管路上，在膨胀发泡前送人钻孑 L ，待膨 胀充分密封钻孔后进行抽放作业 ，见图 1 。 抽放钻孑 L 麻袋 聚胺脂 图 1 聚 氨 酯 封孔 装 置不 意 图 在 2 2 6 4进风巷进行 了现场试验操作 ，封孔抽 放后发现，抽放钻孔单孔及抽放管路中的瓦斯浓度 偏低。经现场检查发现 ，孑 L 口负压直线下降，而管 路及钻孔连接头处未漏气。经过研究分析，单纯用 聚氨酯封孔导致瓦斯抽放浓度偏低的原因有如下 3 个方面 1 该封孑 L 方式的钻孔长度有限，一般封孔器 的长度仅为 3 m，故封孔段长度小于 3 m，不能实 ] O7 现长距离多方位保 障措施，导致钻孔内抽放负压较 低 ，最大只能达到 9 ～1 0 k P a ，未能影响到钻孔深 处 的钻孔 瓦斯 ； 2 由于该工作 面地应力 较大，在实行封孔 后 ，钻孑 L 内受到顶板挤压，凝 固的聚氨酯在应力挤 压下出现裂缝 ，导致漏气。 3 从现场调查得 出，由于该工作面煤质松 软 ，在打钻成孔期间受到钻机的扰动影响，在钻孑 L 周围形成裂隙，而该封孔方式未能完全填满钻孔周 围的次生裂隙 ，使得抽放负压与巷道 内大气连通 ， 封孑 L 管 A B 袋 水泥 造成 漏气 。 3 ． 2 聚氨 酯 一膨胀 水泥封孔 为了提高瓦斯抽放效果 ，一般的矿井都普遍采 用 “ 高负压”的抽放方式 ，而采用聚氨酯封孔导致 抽放效率低 ，不能很好地降低开采煤层瓦斯。经过 探索研究 ，提 出了 “ 聚氨酯 一膨胀水泥”封孔方 式，该方法的实质是将抽放钻孔的封孔段用高分倍 膨胀水泥砂浆填满，聚氨酯作为封孔的一种辅助材 料 ，其中封孔段长度加长至 1 2 m。 石膏 。 。 。 。 。 。 。 _ 一 排气管 一封孔管 图 2聚氨酯 一膨胀水泥封孔工艺示意图 该封孔材料选用抚顺研究院研制的一种新型封 孔材料 ，它是由膨胀率大、密封性好、粘合力强并 且绝缘阻燃的煤矿专用合成树脂 由 A、B两种液 体组成 ，膨胀率达 2 0倍 以上 ，膨胀时 间为 2 ～5 mi n ，能保证在抽放负压为 6 0 8 0 k P a条件下钻孔 的密封效果。 聚氨脂一膨胀水泥封孔 工艺示意图见图 2 。具 体操作步骤为 1 取出足量的 A、B胶，然后在连好的封孔 管接口处缠 3 ～5 m 的白布，将取 出的 A、B胶均 匀倒入裹好的白布内，使用工具搅拌均匀 ，待发泡 开始，将缠好 白布带胶的封孑 L 管塞进孔内，外露长 度 保持 3 0 0 mm； 2 使用风动水泥注浆泵往抽放钻孑 L 内注入水 泥砂浆进行 二次封孑 L ，使用风动注浆泵 向孑 L 内注 浆 ，直到水泥从排气孔内流出后停止注浆。然后将 外露的排气管 口封严。排气管不透气后 ，继续 注 浆 ，直到水泥从孔 口石膏处溢出，结束注浆 。 3 下 行孔将 注浆管伸进 孔 内约 8 1 T I 左 右， 排气管伸入孔 E l 1 m，孔 口用石膏封 口；上行孔将 排气管伸入孔 内约 8 m 左右 ，注浆管伸人孑 L 口 1 m，孔口用石膏封 口；水平孔应视现场情况确定注 浆管和排气管深入钻孔的长度及位置，保证水泥能 将钻孔封堵严密 。 1 O8 异 、 鏖回 调控阀 直通 3 ． 3 封 孔效 果考察 为了能考察传统聚氨酯封孔与膨胀水泥一聚氨 酯组合封孔工艺对坦家冲矿瓦斯抽放钻孔 的适应 性 ，在 2 2 6 3 进风巷施工钻孔 6 0个，选取了各个封 孔工艺中效果较 明显的几组钻孔进行 了考察分析 ， 结果 见 图 3 。 ．2 5 0一 c 2 0 0 ．1 5 0 面 ．1 o 0 基 ．0 5 0器 0 3 6 9 J 2 l 5 钻孔序号 一 水泥沙浆封孔时的试验孔抽放 瓦斯浓度 一 水泥沙浆封孔时的试验孔抽放瓦斯纯量 一聚氨酯封孔时 的试验孔抽放瓦斯浓度 一聚氨酯封孔时的试验孔抽放瓦斯纯量 图 3 不 同封孔工艺的钻孔瓦斯抽放浓度 及纯 量对 比 由图 3中可 以得 出，在 相同的抽放负压 条件 下 ，应用膨胀水泥一聚氨酯组合材料封孔 比传统聚 氨酯封孔效果显著 ，相同的条件下 ，瓦斯抽放效率 提高了近 1 6 ． 6 。 4结 论与建 议 聚氨酯～膨胀水泥封孔工艺 下转第 1 2 O页 中国煤炭第 3 8卷第 2期 2 0 1 2年 2月 ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ 0 0 O O O 0 O O O O O ∞ ∞ ∞∞∞如加 0 ＼ 巡鹾 霉 4结论 层次分析法与模糊评价法相结合的评价方法 ， 适用于包含定性指标与定量指标在内的多指标的评 价问题 ，具有简便易用的优势 ，并可借助专家的经 验提高评价的质量 。但是该评价方法对评价指标权 重的确定有很强的人为主观因素 ，应探讨整合其他 的技术方法 ，使评价指标权重的确定更加准确。 参考文献 E 1 3 刘建功．冀 中能源低 碳运行 生态矿 山建 设 的创 新实 践 E J 3 ．中国煤 炭 ，2 0 1 0 5 E 2 1 张冰 ，杨继贤 ，李今 明．兖矿集 团节 能减排 战略研 究 E J 3 ．中国煤 炭 ，2 0 1 0 9 [ 4 ] 崔树军 ，陈纳 ，张建 云．煤矿 区总体 规划环境 评价 工作的突 出问题和应 对原则E J 3 ． 中国煤炭 ，2 0 1 0 8 张建民 ，于瑞 雪．特大 型矿 区群 资源与 环境协 调开 发效 果评价方法研究 [ J ] ．中国煤炭 ，2 0 1 1 3 乔繁 ，盛栗欣 ．推进 绿色 矿山建设 工作 之浅见 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化措施增大煤层透气性以提高瓦斯抽采率提供 了有 力保证 。 参考文献 [ 1 ] 于不凡 ．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 5 [ 2 ] 袁亮 ． 松软低透煤层群瓦斯抽采理论 与技术 F MJ． 北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 4 E 3 ] 王显政 ． 煤矿安全新技术 [ M3． 北京 煤炭工业出 1 2 0 E 4 3 E 5 3 [ 6 ] 版社 ，2 0 0 2 中国煤炭工业保 护科学 技术学会 ．瓦斯灾 害防治技 术 E M3．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 7 林柏泉 ．影 响煤层瓦斯 抽放 的因索及 其分析 E J 3． 煤矿安全 ，1 9 9 9 9 张爱然 ．瓦斯抽放效果的影响因素分析及对策 [ J ]． 山西大同大学学报 ，2 0 0 9 4 作者简介 方前 程 1 9 8 2 一 ，男 ，河南 汝 南人 ，工 程师，现就职于湖南省煤炭科学研究所，任副主任，主要 从事瓦斯灾害治理方面的研究 。 责任编辑 梁子荣 中国煤炭第 3 8卷第 2 期 2 0 1 2年 2月 ] ] ] ] ] ]