下斜钻孔施工与封孔综合技术研究.pdf

第3 8 卷第4 期 2 0 1 5年 4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 Vo 1 ． 3 8 No ． 4 Ap r ． 2 0 1 5 下 斜钻孔施工与封孔综合技术研究 赵 俊 山 冀中能源峰峰集团公司大社矿， 河北峰峰0 5 6 2 0 1 摘 要基于大社矿大煤为突出煤层的情况，该矿通过技术创新，并通过现场施工作业，由 其他钻探设备施工不能施工下斜钻孔到新型钻探设备能施工下斜钻孔。采用 “ 两堵一注”封 孔技术后，解决了下斜钻孔不能使用水泥挤浆的难题，保证封孔深度，加大了瓦斯抽采效果， 为安全生产创造了条件，提高了采掘工作面的瓦斯综合治理工作力度。 关键词下斜钻孔施工；封孔技术；瓦斯治理；技术研究 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 5 0 4 0 049 0 3 S t u d y o n Be l o w- o b l i q u e Dr i l l i n g Co n s t r u c t i o n a n d Ho l e S e a l i ng Co mpr e he n s i v e Te c hno l o g y Z HA0 J u n s h a n D a s h e胁 ， F e n e n gG r o u p ， J i z h o n g E n e r g y , F e n e n g 0 5 6 2 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n o u t b u r s t c o a l 8 e a l n i n Dash e Mi n e ， t h r o u g h t e c h n i c al i n n o v a ti o n a n d c o n s t r u c ti o n o n s i t e ， n e w d r i l li n g e q u i p me n t t o c o n s t r u c t b e l o w - o b li q u e d r i l l i n g W as i n s t e a d o f n o e q u i p me n t t o c o n s t r u c t u n d e r t h i s s i t u a ti o n ． Tw o p l u g g i n g a n d o n e i e c fi o n s e a l i n g h o l e t e c h n o l o g y w a s a d o p t e d t o s o l v e t h e c e me n t s q u e e z e t h i c k l i qui d c a n n o t b e u s e d i n b e l o w- o b li qu e d ri l l i n g c o n s t r u c ti o n ，w h i c h e n s u r e d d e p t h o f t h e h o l e s e a l i n g ，i mp r o v e d g as e x acti o n e ff e c t a n d mi n i n g w o r k i n g f a c e g a s c o mp r e h e n s i v e e x ac fi o n an d p r o v i d e d c o n d i ti o n s f o r s a f e p r o d u c ti o n ． Ke y wo r d s b e l o w - o b li qu e d r i l l i n g ； s e a l i n g h o l e t e c h n o l o gy； g as c o n t r o l ； t e c h n i c a l r e s e a r c h 1 概 况 大社矿井田位于峰峰煤田东北部，邯郸市峰峰 矿 区大社镇境 内。主井地面标高 2 3 4 ． 8 m。井 田西 部以 F 断层为界，南部以技术边界与牛儿庄矿为 界 ，东部 以 F， 断层及技术边界 与小屯矿为界 ，北 部以大煤 一 3 0 0 m等高线垂直下切与大淑村矿为界。 井田走向平均长约 6 0 0 0 m，倾向长平均约 2 8 3 8 -3 m，面积约 1 7 。0 3 k m 2 ，西部较宽东部较窄，形状不 规则。冀中能源峰峰集团大社矿井 1 9 5 9年投产 ， 原设计生产能力为 9 0 万 t ／ a ，1 9 9 7 年改扩建后矿井 设计 能力为 1 3 5万 。矿 井开拓方 式为立井及暗 斜井多水平开拓方式。矿井共有 3个开采水平 ，分 别是 3 0 、一1 2 0 、--2 8 0 I l l ，目前生产地 区集中在 一 2 8 0 一 _ 4 l 0 m水平。大社矿井田内可采煤层共有 1 0 层煤，目前，主采煤层为 2 号 大煤 和 4号 野青煤 煤层。其中大煤 4～ 6 m，平均厚度为 5 ．3 m，直接顶为透气性较差的粉砂岩，大煤瓦斯 含量在 5～1 8 m3 ／ t 左右 ，平均 7 ． 2 m3 ／ t 左右。大煤 与野青煤层间距平均 3 2 m，野青煤层平均厚度为 1 ． 2 5 m，野青直接顶板为石灰岩 。 该矿大煤经鉴定为突出煤层，野青煤经鉴定无 突出危险I生，可作为保护层开采，我矿采取的防突 措施主要采用区域消突和局部消突。区域防突措施 开采保护层、穿层钻孔预抽条带煤层瓦斯和顺层钻 孔预抽区段煤层瓦斯；局部防突措施本煤层钻孔抽 采和排放瓦斯孔进行消突。 2 下斜孔钻探技术分析 钻孔施工作为解决瓦斯重要手段，钻机选型为 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 1 5；责任 编辑 聂明勋 作者简介赵俊山 1 9 8 3 一 ，男 ， 河北临漳人 ，助理工程师。E - m fl 2 8 2 7 3 6 1 4 7 q q ． e o l n 引用格式赵俊山． 下斜钻孔施工与封孔综合技术研究【 J 】 ． 煤炭与化工，2 0 1 5 ，3 8 4 4 9 5 1 ，5 5 4 9 2 0 1 5 年 第4 期 煤炭与化工 第3 8 卷 主要 工具 ，对 于该矿 而 言 ， 目前 的 S G Z I D 、 Z Y W一 1 0 0 0 ／ 1 3 5 、Z Y W一 1 9 0 0 R等钻机因钻机功率问 题，钻孑 L 施工孑 L 深大多达不到设计要求，已达不到 我矿钻孔施工及消突要求， 且某些地区煤层倾角较 大，必须施工下斜钻孔才能达到消突目的。 2 0 1 2年在该矿 9 2 7 1 4皮带运输巷曾实验使用 风动钻机 Z D Y 一 1 0 0 0 ／ 5 5 0 S 钻机进行本煤层钻孔施 工，该钻机最终孑 L 深施工 7 0 m，虽然较以前的钻 机施 工本煤层孑 L 孑 L 深 ，但有只能施工大倾角钻孔 ， 施工现场时煤尘大等缺点，虽然采取了孔口加水质 喷雾等效果，通过实验效果并不明显。因此，风动 钻机施工本煤层钻孑 L 方案并不可行。 改 用 C MS 1 6 2 0 0 ／ 8 0履 带式 钻机 进行 钻孔 施 工，特别是施工下斜钻孔，孔深可达到 1 2 0 m，为 矿井下斜钻孔施工提供了很好的发展空间。但是下 斜钻孔封孔技术仍是一项空白。 3封孔技术现状 封孔技术是煤矿瓦斯抽采钻孔中的一项重要技 术工艺。钻孑 L 的密封性不佳和煤层裂隙影响抽采效 果 ， 插管与孔壁的环状空间和煤层裂隙往往造成钻 孔内漏气，降低瓦斯抽采浓度与瓦斯抽采量，影响 抽采效果。针对上述存在的问题，该矿结合现场实 际，进行了多次的封孔试验研究，如何在现有的条 件下既能保证封孔质量，又能保证封孑 L 深度，特别 是保证下斜孑 L 和水平孔的封孔质量，保证钻孔瓦斯 的抽采效果。有必要进行煤层瓦斯抽采钻孔封孔技 术研究。 4实施地区简介 4 ． 1 实施地区的选择 此次研究突出煤层下斜钻孔与抽采消突综合技 术选择在大社矿 9 2 6 2 2 掘进工作面。 4 ． 2 实施地区简介 9 2 6 2 2 掘进工作面西至 9 2 6 2 3 工作面 设计 ， 南至西翼轨道，东至 9 2 6 2 1 工作面 采空区 ，北 至 9 2 6 2 2里工作 面 设计 。井下标高 为 一 3 3 0～ 一 4 3 0 m。该区地面位置为乐意庄村北部 ，主要为耕 地，有一条西北东南向冲沟，季节性流水，冲沟北 部有一条公路。地面标高为 2 2 5 ．5 2 2 9 ．4 m 。 9 2 6 2 2 工作面是回收西翼地区中部煤炭资源的 工作面，面积 1 9 6 2 8 5 m 2 ，平均煤厚 5 ．2 131 ，煤层 走向N E ，煤层倾角 1 4 。 ～ 4 0 。平均 2 0 。。工作面 设计为对拉工作面，上工作面走向长平均 5 7 5 m， 倾斜长 1 7 0 m，可采储量 7 8 万 t ，下工作面走向长 5 0 平均6 1 7 m， 倾斜长 1 2 0 m，可采储量 5 9 万 t 。 该地区构造复杂，断层，褶曲发育，在工作面 中部有一向斜构造，向斜轴走向N E ，并且在工作 面中部及西北部有两个小型盆地。岩层倾角变化较 大为 1 4 。 ～4 0 。，平均 2 0 。。 9 2 6 2 2 工作面局部未开采保护层 ，未开采保 护层 预抽 区域掘进 期 间预计 煤层瓦斯涌 出量 1 ．5 2 ．5 m 3／ m in ，开采保护层地区掘进期间预计瓦 斯涌出量为 1 ． 5 m3 ／ m i n ，回采期间预计瓦斯 涌出量 为 8 ～ 1 3 ． 5 m 3 ／ m i n 。 9 2 6 2 2 运料巷设计钻场 9 个 ， 钻场间距 5 O 一 6 0 m， 每个钻场设计钻孔 1 9个。根据地质资料 ，运 料巷至溜子道煤层倾角 1 4 。 4 0 。，因此 ，钻孔 施工必须施工下斜 一 1 4 。 ． 4 0 。，对钻场支护、 现场施工条件及下斜孔煤粉处理都带来一定困难。 5 下斜钻孔解决方案 1 9 2 6 2 2上运位于大煤向斜轴上部 ，必须施 工下斜钻孑 L 才能对大煤煤层进行消突 。钻场设计 时，由4 m x 4 m X 3 r n 长 宽 X高 改成 6 m X 5 m3 r n 长 X 宽 高 ，这样有利于履带式钻机的 摆动。 2 由于钻场掘进需破顶 ，支护上采取钢带 加锚索支护，两帮裱褙锚网。钻机稳固需人工搭设 两根点柱，钻机 自带顶镐高度 1 ． 5 m，钻机跑道能 升高至 1 ．2 m，顶不到钻场顶部 ，无法加固钻机， 对顶镐进行改进，加设一顶镐接骨，接骨为液压系 统 ，能升高 1 ． 5 m，这样 ，当钻机与顶镐联合顶起 打不到钻场顶部时，将顶镐与接骨连接，能够顶到 钻场顶板 ，接骨上焊接 2 0 0 m l n 2 0 0 m m平面铁 板，能有效对破碎顶板支护。 3 底部为大煤煤层，打钻期间，钻场积水 对钻机稳固性有影响，通过在钻场内做水窝安泵排 水 ，另外钻机底部码放一排道木对底部加固，这 样 ，钻机在施工中不会因自身重量高达 3 t 和煤体 经水浸泡而下沉。 4 钻机操作阀自带压力泵供水排粉，加压泵 自动对供水加压10 ．6 M P a ，供水系统压力一般能 达到 0 ． 8 M P a ，这样 ，钻孔冲水压力达到了 1 ．4 M P a ，钻进使用三棱钻杆 ，水压减少了卡钻现象。 且钻孔煤粉通过水压导出后成煤泥状 ，通过排水泵 能直接排除钻场 ，杜绝了钻孔大量煤粉导出后掩埋 钻探设备及人工钻机前清理煤岩粉的缺陷。 5钻孔施工后 ，下斜孑 L 内存有大量积水 ， 隔绝了煤层瓦斯，目前国内尚无解决下斜孔积水问 赵俊山下斜钻孔施工与封孔综合技术研究 2 0 1 5年第 4 期 题的理论性研究，通过采取措施，成功解决了下斜 孔积水问题。措施为钻孔施工到位置后，将钻孔 孔El的钻杆拆卸掉，接上 自行改装焊接的高压头 ， 用 1 寸高压风管与钻孑 L 孔El高压头连接，通过风压 压力排水，该矿风管压力一般为 O ．5 M P a ，通过实 测 ，钻孔排水深度为 3 5 m，对于 1 2 0 m深孔来讲 还剩余 8 5m。 对钻孔封堵后，在抽采钻场钻孔连接管上安设 一 根 4 , 2 0 0 ／ ／1 ／n 管子作为放水水包 ，通过瓦斯抽采 泵高负压进行抽水，对钻孔瓦斯浓度、流量进行测 量并记录 ，当负压达到 4 5 k P a 时，能够将钻孔内 部分积水放出，通过多次放水，关闭压风阀门，负 压调整至不低于 1 3 k P a 时，孔内负压抽不到积水， 证明该办法有效。测量钻孑 L 瓦斯浓度、流量与之间 浓度有较大提升 。 、 咖} 鹾 一 排水前浓度 一 排水前流量 ⋯。 排水后浓度 一-一排水后流量 每个钻孔都采用 6 8 ” 聚乙烯管作为封孔管，下 封孔时，端头连接封孔器，利用注浆泵先将封孔器 两端的囊袋充满浆液、两端膨胀后再封闭两囊袋中 间区域，囊袋压力达到 1 M P a 时，孔内两端囊袋 自 动封闭，不泄压，此时，孔内囊袋中间连接管预留 爆破点爆开，使固耐特料 自孔内中间段流出，对孔 内两囊袋之间空间进行填充和封闭。 材料膨胀速度放缓，在体积膨胀的同时，逐步 充满封闭钻孔 ，并继续注浆加压至 1 M P a ，浆液不 断地渗透到煤层、岩层的各个裂隙带里面，浆体强 度不断增加至柔软的固体程度，并与煤、岩紧密结 合，形成一体。钻孔封孔方法如图2 所示。 图 2 钻孔封孔方 法示意 封孔原理及工艺流程 1 钻孔施工使用 4, 7 5 in l n 钻头施工至终孔， 后使用 4, 9 4 m ln 钻头扩孔 1 5 m 。 2 钻孔下封孔管 6 8 ” 聚乙烯管套皮 1 2 m 。 3 下封孔管同时，端头对封孔器一头捆绑 一 通下入孔 内。 4钻孔施工完毕后 ，采用 Z B Q 一 3 0 ／ 1 ．0 型煤 矿用气动注浆泵进行注浆，该泵连接风管，只要风 压达到 0 ．5 M P a ，便可注浆 ，注浆压力达到 1 ．0 MP a ，注浆流量 3 0L ／ m i n 。 5 利用注浆泵先将封孔器两端的囊袋充满 浆液、两端膨胀后再封闭两囊袋中间区域，囊袋达 到当压力达到 1 M P a 时，孔内管壁外侧爆破点爆 开，使固耐特料将孔内中间段流出，对孔内空间进 行填充和封闭。 6 使用 Z B Q 一 3 0 ／ 1 ．0型煤矿用气动注浆泵通 过 “ 两堵一注”技术向孔内注入封孔材料 ， 水灰比 例为 1 ．2 1 。 7 钻孔封闭后，再采用 1 0 2 IT I IT I 抽采管与 抽采主管连接，进行瓦斯抽采 ，抽采浓度保证在 3 0 ％以上，单孑 L 抽采纯量提高到 0 ．5 m 7 m i n 。 8 未采用两 “ 两堵一注”技术前，只能采 用传统的聚氨酯孔 口封堵技术 ，抽采浓度 5 ％， 单孔抽采纯 量只有 0 ． 0 8 m3 ／ mi n ，且随着抽采时间 的推移 ，钻孔出现喝风漏气现象 ，造成抽采效果 无效 。 7 综合效果分析 突出煤层下斜孔施工工艺研究，有其他钻探设 备施工不能施工下斜钻孔到新型钻探设备能施工下 表 1 使用 “ 两堵一注”封孔与传统方式封孔抽采效果对比 抽采钻孔 抽采浓度 孔号 一 钻场 二钻场 1 7 1 8 1 9 3 6 7 3 7 3 0 2 7 下转第 5 5页 51 勰 加 4 弛 7 ∞ M 2 粥 n n m ” 9 2 8 7 弘 7 5 6 4 5 7 ” 4 6 3 5 2 6 ● 5 如 郑绪坤大采高综采工作面末采回撤技术研究 2 0 1 5 年第 4 期 安全区域应用支架操作阀远距离操作。单体支柱推 移刮板输送机时，为防止其打滑，需要在单体支柱 柱脚和柱头垫上木托板。 第二、三、四刀煤的工艺流程与第一刀煤相 同。采煤机割第一刀煤时，伸出伸缩梁对顶板进行 临时支护；割第二刀煤时，打出一级护帮板对顶板 进行临时支护；割第三、四刀煤，打出二级护帮板 对顶板进行临时支护。工艺流程为采煤机割煤一 伸缩梁和护帮板临时支护锚索永久支护一推移刮 板输送机进行下一循环。 6 结 语 3 2 1 0工作面末采期间为设备的回撤提供了足 够的空间 ，为回撤顺利进行提供了保障。该技术 的优点是最大限度的回收了煤炭资源、有效的防 止 了矿山压力对 回撤通道 、盘 区巷道 的采动影响 ， 使工作面回撤工作 2 O d内完成，实现了矿井工作 面的正常接续，为类似矿井工作面回撤提供了经验 借鉴。 参考文献 【 1 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