瓦斯治理二次封孔技术研究与应用.pdf

2 0 1 4年第 5期 中州煤炭 第 2 2 1 期 瓦斯治理 二次 封孔技术研 究与应 用 王 峰 中国平煤神 马集 团 能源化工研 究院， 河 南 平 顶山4 6 7 0 0 0 摘 要 分析 了二次封孔技术工艺 与传统封 孔方式的差别 ， 详细介绍 了二次封孔工 艺、 设备和材料 ， 定义 了钻孔 衰减周期 ， 并在 此基础上分析 了采用 二次 封孔 技术后 ， 钻孔 衰减 周期 、 平 均浓度 和平均瓦斯流 量的变化情况。 研 究表 明， 二次封孔技术不仅有利于延长 钻孔 衰减 周期 ， 提升钻孔 平均 浓度 ， 而且有利 于提高钻 孔平 均 瓦斯 流 量 。 关键词 二次封孔 ； 衰减周 期； 平均浓度 ； 平均 瓦斯流量 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 4 0 5 0 0 4 60 3 瓦斯 抽采 是 治理 矿井 瓦斯 和 防治煤 与 瓦斯 突 出 最有 效 方法 之一 。随 着 开 采 深度 的增 加 ， 煤层 瓦 斯含 量 和瓦 斯压 力 逐 渐增 大 ， 瓦 斯 抽 采 工 程 量逐 年 增 大 。2 0 1 2年 全 国煤 层 气 煤 矿 瓦 斯 抽 采 量 1 4 1 亿 m ， 较 2 0 1 1年 煤 层 气 抽 采 量 1 1 5亿 m 增 加 了 2 2 ． 6 ％。但是 ， 在瓦斯抽采过程 中仍存在诸多问题 ， 其 中封孑 L 方法 和 封孔 工艺 的优劣 直接 关 系到 瓦斯抽 采效果的好坏。目前 ， 我国约有 6 5 ％ 回采工作面的 预抽 瓦斯 浓度 低 于 3 0 ％ ， 充 分 反 映 了抽 采 钻 孑 L 封孔 质量 差 的现 状 。 目前 ， 我 国煤 矿 瓦 斯 抽 采 钻 孑 L 的 封孔 技 术 主要有 人 工或 机 械注水 泥 砂浆 封孔 、 发 泡 聚 合材 料封 孔 ， 胶 圈一 黏 液 封孔 等 。 ＼ 薷 ＼ 表 1 封 孔参数 1 试 验地点概况 3 二次封孔 工艺 首 山一 矿 己 “ 1 1 1 0 6 1胶 带 运 输 巷 煤 层 结 构 单 一 ，赋存 较 为稳 定 ， 大 部 分 区域 为 合 层 区 ， 厚 度 一 般 在 5 ． 5 0～ 7 ． 0 0 m， 平 均 厚 6 ． 3 0 m， 煤层 倾 角 较 为 稳 定 ， 一 般在 8 。～1 3 。 。 由终采 线 向里 4 3 0 m范 围内为 煤 层分 层 区 ， 区 内 己 煤 层 厚 3 ． 3 4 m， 己 ， 煤 层 厚 3 ． 7 2 m。煤层 原 始瓦斯 压 力 为 1 ． 3 8 M P a 、 原 始 瓦 斯 含量 为 l 0 ． 4 6 m ／ t 。 2原封孔工艺 目前 ， 中国 平 煤 神 马集 团 各 矿 普 遍 采 用 “ 聚 氨 酯封 堵 水 泥注 浆 ” 的封孔 方 法 ， 其 基本 原 理 如 图 1 所示 ， 其 主要 区别 为各 封孔 段 的长 度控 制不 同 ， 封孔 参数 见表 1 。 收 稿 日期 2 0 1 40 l一2 2 作者简介 王峰 1 9 7 9 ～ ， 男 ， 河南平顶 山人 ， 助理工程师 ， 现从事 矿井瓦斯基础参数测试与管理工作 。 46 二次 封孑 L 一体 化工 艺是 在 完成第 1次封 孑 L 后 随 即实施第 2次固体粉料封孔 。 1 第 1 次 封 孔 。① 下 护 孔管 。 向瓦 斯抽 采 孔 内送 入 长 8 0 m、 3 2 mm 的护 孔 筛 管 。② 一 次 封 孔 。在封 孔管 封孔 段 内 缠 绕 纱 布 毛 巾 ， 纱 布 毛 巾 缠 绕 长度 为 4～ 5 m， 向纱 布 毛 巾 浇 盖 聚 氨 酯 封孔 材料 ， 然 后将 封孔 管 一 次性 推 入 钻 孔 内。待 2 0 m i n后 ， 准 备二 次封 孔 。 2 第 2次封孔 。二 次 封 孔 区 间划 分 如 图 2所 示 ， 从管头至管尾依次为筛管段 、 缓冲段 、 封孔段 、 预 留段和 堵 孔 段 ， 各 管 段 参 数 见 表 2 。① 送 输 料 管 。 待 封孑 L 段 密封完 成 后 ， 向孔 内送 入 长 2 m、 2 0 mm 的 P P R管 作 为 粉 料 输 送 管 ， 粉 料 输 送 管 外 露 3 0 0 m m。②堵孑 L 。孑 L 口用蘸有聚氨酯封孔材料 的棉纱 密封 ， 堵孔段 长 0 ． 4 m。③ 喷粉料。待 孔 口密封段 密封 牢 固后 ， 连接 二次 封孔 设 备 ， 调 节粉 料 输送 风 压 至 0 ． 2 MP a ， 通 过 粉 料 输送 管 向预 留段 内输 送 微 细 2 0 1 4年第 5期 王峰 瓦斯治 理 二次封 孔技 术研 究 与应用 总第 2 2 1 期 膨胀 粉 料 。 待 微 细 膨 胀 粉 料 充 至 预 留段 体 积 1 ／ 2 后 ， 停止 输送 并关 闭粉 料输 送管 上 的阀 门 ， 防 止空气 进入预留段 。④补 吹。定期检测钻孔抽采浓度 ， 待 钻 孔浓 度低 于 3 0 ％ 时 ， 再 对 钻 孔 进 行 补 吹 ， 补 吹 至 微 细膨 胀粉 料充 满预 留段 。 图 2二次封 孔一体化 示意 表 2 二次封孔 区间划分 参数 m 4二次封孔设备及材料 二次 封孔 系统 主要 由粉料 机 和高压 气体 输送 管 路组 成 图 3 ， 黑 胶 管 一 端 连 接 井下 固有 的 压 风 管 路 ， 另 一端 通过 快速 接 口连接 到铁管 ， 铁 管接 总控 制 阀 2然后 接 1个 三 通 分 2条 支路 ， 上 面 支路 连 接 1 个弯 管 ， 再 接减 压 阀 Ⅱ、 控制 阀 Ⅱ， 然后 接 人 气 动 马 达 ， 下面支路依次接减压 阀 I、 控制 阀 I， 粉料机底 部 ， 钢 丝 软管 ， 粉料 输送 管 。 压力表 图 3二次 封孔 系统 结构 示意 连接 完 毕 后 ， 将 微 细 膨 胀 粉 料 加 入 粉 料 机 中 所加粉料体积量为粉料机容积的 3 ／ 4～ 4 ／ 5 ， 关闭 机盖。打开总控制 阀， 井下压风系统中的高压气体 通过黑胶管 1 、 铁管之后分为两路 ， 待减压阀 I调至 0 ． 2 MP a 、 减 压 阀 Ⅱ调 接 气 动 马 达 至规 定 转 速 后 ， 先 后打开控制阀 I、 控制阀 Ⅱ。上路高压气体进入气 动马达 带 动粉料 机 下面 的旋转 阀运 行使 粉料 均匀 输 出 ； 下 路 高压气 体 经减 压后 ， 与粉 料 均匀混 合形 成气 固二 相 流 ， 通过 钢 丝 软 管 、 粉 料 输 送 管送 入 腔室 ， 进 而进 入漏 风 裂隙 中。达 到 规 定 粉 料 输送 时 间后 ， 关 闭控 制 阀 Ⅱ、 控 制 阀 I和粉 料输 送管 上 的阀 门 ， 通 过 粉料机的泄压 阀泄压后 ， 断开钢丝软管 ， 完成操作。 微 细膨胀 粉 料 由基料 、 增 黏剂 、 助 流剂 、 硬 化 剂 和 吸 水 剂 组 成 ， 其 最 佳 配 比为 基 料 4 0 ％ 、 增 黏 剂 8 ％ 、 助 流剂 2 ％ 、 硬化 剂 4 5 ％ 、 吸水 剂 5 ％ 。粒 径 分 布 为 6 0～8 0目 1 4 0～1 5 0 目 1 5 0～1 6 0 目 1 6 0～1 8 0目 1 8 0～ 2 0 0目7 7 3 2 2 ， 粉 料 密 度 1 0 0 0 k g ／ m 。 5原封孔工艺 与二次 封孔工艺效果对 比 为 了考 察 首 山 一矿 二 次 封 孔效 果 ， 分 别 从 钻孔 衰减 周期 、 钻孔 平 均浓 度 、 钻 孑 L 平 均 瓦斯 流量 3方 面 对考 察孔 和对 比孔 进行 了对 比分 析 。其 中考 察孔 为 采用 二 次封孔 技 术 在首 山一 矿 己 1 1 0 6 1胶 带 运输 巷所 封 的 1 7个 钻 孑 L ， 对 比孔 为采 用原 来 的封孔 工 艺 所 封 的 l 0个钻 孑 L 。 5 ． 1钻 孔衰减 周 期对 比 钻 孔 衰减 周 期 是 指钻 孔 自封孔 之 日起 ， 至 钻 孑 L 抽采 浓 度低 于 1 0 ％ 时所需 要 的时 间 ， 一般 认 为 钻 孔 衰 减周 期 越 长 越 有 利 于 抽 采 更 多 的 瓦 斯 。通 过 对 1 0个 对 比孔 瓦斯 浓 度参 数统 计 表 3 ， 可 以看 出钻 孑 L 衰减 周期 一般 在 1 0～ 4 1 d ， 平 均 2 1 ． 9 d 。 表 3钻孔衰减周期统计 钻 L 初始浓 最高浓 衰减周 钻孔初始浓 最高浓 衰减周 编号 度／ ％ 度／ ％ 期／ d 编号 度／ ％ 度／ ％ 期／ d 2 3 9 2 4 ． 6 4 5 1 6 2 4 5 3 8 ． 3 6 O 4 1 2 4 0 2 8 ． 4 5 0 l 4 2 4 6 3 7 ． 6 5 4 2 0 2 4 1 2 8 ． 6 7 7 21 2 4 7 4 2 ． 5 6 4 1 0 2 4 2 5 8 ． 0 8 5 3 5 2 4 8 6 2 ． 4 8 2 1 O 2 4 3 3 5 ． 6 4 7 1 1 平 均值3 9 ． 1 7 6 4 ． 2 2 1 ． 9 2 4 4 3 5 ． 7 7 8 41 采 用二 次封 孔技 术后 ， l 7个 考 察 孔 中有 7个 钻 孔 浓度 在 2 0 ％ 以上 ， 1个 封孑 L 失 败 ， 9个 钻 孔 浓度 衰 减 到 1 0 ％ 以下 。根 据 衰减周 期 定 义 ， 选 取 9个 浓 度 衰减到 1 0 ％以下的钻孔作 为分析对 象来分析钻孔 衰减周 期 的变化 情 况 ， 统 计结 果见 表 4 。 从 表 4中可 以看 出 ， 钻 孑 L 平 均初 始 封孔 浓 度 为 8 9 ． 3 9 ％ ， 与对 比孔 相 比提 高 了 1 ． 2 8倍 ； 钻 孔 最 高平 均浓度为 8 9 ． 6 7 ％ ， 与对 比孔 相 比提高 了 0 ． 4 0倍 ； 钻 孔衰 减周 期一 般 在 5 0～9 5 d ， 平 均 7 2 ． 3 3 d ， 与 对 4 7 2 0 1 4年第 5 期 中州煤炭 第 2 2 1 期 比孔 相 比提 高 了 5 0 ． 4 3 d ， 增 幅 达 2 3 0 ． 3 ％ 。由此 可 见 ， 二次封孑 L 技术在延长钻孔衰减周期方 面能够起 到很 好 的作 用 。 表 4 采用二次封孔技术 后钻 孔衰减周期统计 钻孔初始浓 最高浓 衰减周 钻 孔初 始浓 最高浓衰减周 编号 度／ ％ 度／ ％ 期／ d 编号 度／ ％ 度／ ％ 期／ d 2 5 6 9 5 95 7 6 2 6 7 6 2 ． 5 6 2 ． 5 8 0 2 5 7 1 0 O l 0 O 9 5 2 6 8 1 0 0 1 O 0 7 9 2 5 9 1 0 0 l 0 0 5 O 2 7 0 8 2 8 2 7 3 2 61 1 O O l 0 O 6 5 2 7 4 8 5 8 5 5 7 2 6 5 8 O 8 2 ． 5 7 6 平均 8 9 ． 3 9 8 9 ． 6 7 7 2 ． 3 3 5 ． 2 钻 孔平 均浓 度对 比 在衰减周期 内， 分别对 l 0个对比孔和 9个考察 孔 的钻 孔平 均 浓度 进 行 了对 比分 析 ， 钻 孑 L 平 均 浓度 柱 状 如 图 4所示 。 图 4对 比子 L 与考察孔平均浓度变化柱状 从 图 4可 以看 出 ， 在 衰减周 期 内 ， 对 比孔 钻孑 L 浓 度 在 1 8 ． 1 ％ ～ 2 8 ． 3 ％ ， 平 均 2 2 ． 7 5 ％ ； 考 察 孔钻 孔浓 度在 4 3 ． 4 ％ ～ 6 7 ． 6 ％ ， 平 均 5 5 ． 8 4 ％ ， 钻 孔 平均 浓度 绝 对 量 提 高 了 3 3 ． 0 9 ％ ， 增 幅 达 1 4 5 ． 5 ％ 。 由 此 可 见 ， 二 次封孔 技 术 在提 高 钻 孑 L 平 均 浓 度 方 面 能 够起 到很 好 的作 用 。 5 ． 3钻 孔 平均 瓦斯 流量 对 比 在 衰减 周期 内 ， 分别 对 l 0个 对 比孔 和 9个 考 察 孔 的钻 孔平 均 瓦斯 流 量 进 行 了对 比分 析 ， 钻 孔 平 均 瓦斯 流量 柱状 如 图 5所 示 。 一 面 。『 豳圉豳圈豳翻翻圈翻 盥 盥 ． 从 图 5中 可 以 看 出 ， 对 比 孑 L 钻 孔 瓦 斯 流 量 在 1 0 ． 8～1 7 ． 3 L ／ mi n ， 平 均 1 4 ． 3 L ／ mi n ， 考 察 孑 L 钻孔 瓦 斯流 量 3 8 ． 6～ 4 8 ． 7 L ／ m i n ， 平均 4 3 ． 4 L ／ mi n ， 绝 对量 提高 了2 9 ． 1 L ／ m i n ， 增幅达 2 0 3 ． 5 ％。由此可见 ， 采 用二次封孔技术后大大提高了钻孑 L 平均流量。 6 结论 分 析 了二次 封孔 技 术工艺 与传 统 封孔 方式 的 差 别 ， 详 细介绍 了二次 封孑 L 工艺 、 设 备 和材料 。定 义 了 钻孔 衰 减周期 ， 并 在 此 基 础 上 分 析 了采 用 二 次 封孔 技术后 ， 钻孑 L 衰减周期 、 平均浓度和平均瓦斯流量的 变化情况。采用二次封孑 L 技术后 ， 效果 良好 ①钻孑 L 平均初 始 封 孔浓 度 达 8 9 ． 3 9 ％， 较 对 比孑 L 提 高 了 1 ． 2 8倍 ； 平 均钻 孔 衰减周 期 达 7 2 ． 3 3 d ， 较 对 比孔 提 高了 5 0 ． 4 3 d ， 增幅达 2 3 0 ． 3 ％。② 在 衰减 周期 内， 考 察 孔 平 均 浓 度 达 5 5 ． 8 4 ％ ， 较 对 比孔 平 均 浓 度 绝 对量提高了 3 3 ． 0 9 ％， 增幅达 1 4 5 ． 5 ％。③ 考察孔钻 孔 平均 瓦斯 流 量为 4 3 ． 4 L ／ m i n ， 较 对 比孔 平 均 瓦 斯 流量 绝对 量提 高 了 2 9 ． 1 L ／ ra i n ， 增 幅达 2 0 3 ． 5 ％ 。 综上 所 述 ， 二 次 封 孔技 术 不 仅 有 利 于延 长 钻 孑 L 衰减 周期 ， 提 升钻 孔平 均浓 度 ， 而且 有利 于提 高 钻孔 平均瓦斯流量 ， 对于实现瓦斯高效抽采具有 十分重 要 的现实 意义 。 参 考文 献 [ 1 ] 张铁 岗． 矿井瓦斯综合治理技术 [ M] ， 北京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 01 ． [ 2 ] 王兆 丰， 刘军． 我 国煤矿瓦斯抽放存在 的问题 及对策探 讨 [ J ] 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 4 2 6 4 _ 6 ． [ 3 ] 赵正 均， 郭胜 均． K F B矿用水泥稠浆封孔泵的研制 [ J ] ． 矿业安 全 与环保 ， 1 9 9 9 2 l 9 2 0 ． [ 4 ] 杨 晓红． 煤层抽 采钻孔 瓦斯衰减 分析 与抽采 钻 L 封 孔工 艺改 进[ J ] ． 矿业安全 与环保 ， 2 0 0 9， 3 6 S 1 1 0 5 1 0 6 ． [ 5 ] 周福宝 ， 夏同强 ， 刘应科 ， 等． 二次封孔粉 料颗粒输运 特性 的气 固耦合模 型研究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 6 9 5 3 05 8 ． [ 6 ] 徐玉胜 ， 张仁贵 ， 彭 担任． 裂 隙发育 煤层 瓦斯抽 放钻孔 新封 孔 技术 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 9 2 2 5 - 2 7 ． [ 7 ] 肖福坤 ， 段立群 ， 葛 志会． 采 煤工作 面底板 破 裂规律 及瓦斯 抽 放应用 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0 3 4 1 7 41 9 ． [ 8 ] 汪有 刚， 李宏艳 ， 齐庆新 ， 等 ． 采动 煤层渗透率 演化与 卸压 瓦斯 抽放技术 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0 3 4 0 6 41 0 ． [ 9 ] 王永 安 ， 赵耀江． 瓦斯 抽放钻 孔封 孔方 法 的改进 [ J ] ． 山西煤 炭 ， 2 0 0 6 3 2 4 _ 2 5 ． [ 1 0 ] 周福宝 ， 刘应科 ， 张仁 贵． 新型气 囊式 自动封 闭装备研 究 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 8 5 6 0 4 0 7 ． 责任 编 辑 刘光 雨 舳 ∞ ∞ 加 O 邃 蛏