新型联合带压瓦斯抽放封孔技术及应用.pdf

★ 煤矿安 全 ★ 新型 联合带压 瓦斯抽放封孔技市及应用 陈绍杰 朱建芳 陈学习 1 ．华 北科技 学院河 北省矿 井 灾害防治 重点 实验 室 ，河北省 三 河市 ，0 6 5 2 0 1 ； 2 ．华北科技 学 院安 全 工程 学院 ，河 北省三 河 市 ，0 6 5 2 0 1 ； 3 ．北京 科技 大 学土木 与环 境 工程 学院 ，北京 市海 淀 区，1 0 0 0 8 3 * 摘 要 在分析现有 瓦斯抽放封孔技术的基础上 ，研制 了一种双层膨胀胶管 ，注水加压 外部能够膨胀密封抽放钻孔 ，内部收缩密封抽放 管，耐压 1 ． 5 MP a ，保压时间不小于 2 0 h， 提 出 了新 型双层 膨胀胶 管 一聚氨 酯 一膨胀 水 泥联合 带 压封孔 技 术 。在 开 滦集 团林 西矿 1 7 2 3 中 工作 面和 1 8 8 1工作 面对 这种新 型联 合 带压封 孔技 术进 行 了高位 孔 瓦斯抽 放 封 孔 应 用 。现 场 应 用表 明 ，与原 封孔技 术 相 比 ，抽 放 瓦斯浓 度 大幅提 高 ，单孔 日抽放 瓦斯 纯量 显著 增 大 ，抽 放 效果 显著 。 关键词 瓦斯抽放 带压封孔 双层膨胀胶管 高位孔 中图分 类号 T D 7 1 2 文 献标 识码 A Ne w 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 g a s d r a i n a g e u n d e r p r e s s u r e a n d i t s a p p l i c a t i o n Ch e n S h a o j i e ， 。 ，Zh u J i a n f a n g 一，Ch e n Xu e x i 1 ．He b e i P r o v i n c e Ke y La b o r a t o r y o f Mi n e Di s a s t e r P r e v e n t i o n，No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，S a n h e ，He b e i 0 6 5 2 0 1 ，Ch i n a ； 2 ．S a f e t y E n g i n e e r i n g Co l l e g e ，No r t h Ch i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，S a n h e ，He b e i 0 6 5 2 0 1，Ch i n a ； 3 ．C i v i l a n d En v i r o n r ne n t a l E n g i n e e r i n g S e h o o l ，Un i v e r s i t y O f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， B e ij i n g ，Ha i d i a n ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t On t he b a s i s of a na l y s i s o f c u r r e nt b or e hol e s e a l i ng t e c hn i q ue s f o r g a s d r a i n a ge ，a k i n d o f d o u b l e e x p a n s i o n r u b b e r h o s e wa s d e v e l o p e d， wh o s e e x t e r n a l l a y e r c o u l d s e a l t h e b o r e h o l e a n d i n t e r n a l l a y e r c o u l d s e a l d r a i n a g e t u b e a f t e r wa t e r i n j e c t i o n，wi t h s t a n d i n g p r e s s u r e o f 1 。 5 MPa u n d e r h o l d i n g t i me n o t l e s s t h a n 2 0 h，a n e w b o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e u n d e r c o mb i n e d p r e s ～ s u r e s wi t h d o u b l e e x p a n s i o n r u b b e r h o s e p o l y u r e t h a n e e x p a n s i v e c e me n t wa s p r o p o s e d ．Th i s t e c h ni q u e wa s a p pl i e d t o hi g h l e v e l b o r e ho l e s e a l i ng f or g a s dr a i na ge a t No．1 7 2 3 m e d i u m a nd 1 8 8 1 wo r ki n g f a c e i n Li nx i Coa l M i ne o f Ka i l u a n Gr oup ．The r e s ul t s s h owe d t h a t t he d r a i ne d g a s c o nc e nt r a t i o n a nd t he t o t a l ga s d r a i n e d a mout p e r d a y f o r o ne bo r e h ol e we r e g r e a t l y e nh a nc e d b y c o m pa r i s o n o f t r a di t i o na l bo r e ho l e s e a l i ng t e c hni q u e ．The r e f o r e，t he ne w t e c hn i q ue a c hi e ve d s i g n i f i c a n t e f f e c t o f ga s dr a i n a g e ． Ke y wo r d s ga s dr a i n a g e，bo r e h ol e s e a l i n g u nd e r pr e s s u r e，d oub l e e x pa n s i on r u bb e r ho s e ， h i g h l e v e l b o r e h o l e 矿井抽放管路系统 中的 8 o 空气是 由钻孔漏 人的。抽放钻孔漏气不但 降低矿井的瓦斯抽放率 ， 起不到应有的降低煤层瓦斯含量 的作用 ，而且钻孔 * 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 5 1 0 7 4 0 1 5 ，教育部 “ 新世纪优 秀人 才支持计 划” NC E T 一 1 1 08 37 新型联合带压瓦斯抽放 封孔技术及应用 漏气 ，可能造成钻孔周 围的煤体 自燃 ，引起火灾事 故 。所以，高效瓦斯抽放钻孔封孔技术一直是国内 外学者研究的热点。国内外采用的封孔技术主要有 聚氨酯封孔技术、封孔器封孔技术 、水泥砂浆封孔 技术 、二次封孔技术、囊袋式封孔技术等。目前关 于 带压 瓦斯抽 放封 孑 L 工 艺及 材料研 究 较多 ，带压封 1 0 9 孔的关键是两端固体封孔段的高效快捷形成及中间 段 膨胀材 料性 能 。在带 压瓦斯 抽放封 孔技 术研究 基 础 上 ，本 文提 出 了一种新 型双 层膨胀 胶 管～聚 氨酯 一 膨胀水泥联合带压封孔技术 ，并在开滦集团林西 矿 1 7 2 3 工 作 面和 1 8 8 1工 作 面 进 行 了高位 孔 瓦 斯 抽放封孔现场应 用 ，与原封孔技 术进 行 了对 比分 析 。 1 新 型联合 带压 瓦斯 抽放封 孔技 术基本 原理 新 型联 合带压 封孔 技术基 本原 理是 在抽放 管两 端用固体材料密封，能承受一定的压力 ，在两段固 体之 间注入膨 胀 水 泥 ，水 泥 注 满 时给 予 一定 压 力 ， 使膨胀水泥能够充填钻孔周围的裂隙 ，封孔原理图 见 图 1 。这种 封孔技 术一 方 面能使 钻 孔 周 围 的裂 隙 得到 充填 ，消 除开孔 时形成 的漏 气通道 ；另 一方 面 能使钻孔得到可靠 的支护 ，保证钻孔的稳定 ，使钻 孔周围不再产生新的漏气通道。 图 1 新 型 封孔 技 术 原 理 图 该项 封孔 技术 的关 键 是抽放 管两 端 固体 封孔 段 的形成 ，尤其是封孔里端的固体封孔段形成 。本文 设计 并加 工 了一 种 双 层 膨 胀 胶 管 ，通 过 手 动泵 注 水 ，外 部能够 膨胀 密封抽 放钻孔 ，内部收 缩密封 抽 放 管 。新 型双 层 膨 胀 胶 管 直 径 分 为 8 9 mm 和 1 0 0 mm，长度 为 5 0 0 mm，使用抽 放管 径 为 6 5 mm 和 4 0 mm。在实 验室进 行 了双层膨 胀胶 管 的耐压性 测 试 ，结 果表 明双层 膨胀 胶管 耐压 1 ． 5 MP a ，保压 时 间不小 于 2 0 h ，能 够 满 足 中 间段 膨 胀 水 泥 的凝 固 时间。双层膨胀胶管能够有效形成任意封孔深度、 钻孔角度里端封孔段 ，且密封效果好 。 2 现 场应 用 2 ． 1 试验 地点 概 况 试 验地 点在 开滦集 团林西 矿 ，该矿 为低 瓦斯矿 井 。 1 1 7 2 3 工 作 面 概 况 。该 工 作 面位 于 l 1水 平 1 7 0 0采 区 1 2煤 层 ，上部 1 7 2 3 工 作 面 、东 部 1 1 O 1 7 2 1 } 工作面 、西侧 1 8 2 1 I 工作面和 1 8 2 1 中工作 面 均 已回采 完毕 ，东 侧 上覆 1 7 7 1 L }| 工作 面 正在 回采 ， 下部为 1 7 2 0运输巷。煤层赋存较稳定 ，结构简单 ， 平均煤厚 2 ． 5 i n 。工作 面绝 对 瓦斯 涌 出量 0 ． 9 2 m。 ／ mi n ，瓦斯来 源主要 有采 空 区 瓦斯 和通 过 上 隅 角释放 、巷道及 落煤 释放 的瓦斯 。 2 1 8 8 1工作 面概况 。该 工 作 面位 于 1 1水平 1 8 0 0采区 8煤层 ，上方 0 8 8 1 下 工作面 、西翼 1 8 8 3 中 工作面 已于 2 0 1 0年回采完毕 ，上覆 7 煤层 已回采 结束 ，下伏 1 2 煤层已大部分 回采，东翼下伏 1 7 2 3 工作面正准备 掘进 。煤 层赋存较稳定 ，平 均煤 厚 5 ． 0 m。预 计 1 8 8 1工 作 面 的 瓦 斯 涌 出 量 为 5 ． 4 8 r n 。 ／ rai n ，工作 面除在 回采 时本 煤层 瓦斯涌 出外 ， 还有 1 8 7 1采空区向 1 8 8 1采空区渗透出的瓦斯。 2 ． 2现 场 瓦斯抽放 封孔 方 法 根据 工 作 面 瓦 斯 来 源 ，1 7 2 3 工 作 面 和 1 8 8 1 工 作面均 采用 采空 区高位 孑 L 抽放 。其 中 1 7 2 3 工 作 面 3 、4 孔采 用 新型 封孔 方法 ，5 孑 L 采 用 原封 孔 方 法 ；1 8 8 1工 作 面 3 孔 采 用 新 型 封孔 方 法 ， 4 、 5 孔采 用原封 孔方法 。 原封孔施工工艺 开孑 L 采用直径 8 9 mm 套管 进 行钻进 ，岩 石裂 隙不 发 育情 况 下 开 孔 钻 进 6 IT I ， 岩石裂隙发育情况下开孔钻进 7 ～7 ． 5 m，变径使 用 直径 6 5 mm 或直 径 7 5 mm 钻 头 钻 至 终 孔 5 0 m 左右。采用泥浆泵将水泥浆压入孔内，周围有泥浆 流出。封孔前用水泥和玻璃水混合封住钻孔周 围， 凝 固 4 8 h后再 用 直 径 6 5 mm 或 直径 7 5 mm 钻 头 钻具进行扫孔 ，扫孔完后与抽放管路连接抽放 。 新 型封孔 施工 工艺 抽放 钻孔 施工完 成后 ，清 理钻孔 及孔 口，抽 放管选 用 P E管 ，内径 有 5 5 mm 和 4 0 mm 两种 规格 ；将 双 层膨 胀 胶 管利 用 两个 卡 箍 固定 在 P E管 前端 ，抽 放 管前 端 露 出约 5 0 mm； 将 P E管 送入 钻孔 ，外端 露 出 约 1 m，利 用 缠绕 法 快速将配置好的硬质聚氨酯 黑料 和 白料涂在纱布 上 ，缠绕长度约 0 ． 5 m，然后迅速将其送人钻孔 ； 待聚 氨酯发 泡完成 后 ，利用 手动泵 注水加 压 双层膨 胀胶管 ，加 压 约 1 MP a 左 右 ；利 用 注 浆 泵 将 配 置 的膨胀水泥注入钻孔 ，水泥注满后 ，继续施加一定 压力注浆 ；水泥凝 固后 ，将 P E管与抽放管路连接 抽放 。 3 现场 瓦斯抽 放效 果及分 析 1 7 2 3 工 作面 自 2 0 1 1 年 6月 1 0日至 6月 2 7日 中国煤炭第 3 9卷第 1 2期 2 0 1 3年 1 2月 对 3 抽放孔瓦斯浓度记录 1 8次 ；自 2 0 1 1年 6月 2 5日至 8月 3日对 4 抽放孔瓦斯浓度记录 3 O次 ； 自 2 0 1 1年 8月 4 H至 9月 2 8日对 5 抽 放 孔 瓦斯 浓度记 录 5 6次 。3 、4 和 5 孔抽放瓦斯浓度对 比曲线如 图 2所示 。 图 2 1 7 2 3 q 工作面 3 、4 和 5 孔抽放瓦斯浓度对 比曲线 l 8 8 1 工 作 面 自 2 0 1 1年 4月 1 3日至 6 月 1 3日 对 3 抽 放孔 瓦斯 浓度 记 录 6 2次 ，其 中 5月 6日至 7日，1 0 0 ％光学瓦斯检定器上井 检修，预计 瓦斯 浓度 1 0 以上 ；自 2 0 1 1年 6月 1 4日至 7月 3 1日 对 4 抽放孔瓦斯浓度记录 4 9次 ；自2 0 1 1年 8月 1 日至 1 O月 2 3 日对 5 抽 放孔 瓦斯 浓 度 记 录 8 4次 。 3 、4 和 5 孔抽 放瓦斯浓度对 比曲线 如图 3所 示 。 2 O l 6 1 2 进 薹s 4 0 O 1 0 2 0 3U 4 0 5 U 6 U 7 O U 90 抽 放天数／ d 图 3 1 8 8 1 工作面 3 、4 和 5 孔抽放瓦斯浓度对 比曲线 由图 2和图 3可知 ，新型封孔技术抽放瓦斯浓 度整体高于原封孔技术 。1 7 2 3 工作面 3 和 4 孔 平均瓦斯抽放浓度为 1 3 ． 2 2 和 1 2 ． 0 8 ；5 孔平 均瓦斯抽放浓度为 5 ． 4 0 9 ／ 6 。1 8 8 1工作面 3 孔平均 瓦斯抽放浓度为 1 1 ． 2 3 ；4 和 5 孔平均瓦斯抽 放 浓度 为 4 ． 4 6 和 4 ． 8 6 。 由于新型封孔技术和原封孔技术抽放时问长短 不一，记录的瓦斯浓度次数不同，分别 比较 了各抽 放孔的总抽放 瓦斯 纯量 和平均 日抽 放 瓦斯纯 量。 新 型 联 合 带 压 瓦 斯抽 放 封孔 技 术 及 应 用 1 7 2 3 工作 面 3 、4 和 5 总抽 放 瓦斯 纯量 分别 为 8 8 3 6 3 ． 9 m。 、1 9 9 9 2 1 ． 2 m。和 1 0 5 9 7 9 ． 2 m。 ，平 均 单 孑 L 抽放 瓦斯 纯 量 由 1 8 9 2 ． 5 m。 ／ d提 高 到 3 9 4 1 ． 9 m。 ／ d 和 4 9 9 8 ． 0 m。 ／ d ， 分 别 增 加1 0 8 ． 2 9 ％ 和 1 6 4 ． 1 0 ％；1 8 8 1 工作面 3 、4 和 5 孔总瓦斯抽 放 纯 量 分 别 为1 8 0 9 8 8 ． 9 m。 、 5 8 4 9 2 ． 0 m。 和 1 0 8 2 1 7 ． 1 m。 ，平 均 单 孔 抽 放 瓦 斯 纯 量 由 1 1 9 3 ． 7 m。 ／ d 、1 3 0 3 ． 8 m。 ／ d提高到 2 9 1 9 。 2 m。 ／ d ，分别增 加 1 4 4 ． 5 5 和 1 2 3 ． 9 O 。 4 结 论 1 提出了新型联合带压瓦斯抽放封孔技术原 理 。其基本原理是在抽采管两端用固体材料密封 ， 且能承受一定的压力 ，在两端固体之间注入膨胀水 泥 ，水泥注满 时给予一定压力 ，使膨胀水泥能够充 填钻孔周围的裂隙。技术关键是抽放管两端固体封 孔段的形成 ，尤其是封孔里端的固体封孔段形成。 2 设计并加工了一种双层膨胀胶管，注水加 压外部能够膨胀密封抽放钻孔 ，内部收缩密封抽放 管 。实验 室 耐 压 实 验 表 明双 层 膨 胀 胶 管 耐 压 1 ． 5 MP a ，保压 时间不 小 于 2 0 h ，能 够满 足 中间段 膨胀 水泥的凝固时间。双层膨胀胶管能够有效形成任意 封孔 深度 、钻孔角 度里端封孔段 ，且密封效果 较好 。 3 现场 应用 表 明 ，与原封 孔技 术相 比，新 型 封孔技术抽放瓦斯浓度大幅提高 ，平均单孔 日抽放 瓦斯 纯 量显著 增 大 ，新 型封 孑 L 技 术 瓦斯抽 放效果 显 著 。 参考文献 [ 1 ] 郭德勇，杨雄等 ．煤层深孔 聚能爆破封孔技术 [ J ]． 北京科技 大学学报 ，2 0 1 1 7 [ 2 ] 申宝宏 ，刘见 中，张泓 ．我 国煤矿 瓦斯治理 的技术 对策 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 7 7 [ 3 ] 方前程 ，黄渊 跃 ，刘学服 ．坦家 冲矿瓦斯抽 放钻孔 封孔工艺技术研究 [ J ]．中国煤炭 ，2 0 1 2 2 E 4 1 王大庆 ，邢祥 ，徐 学伏 ．聚氨 酯注浆 封孔技术 在松 软煤层瓦斯 抽 放 中 的应 用 [ J ] ．中 国煤 炭 ，2 0 1 1 9 [ 5 ] 殷 文韬 ，刘明举 等 ．煤 层 瓦斯 抽放 封孔 工艺研 究与 应用 [ J ]．煤炭工程 ，2 0 1 1 2 [ 6 ] 张铁 岗 ．矿井 瓦斯 综合 治理技术[ M5．北京 煤 炭工业出版社 ，2 0 0 1 [ 7 3 周福 宝 ，李金 海等 ．煤 层瓦斯 抽放 钻孔 的二次 封孔 方法研究 口]．中国矿业 大学 学报 ，2 0 0 9 6 下转 第 1 2 2页 1 1 1 冷凝管与空气充分接触 ，但是如果风流中带有速凝 剂、水泥、煤灰等杂质 ，杂质附着在冷凝管上就降 低了冷凝管与风流的热交换率 ，影响制冷效果。对 策是 在制冷 风机入 口安设 喷淋 式过 滤器 和定期清 理 蒸发 器 。但 如果 喷淋水 过大又 无形 中增加 了风 流 中 的湿度，对制冷效果有一定的影响，所以在 日常的 管理过程中需要了解喷淋水量的临界点，把制冷效 果调 整到最 佳状 态 。 5 制 冷 降温 效 果分 析 在 s s 。 综放工作面设置测点 ，对巷道 内的降 温效果进行测试 ，并组织停机试验，见表 1 ，以比 较使用与不使用制冷系统的效果。 通过采取综合降温措施 ，解决了局部制冷机组 的冷却水水温、水质以及井下空气的粉尘、温度等 问题 的影 响 后 ，S 。 S 综 放 工 作 面实 现 了制 冷 设 备 的正常连续运行 。经现场实测 ，制冷机进 、出口风 流温 度差 为 1 2 ～ 1 4 ℃ ，S S 。综 放 工 作 面 的温 度 和 湿度都明显降低 ，除去季节性大气温度影响 ，温度 可降低 2 ～3 C，湿度可降低 1 2 ～1 8 ％，作业环 境得 到 明显 改善 。 表 1制冷机停机与运行温湿度对 比表 测点 停机 温 度 ／ ℃ 湿 度 ／ 运行 温度／ ℃湿度 ／ 参考文献 [ 1 ] 何满潮 ．HE MS深井降温 系统研 发及热 害控制 对策 [ J ]．中国基础科 学 ，2 0 0 8 2 I- 2 ] 周涛 ，向东等 ．局 部降温 工程中冷凝 热排 放方 案探 讨及工程实践 [ J ] ．中国煤炭 ，2 0 1 2 1 2 [ 3 ] 褚 召祥 ，辛嵩 ，王保 齐 ．回采工 作面空冷 器组合 降 温方式试验研究 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 0 1 1 责任 编辑张艳 华 上接 第 9 5页 的比例，提高生产 的经济效益 ， 为示范工程建设提供理论依据。 参考文献 [ 1 ] 王娜 ，朱书全 ，初茉等．宝 日褐 煤低 温干馏 特性 及 产物性质研究 [ J ] ．中国煤炭 ，2 0 1 0 5 [ 2 3 平传娟 ，钟英 杰 ，徐璋．煤 粉粒 度对 神华煤 热解 及 燃烧特性 的影 响 [ J ] ．中国煤 炭，2 O 1 2 1 f 3 ] 关瑁 ，何德 民 ，张秋 民 ．褐煤 热解提质 技术与 多联 产构想 [ J ]．煤化工 ．2 0 1 1 6 [ 4 ] 屈进州 ，陶秀祥 ，刘金艳 等 ．褐煤提质 技术研 究进 展 『 J ]．煤炭科 学技术 ，2 0 1 1 1 I [ 5 ] 常瑜 ，李林 ，梁丽彤等 ．内蒙和 印尼褐煤 的热 解特 [ 6 ] [ 7 3 性及动力学分析 [ J ]．煤炭转化 ，2 0 1 1 2 谢 克 昌 ．煤的热解 、炼焦 和煤焦油 加工 [ M]．北 京 化学工业 出版社 ，2 0 1 0 Ka i Zha ng e t ．a 1 ．Exp e r i me nt i a l a nd nu m b e r i c a l i nv e s t i g a t i o n o f s i n g l e c o a r s e l i g n i t e p a r t i c l e s[ J ]．Ko r e a n J ． C h e m． En g ．，2 0 1 2 4 作者简介 王子兵 1 9 6 6 ～ ，男 ，河北唐山人 ，河 北 联合大学副教授 、硕士研究 生导师 ，主 要从 事低阶 煤提质 和低温余热发电技术方面的研究 。 责任 编辑 王雅 琴 上接 第 1 1 1页 [ 8 ] 孙玉宁 ，张波 ，陈君龙 ．囊袋式注 浆封孔单 向阀剪 切销的实验分析 [ J ]．煤 矿机械 ，2 O 1 0 3 [ 9 ] 吴永平 ．囊袋式注浆封 孔法在煤 矿瓦斯抽 采封孔 中 的应用 I- J ]．中国煤炭 ，2 0 1 0 6 [ 1 O ] 刘春 ，宋小林等 ．带压定向注浆 封孔技术在 比德煤 矿的应用 _ J ]．中国煤炭 ，2 0 1 1 4 [ 1 1 ] 黄鑫业 ，蒋承林 ．本煤层瓦斯抽采钻孑 L 带压封孔 技 ]2 2 术研究 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 1 1 1 O 5 [ 1 2 ] 王彦凯 ，张超 ，林柏泉 ．基于 P D密 封材料 的本煤 层 瓦 斯 抽 采 钻 孔 密 封 技 术[ J ] ． 煤 矿 安 全 ， 2O1 2 5 作者简 介陈绍 杰 1 9 8 1 一 ，男 ，汉 族 ，河 南 焦 作 人 ，讲 师，博士研究生 ，研究方向 矿山安全。 责任 编辑 张艳 华 中国煤 炭第 3 9卷第 1 2期 2 0 1 3年 1 2月