高压膨胀可回收快速封孔技术研究.pdf

第4 7 卷 第l 0 期 煤炭工程 CO AL ENG I NE ER I NG V0 1 ． 4 7． No ． 1 0 do i 1 0． 1 1 79 9 ／c e 2 01 51 0 02 9 高压膨胀可 回收快速封孔技术研 究 邢鲁义 ，杨永杰 ，夏均 民 1 ．山东科技大学 矿业与安全工程学院 ，山东 青岛2 6 6 5 9 0 ； 2 ．山东科技大学 资源与土木工程系，山东 泰安2 7 1 0 1 9 摘要 针对 目前 国内已有的瓦斯抽放封孔技术存在无法回收利用、成本 高，费时费力、效 率低等 问题 ，通过理论分析及反复试验 ，研制 出了高压膨胀可回收快速封孔装置。通过现场应用 及观测发现 ，该装置操作方便 、可多孔重复使用，封孔压力足够大、安全性高，煤层钻孔 瓦斯的 抽放 浓度较传统技术提 高 了4 O ％ ～6 0 ％。 由此得 出，该技 术可在保 障工人人 身安全的前提 下， 进一步提 高封孔效果和 瓦斯的抽采效率。推广使用可使生产的成本大大降低。 关键词 封孔；高压膨胀；瓦斯抽放 ；可回收快速封孔装置 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 1 0 - 0 0 9 0 - 0 4 Re s e a r c h o n Ra p i d Ho l e S e a l i n g Te c h no l o g y wi t h Re c y c l a bl e Hi g h Pr e s s u r e Ex pa n s i o n De v i c e X I N G L uy i ，Y A N G Y o n g j i e ，X I A J u n mi n 1 ． S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，C h i n a ； 2 ． D e p a r t me n t o f R e s o u r c e s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，S h a n d o n g U n i v e rs i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy，T a i a n 2 7 1 0 1 9 ，C h i n a Ab s t r a c t A i mi n g a t t h e d e f e c t s o f c u r r e n t d o me s t i c s e a l i n g t e c h n o l o g y o f g a s d r a i n a g e b o r e h o l e ，wh i c h i s n o nr e c o v e r y， e x p e n s i v e，t i mec o n s u mi n g，l a b o r i n t e n s i v e a n d i n e ffic i e n t a n d S O f o r t h wh i c h e x i s t e d i n t h e e x i s t i n g ，a r e c y c l a b l e h i g h p r e s s u r e e x p a n s i o n r a p i d h o l e s e a l i n g d e v i c e wa s d e v e l o p e d ． F i e l d a p p l i c a t i o n a n d o b s e r v a t i o n s h o w e d t h a t ， t h e d e v i c e w a s e a s y t o o p e r a t e a n d c a n b e r e u s e d i n d i f f e r e n t b o r e h o l e s ， a n d a b l e t o p r o v i d e e n o u g h h o l e s e a l i n g p r e s s u r e a n d h i g h s a f e t y ． Th e d r a i n a g e c o n c e n t r a t i o n o f t h e g a s i n t h e c o a l s e a m wa s i n c r e a s e d b y 4 0 ％t o 6 0 ％c o mp a r e d w i t h t r a d i t i o n a l t e c h no l o gy ． Th u s， u nd e r t he p r e mi s e o f wo r k e r s pe r s o n a l s a f e t y，t h e e f f e c t o f ho l e s e a l i n g a nd e ffi c i e n c y i n g a s d r a i n a g e c a n b e f u r t h e r i mp r o v e d ． Pr o mo t i n g t h i s t e c h no l o gy c a n r e d uc e t h e p r o d u c t i o n c o s t g r e a t l y． Ke y wo r d s h o l e s e ali n g ； h i g hp r e s s u r e e x p a n s i o n； d r a i n a g e；r e c y c l a b l e 矿井瓦斯不仅可以用作燃料，而且可以生产炭黑和甲 醛等 ，从 而为化学工业 提供 重要原 料 J 。解决 矿井 瓦斯 问 题最主要的措施是抽采，但很多情况下抽采效果并不理想， 除了煤层透气性 、抽放负压等影响因素外，抽放钻孔的封 孔质量也 是一关 键 因素。煤层 钻孔 密封是 瓦斯抽 采过 程 中 一 项极其重要的技术工艺，封孔质量的好坏直接影响到瓦 斯的抽采效率。 1国内研究开发现状 黄泥或水 泥团封孔 是我 国利用 最早 的封孔 方法 ，该 方法使用设备少 、成本低 ，但工人的劳动强度较大 ，费时 收稿 日期 基金项 目 作者简介 引用格式 费力 ，而且黄泥或粘土遇水易软化 ，通常只适合于钻孔开 口在岩巷 的场所 ，封孑 L 深度也 较短 ，瓦斯的抽 采层位 易受 限制。相比之下 ，注浆封孑 L 技术 的封孔深度相对较长，但 因水泥砂浆干燥成块后往往出现许多裂隙，严重影响到封 孔 的质量 ，所 以聚氨酯材料封孔技 术应运而生 。实 践证 明， 由黑 白材料反应生成 的聚氨 酯泡 沫的封 孔效果 较黄 泥或水 泥团封孑 L 以及注浆封孑 L 确有改观 l4 J ，但因其发泡时间短、 固化快 ，有 时也 达不 到理 想 的封 孔效 果 ，加 之 无法 回收 ， 成本较高，故难以广泛采用。此外，一些地方还进行了 P D 材料 、马丽散 以及树 脂锚 固剂 的应用 实践 J ，封孔水 平与 该技术相 当，而胶圈封孔 器 和胶囊 封孔 器 的研发 和应 2 01 4一l11 6 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 3 7 9 1 1 6 邢鲁义 1 9 9 0一 ，男 ，山东菏泽人 ，硕士研究生 ，主要从事矿井通 风与安全 、矿 山压力 与岩层控 制 、岩石 力学与采矿工程等方面的研究工作 ，Em a i l x i n g l u y i 1 2 5 1 6 3 ． e o m。 邢鲁义，杨永杰，夏均民．高压膨胀可回收快速封孔技术研究 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 1 0 9 o一 9 2 ，9 6 ． 煤炭工程 2 0 1 5 年第 1 0 期 结合高瓦斯矿井的实际情况，为了防止装置在被回收 时因受到切割、碰撞等而产生火花，引爆瓦斯，配备的瓦 斯抽放管 、充气管及其配件在选材时须采用铜或玻璃钢等 惰性金属 ，以此保 障矿井 的生产安全 。 2 ． 1 ． 4 充气控制阀的开启压力 封孔装置能封住 钻孔 而不被 高压 作用 推出靠 的是膨 胀 胶管对钻孔内壁间的摩擦力。在作用力与反作用力相互影 响的过程中，研究充气控制阀的开启压力意义重大。控制 阀的开启压力由弹簧设定 ，根据阀芯力平衡方程式可知 P A K 0△ 式中，P为充气控制阀开启压力，MP a ；A为阀芯有效 作用面积，m m ；K为弹簧刚度 ，N ／ m m；‰ 为弹簧预压缩 量，m m；A x为弹簧压缩量，m m。 合理设计弹簧刚度和结构尺寸可以满足控制阀开启压 力的要求。通过反复试验和数值分析得出，当开启压力为 2 MP a ，充压范 围在 6～1 5 MP a时 ，封孔 装 置不会 因封 孔不 严而出现滑动现象 。 2 ． 2 快速封孔装置的工作原理 该装置是根据气体分子在有限的区域 内做无规则热运 动，体积膨胀对外做功引起外部橡胶受压膨胀的原理进行 研制的。橡胶层在内部气体分子的强烈作用下迅速膨胀， 逐步缩小与钻孔 内壁之间的间隙，直至与其完全切合且无 法 拔出 ，以此实现严密封孔。 2 ． 3 快速封孔装置操作步骤 首先将该装 置放 置于钻孔 内某一合 适位置 ，如图 5 a 所示 ，然后打开充气控制阀 如图 3所示 ，与高压气源连 通 此时阀门处于关 闭状态 。启动后 ，随着 内部气压 的逐 步升高 ，外部 的橡胶将在短时间内充满钻孔的整个空间， 如 图 5 b 所示 ，充分挤压钻孔 内壁 ，如图 5 13 所示 。封孔 完毕后 ，关掉封孔装置充气管的阀门，打开瓦斯抽放控制 阀抽放瓦斯。待瓦斯抽放完毕，再打开控制阀放出高压气 体进行卸压 ，最后取出装置并冲洗干净，以备下一钻孔继 续使用 。 匠 赶 。 a 封孔前 b 封孔中 c 封孔后 图 5 封 孔过 程示意图 2 ． 4快速 封孔 装置 的 实用性 高压膨胀可回收快速封孔装置以膨胀胶管作为主要的 封孔材料，以高压气体作为膨胀剂，目的在于解决传统封 孔方式封孔难度大、效率不高等问题 ，技术上可行 ，具有 较高的使用价值。 2 ． 4 ． 1 经济上合理 封孔装置可以重复使用，达到了可回收的目的。操作 时还可根据钻孔深度及钻孔质量合理选择封孔 的长度，降 低了抽放盲区形成的可能性。推广使用，有利于降低矿井 生产 的成本 。 2 ． 4 ． 2 安全上可靠 局部构件由惰性金属制造而成，适于在高瓦斯矿井大 面积使用。三段凸起式的胶管结构可有效地避免装置 自身 在封孔过程中的滑移现象，切实保障煤矿工人的人身安全。 2 ． 4 ． 3 生产上高效 封孔过程采用阀门操作，方便快捷，可在大大降低工 人劳动强度的同时，进一步提高煤层瓦斯的抽采效率和矿 井的综合效益。 3 工 业性 试验 3 ． 1 封 孔 压力 测试 结合现场应用，研究了封孔装置充压过程 中胶管的受 力情况。操作时每次向装置内充入气体的体积为 ，并逐 次用测力计测出了封孔的阻力 R，由于外部橡胶具有一定 的摩擦系数 试验中取0 ． 7 ，钻孑 L 内壁对胶管有挤压力 Ⅳ， 则 R ，即 由封孔 阻 力 可进一 步 推算 出挤 压力 的大小 ， 由此判断封孔的质量。当每次向装置内充人 1 0 0 m L的气体 时 ，得 出了数据见表 1 。 表 1 封 孔压 力测试数据 结果表明，当充气体积达到 6 0 0 m L时，封孔阻力 R高 达4 3 ． 7 k N，此时封孔装置不可能从钻孔中滑出，足以能封 堵周围的裂隙或孑 L 隙，完全可以满足封孔的实际要求。 3 ． 2 煤层 瓦斯 浓度 对 比测试 分别采用传统封孔技术和高压膨胀可回收快速封孔技 术在阳泉煤业有限责任公司对同一煤层进行了瓦斯抽采 的 对 比测试 ，煤层瓦斯浓度的变化曲线如图 6所示 。 0 O 8 0 6 0 4 0 2O 0 时I可， lt 1 一高压膨 胀可回收快速封孔技术条件下煤层 瓦斯浓度 的变化 2 一传统封孔技术条件下煤层 瓦斯浓度 的变化 图 6 煤层瓦斯浓度随时问的变化曲线对 比图 从图6可以看出，采用高压膨胀可回收快速封孔技术 时煤层瓦斯浓度下降的趋势更为明显，说明其密封性能较 传统封孔技术显著提高。通过实测和分析发现，煤层钻孔 瓦斯的抽采浓度较传统技术提高了4 0 ％ ～ 6 0 ％。 事 实 上 ， 针 对 裂 隙发 育 的煤 层 ， 受采 动 或应 力 扰 动等 下转 第 9 6页 透 壕 蹬 煤炭工程 2 0 1 5年第l 0期 ．3 0 0 2 9 7 ．2 9 4 ．2 91 ．2 8 8 ．2 8 5 ．2 8 2 图 7 沙基比 一曲率均值关系 曲线 为地表曲率的大小即与地表下沉值大小有关系，也与沙基 比有关系。煤层开采对地表的影响是从下往上逐渐传递的， 沙基比越大，基岩移动对地表的影响越小，因为沙层具有 对能量有吸收和衰减的作用。如图 7所示 ，当沙基 比小于 0 ． 1 1 6时，曲率均值是减小的，说明此时，沙基比对地表曲 率的影响大于地表下沉值对 曲率的影响；当沙基 比大于 0 ． 1 1 6时，曲率均值是增加的，说明地表下沉值对地表的曲 率影响较大。 3结论 1 分析了沙基比和地表下沉系数和水平移动系数的关 系 ，并且建立 了其 量化关 系 ，能够 更好 的预测 开采 对地 表 的影响 ，提前采 取措施 ，防止地 表 的建 筑物 、植 物 等受 到 破坏性的影响 。 2 分析了不同沙基比时，离顶板不同高度时，覆岩破 坏程度的差异性 ，尤其 是离顶 板 7 7 ． 2 m 的岩层 ，沙基 比较 小时，裂缝数量少但是每条裂缝较大，沙基比较大时，裂 缝数量多但是每条裂缝较小。由于风积沙易于流动的特性 ， 使工作面出现溃沙的情况，也使开采对地表的影响减小。 3 地表平均正 曲率大小随着沙基 比先减小后增加 ，正 上接第 9 2页 影响，采用该技术封孑 L 后有时也难免出现漏气现象，对此 可采用注浆等辅助措施加以解决，这为该技术今后 的改进 和完善指明了方向。 4结论 1 高压膨胀可 回收快速封孔装置 的研发 和应用 旨在解 决传统封孔技术封孔困难、抽采效率低等问题，形成了一 种绿色环保、安全可靠、便捷高效 的封孔思路，大大降低 了生产的成本 。 2 适用性广泛，可根据钻孑 L 的形成特点合理选取封孔 的长度，避免形成抽放盲区。封孔操作十分简单，既降低 了工人的劳动强度，又使施工速度大幅度提高。 3 封孔压力足够大，煤层瓦斯的抽采浓度较传统技术 可提高 4 0 ％ 一 6 0 ％ ，足 以满 足现场 的实 际要求 。 4 随着我国在煤层瓦斯抽采深封孔领域 的不断探索， 该技术可得到进一步的改进和完善，并逐步推广。 96 曲率区也是地表的拉伸区，地表拉伸区更容易导致植物死 亡 ，且更容易产生裂缝和水土流失。 参考文献 [ 1 ] 何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学 [ M] ．徐 州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 4 ． [ 2] 煤炭科学研究院北京开采研究所．煤 矿地表移动 与覆岩破 坏规律及其应用 [ M] ．北京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 1 ． [ 3 ] 钱鸣高 ，缪协兴 ，许家林 ．资源与环境协 调 绿 色 开采 及其技术体系 [ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 6 ， 2 3 1 15． [ 4 ] B O O T H C J ．G r o u n d w a t e r a 8 a n e n v i ron m e n t a l c o n s t r a i n t o f l o n g w all c o a l m i n i n g [ J] ． E n v i ron Ge o l ，2 0 0 6 ，4 9 6 7 9 6 8 0 3 ． [ 5 ] 谢和平 ，周宏伟 ，王金安 ，等 ．煤矿开采沉 陷的岩石力 学 数值模拟 预计方法 [ c]／ ／中国岩石力 学与 工程学 会第 五 届学术大会 ．上海 ，1 9 9 8 ． [ 6 ] 谢和平 ，周宏 伟 ，王金 安 ，等．F L A C在煤矿 开采 沉陷 预 测中的 应 用 及 对 比分 析[ J ] ． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 1 9 9 9 ，1 8 4 2 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