煤层瓦斯抽采封孔技术现状分析.pdf

第 1 3卷第 3期 2 0 1 6年 6月 华北科技学 院学报 J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V01 ．1 3 No ． 3 J u n ． 2 0 1 6 煤层 瓦斯抽 采封孔技术现状分析 陈学习 ， 刘志强 ， 庹雪娜 1 ．河北省矿井 灾害防治 重点 实验室 ， 河北 三河0 6 5 2 0 1 ； 2 ．华北科技学 院 安全工程学院 ， 北京 东燕郊1 0 1 6 0 1 摘 要 介 绍了煤层瓦斯抽采技术现状 ， 将 目前 瓦斯抽采封孔技 术分为非带压封孔、 “ 两堵一注” 带 压封孔和二次封孔 3大类 ， 讨论 了各类封孔工艺的优缺点和适用条件 。分析结果表 明 没有一种封 孔技术能够适用所有煤层 瓦斯抽采条件 ， 应结合不 同的煤层 瓦斯抽采需求， 研发操作 简单高效 、 装 置成本低廉、 密封效果可靠的技术与装置， 以提高煤层 瓦斯的抽采浓度与效率。 关键词 瓦斯抽采； 非带压封孔 ； “ 两堵一注” 带压封孔 ； 二次封孔 ； 技术现状 中图分类号 T D 7 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 7 1 6 9 2 0 1 6 0 3 0 0 0 1 0 6 An a l y s i s o f t he pr e s e n t s i t ua t i o n o f h o l e s e a l i ng t e c h no l o g y f o r c o a l s e a m g a s d r a i n a g e CHEN Xu e x i 。 LI U Zh i q i a n g 。 TUO Xu e H a 1 ．K e y L a b o r a t o r y ofC o a l Mi n e D i s a s t e r P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l i n H e b e i ， S a n h e ， 0 6 5 2 0 1 ， C h i n a ； 2 ．S a f e t y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， N o a h C h i n a I n s t i t u t e of S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y ， Y a a o ， 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t Ti l e pa pe r i nt r o du c e s t he pr e s e n t s i t u a t i o n o f c o a l s e a m g a s e x t r a c t i o n t e c h no l o g y， t he c u r r e nt g a s e x t r a c t i o n h o l e s e a l i ng t e c h no l o g y i s d i v i d e d i n t o t h r e e c a t e g o r i e s a s n o np r e s s u r e ho l e s e a l i n g、 “t wo s t uc k o n e no t e ” wi t h p r e s s u r e ho l e s e a l i n g a nd t wi c e ho l e s e a l i n g， d i s c u s s i ng t he a d v a n t a g e s a nd d i s a d v a n t a g e s o f a l l ki n ds o f ho l e s e a l i ng p r o c e s s a n d s ui t a bl e c o n di t i o ns ． The r e s ul t s s ho w t h a t t he r e i s n’ t a ho l e s e a l i n g t e c hn i qu e t ha t c a n a p pl y t o a l l g a s e x t r a c t i o n c o n di t i o n．I t s h o u l d b e c o mb i ne d wi t h di f f e r e n t e x t r a c t i o n d e ma nd t o r e s e a r c h t h e t e c h no l o g y a n d e q ui p me n t wi t h s i mpl e a n d e ffi c i e n t o pe r a t i o n， l o w i n s t a l l a t i o n c o s t a nd r e l i a bl e s e a l i ng e f f e c t ， i n o r d e r t o i mp r o v e t he e x t r a c t i o n c o nc e n t r a t i o n a n d e f f i c i e n l y o f t h e c o a l s e a m g a s ． Ke y wo r d s g a s e x t r a c t i o n；n o np r e s s u r e h o l e s e a l i n g；“ Two s t u c k a n o t e”wi t h p r e s s u r e ho l e s e a l i n g；t wi c e h o l e s e a l i n g； t h e p r e s e n t s i t u a t i o n o f h o l e s e a l i n g t e c h no l o g y 0 引言 随着开采 深 度 的增加 ， 煤层 瓦斯 压 力 和瓦 斯含量逐渐 增大 ， 地 质构 造条 件也 越来 越 复杂 恶化 ， 使得 瓦斯灾 害 日趋严 重。此 外 ， 煤 矿瓦斯 直接排放到大气 中， 可引起温室效 应 ， 其 作用效 果是二氧化碳 的 2 5倍 。除上述危 害方 面外 ， 瓦斯也是一种清洁能源 。如果 能够对矿井 瓦斯 进行有效抽 采利 用 ， 不仅 可 以有效 地 防治瓦 斯 灾害 ， 也将会极大地缓解 我 国能源 紧缺 的局势 。 目前我国煤层瓦斯面临 的主要 问题是抽采 浓度 低 、 浓度值衰减过快 ， 其原 因除大部分被抽 采煤 层透气性差 、 裂 隙不发育外 ， 最 重要 的是 封孔不 严 ， 封孔 质量 不理想 。国 内外 学者 对煤 层 瓦斯 收稿 日期 2 0 1 60 30 3 基金项 目 中央高校基本科 研业务费资助项 目 3 1 4 2 0 1 5 0 2 0， 3 1 4 2 0 1 5 1 3 5， 3 1 4 2 0 1 4 1 1 0 作者简介 陈学习 1 9 7 2一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 博士 ， 教授 ， 华北科技学院安全工程学院副院长 ， 主要从事煤矿瓦斯 、 粉尘防治 方面的 研 究工作。Em a i l 1 7 9 7 8 1 0 4 6 6 q q ． c o m 1 华北科技学院学报 2 0 1 6 年 第3 期 抽采 封孑 L 技术进 行 了大量 研究 ， 按 封孔方 式大 致分为三类 非带压封孔 、 “ 两堵 一注” 带压封孔 和二次封孔 。非带压封孔包括机 械式封孔器封 孔 、 水泥浆封孔 和 高分 子发泡 材料 封孔 等 ； “ 两 堵一注” 带压封 孔包 括有 机一无机 材料 组合封 孔 、 赛瑞压 注式封孔 、 囊袋 式封孔 、 “ 强弱强 ” 封 孔和气囊延 时膨胀 带压 注浆 封孔 等 ； 二次封孔 可分为聚氨酯二次封孔和囊袋式二次封孔。 1 非带压封孔技术现状 1 ． 1 机械 式封孔 机械式封孔一般使用 可 以重复利用 的封孔 器密封煤层 瓦斯 抽采 钻孔 ， 主要 有机 械 弹性 膨 胀体封孔 器 、 水力 膨 胀 式封 孔 器 、 充 气式 封 孔 器。水力膨胀式封 孔器和充气式封 孔器在使用 过程中需 要另外 专 门敷设 一条 水管 或气管 ， 使 得工作量加大 ， 并且会使装 置重量增大 ， 操作不 便。因此 目前使用 比较普遍 的是机 械弹性膨胀 体封孔 器 ， 利 用 留在钻孑 L 外 面的机 械机 构使得 内外管相对运 动 ， 挤压封 孔器 前端 的橡 胶可膨 胀圈， 使之在径向方向膨胀进而将钻孑 L 严密封 堵 。这种封孔方法适用 于岩柱 比较完整致密 的地质条件 ， 优点是 封孔工艺操作过 程简单 ， 封 孔器可以重复 多次使 用 ， 能够 应用 在短 时间 内 的快速封孔。机械弹性膨胀 体封孑 L 器在平顶 山 矿 区四矿等地 进行 瓦斯抽 放效 果测 验 ， 对较 浅 钻孔封孔质 量 良好 ， 能 有效 降低 工作 面 回风 流 瓦斯浓 度 ， 实 现 高效 高 产 ， 取 得 良好 的经 济效 益 。缺点是该封孔技术不适用 于松软破碎煤 岩 钻孔和 深度 较 大 钻 孔 ， 封 孔距 离 短 ， 封 孑 L 质量 差 ， 利用单 纯 的封 孔器 不能有 效 地封堵 煤 岩裂 隙 ， 瓦斯抽采效率低 下 ， 不 能保 证长效 的封 孑 L 效 果 ， 适用于采掘工作面临时瓦斯抽采封孔 。 1 ． 2 水泥 浆封 孔 水泥浆封孑 L 一般 用于 钻孔 长度 较长 、 倾 角 较大 的情况 ， 对 近水平 、 缓倾 斜 煤层钻 孑 L ， 水 泥 浆靠 自然 下 沉凝 固 ， 容 易形 成 月 牙形 的孔 隙 ， 不 能 完 全 侵 入 煤 岩 裂 隙 ， 造 成 封 孑 L不 严 实 I 4 。为避免水 泥浆凝 固后 收缩 ， 常在 水 泥 中添加膨胀 剂制成膨 胀不 收缩水 泥封 孔材 料 ， 这种材料 初凝 后 发 生 体积 膨 胀 一方 面能 使 钻 2 孔周 围的裂 隙得 到充填 ， 封 堵开 孔时形 成 的孔 裂隙漏气通道 ； 另一 方面能 够对 钻孔封 孔段 形 成支撑作 用 ， 保 证 钻孔 稳 定 ， 钻 孔 周 围不 会 在 后期产生 新 的漏 气 通道 ， 避 免后 期 钻孔 漏 气 。 王庄煤矿 8 1 O 1工作 面分别 使用 水泥浆 与 化学 材料封孔 ， 结果 表 明膨 胀 不 收缩 水 泥 强度 、 气 密性 明显优 于化 学材 料 ， 比化学 材 料具有 更好 的封孔 效果 ， 但是 由于其 封 孔 质量 总 体 较差 ， 目前 已被 逐步淘汰。 l - 3 高分子发泡材料封孔工艺 高分子发泡材料封孑 L 使用 A， B双组份 高分 子有机材料 ， 在封孔 时通过 A， B两 种组分 材料 混合发生化 学反应 膨胀 而填 充抽 采钻孔 裂 隙。 高分子发 泡材料 固化后 具有 可塑 性 ， 受 到微小 压力 时不易变形 ， 与煤岩体牢 固粘 结 ， 操 作过程 简单 ， 封孔 时间快 ， 早 强性好 ； 但 这种 材料 难 以 抵抗煤 层 在地 应 力 采掘 活 动 干扰 下 产 生 的蠕 变 ， 其抗压能力有 限， 不能对钻孔周 围形成有效 的支护作用 J 。高分子发泡材料封孔 工艺 主要 有压注法 和卷缠 法两 种 ， 前一 种方 法 由于操作 过程繁琐 、 封孔设备难 以清洗而没有普 遍使用 ； 后一种方法一般将 双组分混合好 后均匀倒撒 在 大 的麻布 或者棉 纱上 ， 一 边倒 一边 裹缠 在抽 采 管上 ， 并 且 迅 速送 人 钻孔 内 即完 成封 孔 工 作 。 与压注法相 比， 卷缠法 具有操作 简单 、 封 孔速度 快 的优点。高分子发泡材料在 鹤壁八矿进 行 了 实际使用 ， 与原有 工艺对 比， 瓦斯抽放浓 度平均 提高 4倍 ， 瓦斯流量 提高 2 ． 5～ 4倍 ， 最高达 到近 8倍 ， 极大地提高 了工作面瓦斯抽采率 。但封孔 准备时间较长 ， 操作过程中 A、 B组分浪 费严 重 ， 并且封 孔成 功率 低。此 外 ， 此工 艺是 敞 开式操 作 ， 容易出现封孔 材料 未进 人钻 孔便 流 出钻孔 的现象 ， 操 作过程 中人 员可 能接 触到 料 液危及 人身健康 。为此 ， 相关 人员 研发 高分 子有 机 材 料子母袋 ， 既 能保证 封孔 质量 、 节 约封 孔 材料 ， 又能 防止料 液损 害人体 健康 ； 但 是子 母 袋存 在 钻孔较浅 或塌孔 时 ， 封孔 材料 快速 膨胀 而造 成 封孔失败 的问题。高分子发 泡材料在前几 年较 广泛使用 ， 由于近年来对 封孔质量要求 更高 ， 高 分子发泡材料封孔技术 已逐步被 “ 两堵一 注” 封 孔技术 、 二次封孔技术取代 。 第 3期 陈学习等 煤层瓦斯抽采封孔技术现状分析 2“ 两堵一注’ ’ 带压 封孔技术现状 2 ． 1 有机一 无机材料组合封 孔 有机一无机材料组合 封孔如 图 1 所示 ， 它是 对单一使用有机或无机 材料封孔 工艺 的改进创 新 。有机材料是通过 A， B双组 份按 一定 比例混 合反应发泡膨 胀封 堵钻 孔 裂 隙， 固化速 度快 且 封孔工艺简单 J ， 但有 机 材料 发泡 后 内部产 生 孑 L 隙较大 的蜂 窝 多孔状 结构 ， 形 成相 互 导通 的 腔体阵列 ， 有机材料与钻孔壁 的结合 面不稳定 ， 会在材料与孔壁 之间形成漏气通 道【 。利用无 机材料 比如水泥浆封孔 时 ， 由于材料分 子较小 ， 与煤层有 很好 的亲 和力 ， 比较容 易进 人并 充填 孔壁裂隙且改 变煤 层结 构 ， 能 够提 高煤体 的抗 压强度 ， 对煤 体产 生加 固作 用 。淮南 谢一 矿分 别使用有机 材料 、 无 机 材料 和 有机一无 机 材料 组合封孔 ， 结果表 明 有机一无机 材料组合封孔 比单独使用有机材料或无 机材料 时的封孔效果 好 ， 瓦斯抽采浓度达 8 5 ％ ， 实现瓦斯气体高浓度 抽采。但 是在使 用 过程 中 ， 水泥 浆凝 固后 会与 煤壁之间形成 一层 黏结 层 ， 且 黏结层 与钻 孔壁 会产生裂隙 ， 两 者容易分离 ， 使得结合 面渗透性 变差。因此通 过有 机材 料 与无机 材料 组合 ， 能 够克服各 自单独 使用 时 的缺 点 ， 既 能充填 原有 裂隙又能防止 产生新 的漏气 通道 ， 从 而有 效提 高瓦斯抽采浓度与效率 。 抽 图 1 有机一无机材料 组合 封f ur 艺 。 2 ． 2 赛瑞封孑 L 剂 带压 封孔 赛瑞封 孔 剂 属 于 聚 氨酯 类 高 分 子 聚 合 材 料 ， 是在聚 氨酯 材 料 中加入 微 膨 胀 颗粒 ， 从 而 增 加其膨胀性 与渗透 性 ， 比聚氨酯 材料 具有 更 强的可塑性 与抗压 强 度 ， 能 够与钻 孔壁 紧 密粘 结 J ， 形成 良好 的致 密 效果 ， 能 够 有效 封 堵 钻 孔微 裂 隙。赛 瑞 封孔 剂 通 过黑 白双 料 以一 定 的 比例混合反应 膨胀来 封堵钻 孔 裂隙 ， 现 场使 用时可 以通 过 调 整混 合 比例控 制 发 泡 时 间与 发泡倍 数 。赛瑞 封 孑 L 剂 带 压封 孔 时将赛 瑞 封 孔剂涂抹 在 棉纱 上 使 其 在钻 孔 两 端形 成 封 堵段 ， 然后 利用用手 动注浆 泵将 赛瑞 封孔 剂压 人 密闭 空 间。该 封孔 工 艺 的优 点 是 通过 带 压 注浆使 浆 液 更 好 的渗 入 钻 孔周 围裂 隙 。冀 中 能源张矿集 团 宣东 二 号 煤 矿原 先 使用 封 孔 器 或水 泥浆封 孔 ， 瓦 斯抽 采浓 度 在 2 3 ％ 以下 ， 当 使用 赛 瑞 封 孔 剂 封 孔 时 ， 瓦 斯 抽 采 浓 度 达 到 4 5 ％ ～ 8 0 ％ ， 赛瑞封 孔剂带 压封 孔技术 比原 封 孔技术 瓦斯 抽采浓度平均提 高 4 0 ％左 右 ， 取得 良好 的经 济 效 益 与社 会 效 益。但 是赛 瑞 封 孔 剂 固化后 不能保持柔 性状 态 ， 难 以抵抗 采动 影 响产生 的钻 孔 变形 ， 后 期容 易 产 生 漏气 通 道 。 此外 ， 赛瑞封孔剂封孔时操作过程复杂， 而且 压注赛瑞 封孔材料 的设备难 以清洗 干净 ， 收 尾 工作繁琐 、 工 作量 大 ， 敞 开式 操 作 容易 危 害操 作人员身 体健康 。 2 ． 3囊袋式封孑 L 技术 囊袋式封孔工艺如图 3所示 ， 封孔时使用一 个预先制好 的成 品囊袋 ， 囊袋 中有 注浆 阀， 中间 有爆破 阀 ， 利 用高 压泵 向囊袋 注入 水 泥浆封 堵 围岩漏气通道 并且 能减 缓钻孔 变 形速 度 ， 减 小 封孔段岩体 的透气性 。囊袋 式封孔 比聚氨酯具 有更强的支护 作用 ， 能够 实 现任 意角 度 的注浆 且封堵效果 良好_ 1 ； 现场操作简单封孔 方便 ， 操 作过程节 省 时间 ， 瓦斯 抽采 浓度 高。囊袋 式注 浆封孑 L 工艺在 平煤 集 团十矿 、 山西潞 安集 团煤 矿等实际使用 ， 无论 顺层 钻孔 还 是穿层 钻孔 瓦 斯抽采浓度都在 6 0 ％ 以上 ， 而且 后期 衰减 速度 慢 ， 明显改 善 利 用 原有 工 艺 时钻 孑 L 漏 气 问题 。 但是 ， 使用囊 袋封 孔 时存 在操 作 不可靠 性 的 问 题 ， 注浆 阀或爆破 阀容易失灵造成封 孔失败 ， 爆 破 阀的爆破压力与囊袋 的膨 胀程度难 以准确计 算 ， 在现场操 作 中容易 出现误 差 使囊 袋不 能根 据地质条件完 全膨 胀 紧密封堵 钻 孔周 围裂 隙 ， 而且囊 袋封孔 完毕后 难 以再次 回收利用 ， 造成 材料浪费 。此 外 ， 这种 工艺 不适 用 于具有 较丰 富的裂隙和缝隙的煤层卸压带。 3