含水岩层下向穿层钻孔瓦斯预抽技术研究.pdf

含水岩层下向穿层钻孔瓦斯预抽技术研究 周成刚, 申茂良, 朱亚林 安徽理工大学 能源与安全学院, 安徽 淮南 232001 [摘 要] 为解决地质构造复杂, 煤层顶底板岩层含水条件下, 下向瓦斯预抽受岩层水影响较 严重的问题, 提出一种注浆防水工艺和新型式的下向钻孔封孔技术。 结合某实验矿井的地质情况, 通 过实验室研究和现场实验配制特效的注浆浆液, 根据现场测定的注浆有效半径, 合理布置注浆防水钻 孔, 并对下向抽采钻孔采用新型的封孔技术。 通过瓦斯抽采效果对比分析, 结果表明, 岩层水所带来 的不利影响得到较好地解决, 封孔效果良好, 抽采浓度和纯量均有很大幅度地提高。 [关键词] 含水岩层; 下向钻孔; 瓦斯预抽; 注浆封水; 封孔技术 [中图分类号] TD712． 62 [文献标识码] B [文章编号] 1006-6225 2016 05-0095-03 Gas Pre-drainage Technique with Downward Driving Holes in Aquifer [收稿日期] 2016-01-04[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 05． 027 [作者简介] 周成刚 1990-, 男, 安徽安庆人, 在读硕士研究生, 研究方向为安全理论与技术。 [引用格式] 周成刚, 申茂良, 朱亚林 ． 含水岩层下向穿层钻孔瓦斯预抽技术研究 [J]. 煤矿开采, 2016, 21 5 95-97, 91． 穿层钻孔区域预抽瓦斯技术是预防煤与瓦斯突 出, 确保煤矿安全生产的重要措施之一[1-3]。 适用 于地层构造复杂, 煤层顶底板岩层含水, 下向打钻 穿过含水层; 或瓦斯抽采钻场位于比较深的地层, 由于地应力大, 在地应力和采动的双重作用下煤岩 层裂隙不断发育, 从而形成岩层水到穿层钻孔的裂 隙通道[4-6]。 裂缝水的存在会对瓦斯的解吸以及运 移形成阻力, 降低原始煤层透气性, 而且裂缝水易 引起垮孔, 同时抽采孔内积水会使得抽采通道阻 塞, 从而增大抽采阻力, 使得瓦斯抽采效果不理 想, 达不到瓦斯抽放要求。 针对实验矿井煤层瓦斯地质条件, 提出钻场注 浆防水工艺, 对注浆防水钻孔布置进行合理的设 计, 并采用一种新型的下向钻孔封孔技术, 有效解 决了顶底板裂缝水对抽采钻孔成孔难、 封孔差的问 题, 大大提高瓦斯抽采效果, 煤层瓦斯突出危险性 得到降低, 确保了煤矿安全高效生产。 1 实验区域概况 试验矿井设计生产能力 3． 65Mt/ a, 设计服务 年限 135a, 分-540m, -850m 两个水平开采, 现 正向第二水平开拓延深。 该矿井为高瓦斯突出矿 井, 绝对瓦斯涌出量 150m3/ min 左右, 相对瓦斯 涌出量 22． 4m3/ t, 抽放率 42 左右。 该矿资源赋 存丰富, 井田走向长 15． 6km, 南北倾斜宽 3． 5km, 井田面积 54． 6km2, 可采储量 0． 412Gt, 实验地点 位于标高-580m 的11518 高抽巷8 煤层。 该煤层倾 角 6 10, 煤层厚度 2． 65 3． 7m, 平均厚度 3． 06m, 煤层瓦斯压力 2． 6MPa, 煤层原始瓦斯含 量 15． 68m2/ t, 煤层透气性系数 0． 01 0． 05m2/ MPad, 属于难以抽采煤层。 11518 高抽巷穿 层钻孔设计见图 1。 图 1 下向穿层钻孔条带预抽 11518 高抽巷瓦斯示意 2 注浆防水工艺 2． 1 注浆防水原理 通过理论研究和实测数据分析得出裂缝水的存 在会对瓦斯抽采造成较大的阻碍, 有效封堵穿层钻 孔周围裂隙是解决其对瓦斯抽放造成的不利影响的 有效途径。 注浆防水工艺通过一定的外界注浆压力 将配置好的特制浆液注入到裂隙岩体中, 该浆液会 以劈裂、 渗透、 充填等方式驱走裂隙中的水和空 气, 且通过自身的粘合作用固结破碎岩层, 使得岩 体和裂缝胶结成一个整体, 从而有效地封堵裂隙并 充填含水层的含水空间, 改变含水层的性质结构, 使含水层成为弱含水层甚至隔水层[7-10]。 注浆防水 工艺中主要需要重点考虑 3 个方面, 即注浆浆液的 配制、 注浆半径的确定和钻孔方案的设计。 2． 2 注浆浆液的配置 结合穿层钻孔区域具有含水层、 裂缝发育等实 际情况, 配置的注浆液要求具有流动性能好、 凝固 59 第 21 卷 第 5 期 总第 132 期 2016 年 10 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 5 Series No． 132 October 2016 时间短, 且对岩层的粘结能力强以及凝固后的抗压 能力强等特点。 通过实验室研究配置以及现场实 验, 当注浆液按水 ∶ 水泥 ∶ 生石灰 ∶ 铝粉 ∶ 固体速 凝剂的重量比 50 ∶ 50 ∶ 10 ∶ 0． 7 ∶ 10 进行配制时, 封堵效果最佳。 2． 3 注浆钻孔的设计 注浆有效半径的确定是进行注浆钻孔设计的首 要步骤, 通过在 11518 高抽巷的 1 号钻场底板实施 1 个注浆孔, 以注浆孔为中心, 距离中心 1m, 1． 5m, 2m, 2． 5m, 3m 施工 5 个考察孔[11], 如图 2 所示。 采用内窥镜录像的方法来考察各考察孔内 壁的情况, 以孔壁的光滑程度作为判断依据, 确定 实验钻场有效注浆半径为 2． 5m。 图 2 注浆考察孔布置 实验钻场有效注浆半径按 2． 5m 进行设计, 注 浆孔的位置根据实际情况选在裂缝比较发育、 涌水 量较大的地方。 注浆时, 短孔和长孔先后进行注 浆, 先注短孔 给长孔带压注浆打下基础, 再注 长孔。 本次实验选在 1 号、 2 号钻场进行注浆实 验, 设计注浆孔 15 个, 其中 5m 注浆短孔 6 个, 13m 注浆长孔 9 个, 实验钻孔布置如图 3 所示。 注 浆完成 24h 后再打下向瓦斯抽采钻孔。 图 3 注浆钻孔布置 3 下向钻孔封孔技术 3． 1 封孔器工作原理 根据实验钻场具体情况和封孔的相关要求将封 孔器送入预先设定的地点, 然后将进浆导流管和进 浆口连接, 用注浆泵通过导流管和封孔器进行注 浆。 由于注浆本身带有一定的压力, 且安全阀的封 堵使得回路封闭, 随着浆液的不断注入, 回路中的 压力会逐渐增大, 积聚的压力会通过腔内的单向阀 隔膜向膨胀管方向释放, 使得膨胀管的管径迅速变 大变粗, 并与钻孔内壁贴合, 形成初次封堵。 当回 路中压力大于 3MPa 时, 将安全阀打开, 浆液会在 压力的作用下将出浆口的隔膜装置顶破, 浆料从出 浆口喷出 在单向阀隔膜的作用下, 膨胀管内的 压力不会泄漏降低, 喷出后的浆料流至封孔器出 浆口处凝固后形成二次封堵。 3． 2 固瑞特 G201 封孔材料 通过对相关封孔材料的性能分析, 并结合钻场 封孔的实际情况, 本次封孔材料采用固瑞特 G201, 该封孔材料是一种由有机高分子和无机材料制备的 加固型双组分注浆材料, 浆液由 A, B 双组分独立 包装组成, 且 A 组分和 B 组分以体积比为 1 ∶ 1, 通过双液比例泵自动混合后进行注浆。 固瑞特 G201 封孔材料性能指标见表 1。 表 1 固瑞特 G201 封孔材料性能指标 项目 指标 A 组分B 组分 浆液 性能 外观无色透明液体深棕色透明液体 黏度/ MPaS250 350250 350 闪点/ ℃不燃烧190 比重/ kgm -3 146050146050 反应 性能 最高反应温度/ ℃100 可流动时间/ min2 5 固结体抗压强度/ MPa≥30 固结体抗拉强度/ MPa≥7． 0 固结体粘结强度/ MPa≥3． 0 3． 3 封孔器坐底注固瑞特封孔技术 根据下向穿层钻孔的孔深和见煤情况, 钻孔前 端采用直径 40mm 的尖锥和直径 40mm 的 PVC 管, 煤层段使用花眼管, 位于钻孔孔深 11 12m 处连 接 FK-80/5-X 封孔胶囊 1 个, 在封孔胶囊下段 1． 8m 处连接直径 40mm 的铁管, 并在封孔胶囊上 段 4 分处连接注浆管且直到孔口; 连接好注浆管 后, 从注浆管注固瑞特, 待孔口返浆后停止注浆, 15min 后进行二次加压注浆, 待孔口有浆液冒出停 止注浆, 注浆结束。 3． 4 封孔注意事项 由于注浆浆液的固化时间与现场温度有关, 因 此注浆前, 先将固瑞特的两个组分材料放在 15 30℃温度下放至 12h 以上; 为防止堵管, 注浆间隙 时, 可用 A 组分充满混合头和管路; 套管下不到 位的钻孔重新进行透孔, 透孔后套管仍不到位的立 即进行补孔, 确保钻孔的深度符合要求; 为使套管 能够顺利下过止煤点, 在封孔前应对钻孔进行充分 排渣, 且下向穿层钻孔施工至穿过煤层底板 10 69 总第 132 期煤 矿 开 采2016 年第 5 期 15m, 用于煤岩粉的沉淀。 4 效果考察 在 11518 高抽巷的 1 号和 2 号钻场实施了注浆 防水工艺和封孔器坐底注固瑞特封孔技术, 在采用 新封孔技术施工完后, 凝固 24h, 孔口套管采用变 头与瓦斯抽采管路进行连接, 并在连接处安装瓦斯 浓度和流量监测的装置, 气密性检查合格后开始抽 采瓦斯。 对 1 号和 2 号钻场的瓦斯抽采情况进行统 计, 累计抽采 60d 后, 经过分析统计的数据发现其 中单孔平均浓度均在 38． 5 以上, 干管抽采平均 浓度 36． 2; 抽采混合流量 5． 32m3/ min, 抽采平 均纯流量 2． 8m3/ min, 抽采率达到 52． 6。 11518 高抽巷的 3 号和 4 号钻场作为参照组, 且 3 号和 4 号钻场未采用注浆防水工艺, 封孔技术 采用的是传统聚氨酯坐底的封孔工艺, 并和 1 号、 2 号钻场同时进行预抽瓦斯, 60d 内干管抽采浓度 1． 2 21, 平均抽采纯量 0． 76m3/ min, 与 1 号、 2 号钻场抽采浓度、 抽采纯量对比结果如图 4、 图 5 所示。 图 4 干管抽采浓度对比 图 5 干管抽采纯量对比 分析图 4、 图 5 可知 在抽采初期 1 号、 2 号 钻场钻孔抽采浓度和抽采纯量都要明显大于 3 号、 4 号钻场, 抽采 15d 后, 3 号、 4 号钻场钻孔抽采 浓度、 抽采纯量均开始有下降的趋势, 并且随着抽 采时间的增加, 抽采浓度和纯量越来越小, 而 1 号、 2 号钻场在抽采 60d 内抽采浓度和纯量均呈现 波动上升趋势, 最大值分别达到46． 5和4． 38m3/ min。 以上结果表明在抽采后期, 未采取注浆堵水措 施和新封孔工艺的 3 号、 4 号钻场受水和钻孔密封 性以及完整性的影响比较大, 裂隙水会降低煤层瓦 斯的解吸率, 同时堵塞运移通道, 而且未采用新封 孔工艺钻孔的密封性和完整性大大降低, 容易出现 钻孔垮孔和堵孔, 抽采效果差。 1 号、 2 号钻场在 采取注浆堵水和新封孔工艺后, 使得水所造成的不 利影响大大降低, 煤层透气性和钻孔的密封以及完 整性都得到保障, 瓦斯抽采浓度和纯量都比较大, 且持续时间长, 抽采效果比较理想。 5 结 论 1 根据实验矿井的具体情况, 通过实验室 配置新型注浆液, 并实行长、 短孔相结合的注浆防 水工艺, 有效地固结了破碎岩层, 封堵裂隙并充填 含水层的含水空间, 改变含水层的性质结构, 使含 水层成为弱含水层甚至隔水层, 大大降低了水对下 向穿层钻孔瓦斯抽采的影响。 2 固瑞特在流动水中不会被稀释、 溶解, 且固结体仍有较高强度, 采用封孔器坐底注固瑞特 封孔技术具有良好的封孔效果。 3 采用注浆防水和封孔器坐底注固瑞特封 孔技术, 11518 高抽巷下向穿层钻孔累计抽采 60d, 单孔浓度均在 38． 5 以上, 干管抽采平均浓度 36． 2, 抽采混合流量 5． 32m3/ min, 抽采纯流量 2． 8m3/ min。 与参照组相比, 平均抽采浓度与平均 抽采流量均大幅度地提高, 抽采效果良好。 4 注浆防水和封孔器坐底注固瑞特封孔技 术有效解决了地层构造比较复杂, 煤层顶底板岩层 含水情况下穿层钻孔瓦斯抽采不理想等问题。 为同 类地质条件下穿层钻孔瓦斯抽采工作提供新的技术 方向。 [参考文献] [1] 罗孝勇 ． 下向穿层钻孔瓦斯抽采技术 [J]. 煤炭技术, 2008, 27 6 87-89． [2] 程远平, 付建华, 俞启香 ． 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 [J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 26 2 127-139． [3] 司春风 ． 下向钻孔抽采被保护层煤巷条带瓦斯的工艺技术研 究 [J]. 矿业安全与环保, 2013, 40 3 65-69． [4] 何修仁 ． 注浆加固与堵水 [M].沈阳 东北工学院出版社, 1990．下转 91 页 79 周成刚等 含水岩层下向穿层钻孔瓦斯预抽技术研究2016 年第 5 期 4 现场实际应用及结果分析 林华煤矿位于贵州省金沙县境内, 设计生产能 力 1． 5Mt/ a, 矿井首采 9 号煤层, 为突出煤层。 根 据现场实际抽采情况以及抽采有效半径测定原理, 分别在 20912 回风巷 380m 处、 350m 处和 300m 处 布置抽采钻孔, 并对 9 号煤层顺层钻孔预抽 30d, 70d, 100d 的抽采有效半径进行了测定。 根据现场 实际测定数据, 进行曲线拟合, 具体结果见图 3。 图 3 抽采不同时间顺层抽采钻孔周边残余瓦斯含量分布曲线 由图 3 可知, 顺层抽采钻孔抽采 30d, 抽采钻 孔中心距煤层残余瓦斯含量低于 8m3/ t 的点的最大 距离为 0． 5m; 顺层抽采钻孔抽采 70d, 抽采钻孔 中心距煤层残余瓦斯含量低于 8m3/ t 的点的最大距 离为 1． 5m; 顺层抽采钻孔抽采 100d, 抽采钻孔中 心距煤层残余瓦斯含量低于 8m3/ t 的点的最大距离 为 2． 5m。 综合以上分析结果可知 林华煤矿 9 号煤层顺 层抽采钻孔在抽采钻孔孔径为 75mm、 抽采负压不 低于 13kPa 的抽采条件下, 抽采 30d 有效半径为 0． 5m, 抽采70d 有效半径为1． 5m, 抽采100d 有效 半径为 2． 5m; 在相同抽采条件下, 抽采时间不同, 对应抽采有效半径不一样, 随着抽采时间增长, 抽 采有效半径在一定范围内会逐步增大。 5 结 论 1 根据目前瓦斯抽采有效半径测定方法的 研究现状, 提出了残余瓦斯含量测定煤层抽采有效 半径的方法, 操作性强, 测定结果准确, 为抽采有 效半径测定提供了一种新的测定方法。 2 在相同抽采条件下, 抽采时间不同, 对 应抽采有效半径不一样, 随着抽采时间增长, 抽采 有效半径在一定范围内会逐步增大, 煤矿可以根据 开拓开采计划合理布置抽采钻孔间距, 提高煤矿瓦 斯抽采效率, 降低瓦斯抽采成本, 对矿井的安全高 效生产具有重要的现实意义。 [参考文献] [1] 俞启香 ． 矿井瓦斯防治 [M].徐州 中国矿业大学出版社, 1992． [2] 刘华锋, 陈 辉 ． 顺层钻孔瓦斯抽采半径确定及抽采效果考 察研究 [J]. 中国煤炭, 2013, 39 6 83-86． [3] 杨相玉, 杨胜强, 路培超 ． 顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的理 论计算与现场应用 [J]. 煤矿安全, 2013, 44 3 5-13． [4] 周红星, 程远平, 谢战良 ． 计算机模拟确定瓦斯抽放有效半 径的方法 [J]. 能源技术与管理, 2005, 30 4 81-82． [5] 陈金玉, 马丕梁 ． SF6气体示踪法测定钻孔瓦斯抽放有效半径 [J]. 煤矿安全, 2008, 39 9 23-25． [6] 曹新奇, 辛海会, 徐立华, 等 ． 瓦斯抽放钻孔有效抽放半径 的测定 [J]. 煤炭工程, 2009, 41 9 88-90． [7] 赵 楠, 季淮君, 李雨佳 ． 关于测定煤层瓦斯抽放影响半径 的试验研究 [J]. 江西煤炭科技, 2011 3 13-15． [8] 李 晓 ． 平煤一矿瓦斯抽放钻孔有效抽放半径的研究 [J]. 现代矿业, 2012, 27 3 110-111, 114． [9] 陈彝龙, 邹云辉, 钟勇林 ． 采用瓦斯流场理论确定钻孔瓦斯 抽采有效影响半径 [J].江西煤炭科技, 2009 10 99 - 100． [10] 刘三钧, 马 耕, 卢 杰, 等 ． 基于瓦斯含量的相对压力测 定有效半径技术 [J].煤炭学报, 2011, 36 3 1715 - 1719． [11] 国家安全生产监督管理总局 ． 煤矿瓦斯抽采基本指标 [S]. 北京 煤炭工业出版社, 2006． [12] 国家煤矿安全监察局 ． 防治煤与瓦斯突出规定 [S].北京 煤炭工业出版社, 2009． [13] 王伟斌 ． 瓦斯流量法在测定煤层瓦斯抽放影响半径中的应用 [J]. 中州煤炭, 2012 3 12-13, 70． [责任编辑 施红霞] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 97 页 [5] 李 波, 李长松, 魏建平, 等 ． 套管带压固结封孔技术在瓦 斯压力测定中的应用 [J].煤炭科学技术, 2009, 37 3 34-37． [6] 戎立帆, 柏发松, 车志飞 ． 下向穿层瓦斯抽采钻孔新型封孔 方法及应用 [J].中国安全生产科学技术, 2014, 10 8 64-68． [7] 赵志法, 张庆华, 黄长国, 等 ． 下向穿松软煤层涌水钻孔测 压技术研究 [J]. 矿业安全与环保, 2008, 35 5 34-37． [8] 石智军, 胡少韵, 姚宁平, 等 ． 煤矿井下瓦斯抽采 放 钻 孔施工新技术 [M]. 北京 煤炭工业出版社, 2008． [9] 黄长国, 周华龙, 刘志伟, 等 ． 下向测压孔封孔技术及运用 [J]. 矿业安全与环保, 2009, 36 S1 111-112． [10] 袁 亮 ． 松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术 [M]. 北京 煤炭工业出版社, 2004． [11] 王明重, 吕 辰, 陈 凯 ． 下向测压钻孔封孔技术研究 [J]. 中国安全生产科学技术, 2014, 10 4 109-113． [12] 周鑫隆, 柏发松, 石必明, 等 ． 下向穿层钻孔条带预抽瓦斯 技术研究 [J].中国安全生产科学技术, 2014, 10 12 149-154．[责任编辑 施红霞] 19 公衍伟等 残余瓦斯含量法在测定瓦斯抽采有效半径中的应用研究2016 年第 5 期