马兰矿囊袋式注浆封孔技术的应用.pdf

第 7期 2 0 1 7年 7月 山 西 焦 煤 科 技 S h a nx i Co k i n g Co a l S c i e n c e Te c h n o l o g y NO ． 7 J u 1 ． 2 01 7 试 验 研 究 马兰矿囊袋式注浆封孑 L 技术的应用 王 玉 豪 西 山煤 电集团有 限责任公 司 通风处 ， 山西 太原0 3 0 0 5 3 摘 要针 对马 兰矿 本煤 层 瓦斯抽 采 漏 气严 重 ， 钻 孔封 堵 效 果 差 的 问题 ， 采 用 数值 模 拟 的 方 法 ， 分析 了 1 0 6 1 0工作 面轨道 巷侧 的应 力分布 ， 并 结合 巷道 掘 前 预抽 情 况 以及 抽 采 管 的 实 际尺 寸确 定 了 合理 封孔 深度 为 1 9 m．介 绍 了囊袋 式注浆 封孔技 术 。通过 工 程 应 用得 出， 囊 袋式 注 浆封 孔预 抽 瓦斯 的平 均浓 度在 1 0 0天 内仍保 持 为 4 6 ％ ， 相 比之 下聚 氨 酯封 孔 的 瓦斯 浓度 只有 1 7 ％ ， 前 者 封孔 取 得 了 良好 的抽 采 效果 。 关键 词 瓦斯 抽 采 ； 合 理封 孔 深度 ； 囊袋式 注浆封 孔技 术 中 图分类 号 T D 7 1 2 ． 6 文献标 识码 B 文章 编号 1 6 7 2 0 6 5 2 2 0 1 7 O 7 0 0 1 l一 0 3 瓦斯抽 采 是我 国煤 矿 进 行 瓦斯 灾 害 预 防 的重 要 手段之一 ， 通过预抽赋存于本煤层 、 临近层 、 顶底板 中 的瓦斯 可 以达 到 降低 瓦 斯 含 量 与 瓦斯 压 力 的双 重 目 的， 进而可以安全掘进与采煤 ．封孔技术是瓦斯 抽 采 的关键 环 节 ， 如何提 高 抽采浓 度 以及 防止 巷道 中 的空气 吸人 抽 采管 路 是 广 大 工 程技 术 人 员 首 要 考 虑 的封孔 难题 。 封 孔 难 度 在 于 封 孔 参 数 以 及 封 孔 技 术 的优 选 。 研究 合 理封 孔 深度 常用 经验 法 、 钻 屑 法 以及 数 值模 拟 等方 法 ．由于每个 矿甚 至 每 个 工作 面 差 异 很 大 ， 因此 利 用 临近 工作 面 的 经 验 确定 封 孑 L 深 度 不 准 确 而 且不合理 ； 钻屑法费工费时 ， 但是能够精准地确定出 合理深度 ； 数值模拟方法通过计算机数值计算 ， 确定 出巷帮的应 力分布状态 ， 是一种低成 本高效率 的方 法 。周 福宝 等 为 了降低 已经 封堵 的钻 孔漏 气 ， 采用 了 超细粉体颗粒对钻孔周 围的裂隙进行 封堵 ．黄鑫 业等 为 了封 堵钻 孔周 围的裂 隙 ， 对 本煤 层钻 孔 进行 分 步封 堵 ， 达 到封 堵 裂 隙 的 目的 ．张超 等 采 用 “ 强 弱 强 ” 带 压 封孑 L 技术 对本 煤 层钻 孔进 行封 堵 ．翟成 等 研制 出了 F G封 孔 材 料 和 相 应 的本 煤 层 动 态 封 孔 方 法 ．王志 明 等 针 对 瓦 斯 抽 采 动 态 的 漏 气 圈特 性 ， 将“ 封堵一体化” 装置应用到瓦斯抽采 中， 取得 了 良 好 的抽采效 果 ． 笔者针对马兰矿抽采瓦斯浓度低 ， 抽采漏气严重 的问题 ， 通 过数 值模 拟 的方法 研究 了马兰矿 1 0 6 1 0工 作 面 的合理 封 孔深度 ， 并 分析 了囊 袋式 注浆 封孔 技术 在 马 兰矿 的应用 效 果 。研 究 结 果 可 为 同类 矿 井 的本 煤层瓦斯抽采提供借鉴。 1 1 0 6 1 0工 作面概 况 1 0 6 1 0工作 面位 于 马兰 矿 南六 采 区 ， 工 作 面 走 向 长 度 9 7 5 m， 倾斜 长 1 8 5 m， 开 采 山西 组 2 煤 ， 平 均煤 厚 2 ． 0 6 m， 埋藏深度 约为 4 0 0 m．煤岩层倾 角3 。 ～ 1 2 。 ， 平均 6 。 ， 整个工作 面陷落柱不发育 。煤层及顶 底 板 物理力 学参 数见 表 1 ． 2 关 于合理 封孔 深度 的数 值模 拟 瓦斯抽 采封 孔 深度 必 须 要 超 过 巷 道 两 帮卸 压 区 深度 ， 以防止外界空气经 由卸压区裂 隙进 入抽采管 路 ； 另外 由于煤体 应 力峰值 点 的瓦斯 渗 透 率极 低 ， 所 以 为 了避 免抽 采盲 区 的 出现 ， 封 孔深 度不 得超 过应 力 峰值 点 。因此 ， 合 理封 孔深 度应 该介 于卸 压 区和应 力 峰值 点之 问 。 利 用数 值模 拟 的 方法 对 1 0 6 1 0工 作 面轨 道 巷 两 收稿 日期 2 0 1 70 60 8 作者简介 王玉豪 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山西平遥人 ， 2 0 1 2年毕业于河南理工大学 ， 助理工程师， 主要从 事煤矿 瓦斯抽采工作 f Em a i l 1 7 3 8 8 9 0 4 2 1 q q ． c o rn l 2 山 西 焦 煤 科 技 2 0 1 7年第 7期 表 l 煤 层及顶底板物理力学参数表 帮 的应 力分 布进 行研 究 ， 采用 o h r C o u l o mb准则 以 下 简称 M c准 则 作 为各类 岩 体 的屈 服 准则 ， M C准 则 式 1 ort ．or r 1 n ‘ 1 S l n l sl ‘ D 一 式 中 or ， 和 o r ， 一 分别 为岩 体单 元 的切 向应 力 和径 向应 力 。 MP a； 一 岩 体 内摩擦 角 ， 。 ； c 一 措体 的 内聚力 ， MP a ． 数 值模 拟结 果 见图 1 ．南于 煤 巷 掘进 ， 巷 道 围 岩 发生塑性 变 形 ， 应 力 现 重新 分 布 。围岩切 向应力 的 分 布云 图见 图 l a ， 由 l a 可 以看 ， 巷 道两 帮卸 压 区为 0～ 6 I l l ， 峰值切 向应力 出现在煤体 内 1 0 IT I 处 。 巷 帮 径 向应 力 分 布 云 冈 见 冈 1 b ， 南 冈 l b 可 以 看 { ， 在距 巷道 顶 板 l 8 I n处 以及距 巷道底 板 1 0 n l 处 出 现 应 力集 中 。 F } f 于 巷 道 开 挖 ， 巷 道 围岩 出 现 塑 性 区 域， 该区域在煤层 中达到了 8 I T I ， 见图 l c ．根据数值 模 拟 的结 果 叮以 初 步确 定 1 0 6 1 0 T 作 面 轨道 巷 的 封 孔 深度 为 8～l 0 1 1 3 ． 考虑到 1 0 6 1 0工作面煤 巷掘进过程 巾采用 了千 米钻 预抽 掩 护掘 进 的方法 ， 为了 防止 由于在 打钻 中出 现 “ 串孔 ” 导 致 钻 孔 漏 气 ， 封 孔 深 度 应 当大 于 煤 巷 掘 进 的掩护 范 围 。马 兰 矿 1 0 6 1 0 作 面轨 道 巷 的掩 护 范 匍 为 l 5 m， 因此 封 孔 深度 应 当大 于 l 5 m．由 于 马 矿采用 4 m ／ 根 的抽采 管 以及 3 m ／ 根 的囊 袋式 封 孑 L 器 ， f 火 I 此 封孔 深度 可 以定 为 4 m／ 根 X 43 m， 即封 孔 深 度 最终 定 为 1 9 Il 1 ．该 深度 虽然 远大 于 1 0 i n的应 力 峰值 点 ， 但是 该 应 力峰 值 点是在 无掩 护钻 进 的情 况下 得 出的 ， 并 且 南 于 掘 前 的 瓦 斯 预 抽 ， 封 孑 L 深 度 定 为 l 9 n l 后 的抽 采 不会 导致 抽采 空 白带 的 现 。 3 囊袋 式 注 浆封孔 技 术 针 对马 兰矿 采用 原封孔 方 法导 致漏 气严 重 ， 瓦斯 一3 O ． 2 0 一 l 0 0 l 0 2 O 3 O 7 n 1 a 巷 帮切 向应 力分布 ll c． I - l I ． 1 一 一． 一 ． ． 一一一_ ．3 O 。 2 O l O O 1 0 2 0 3 O 7 m b 巷帮 径向应力 分布 r___________●____________________-__________________●_●●__●______。。。。。。。。。。。。。____。。●-● I 】 l _ l c 由于煤巷开掘围岩的塑性区 l 数值模拟结果 罔 浓 度低 的问 题 ， 采 用 了河 南理工 大学 开发 的囊袋式 注 浆 封孔技 术 并将 该技 术应 用 于 1 0 6 l 0_T作 面 轨 道 巷 的本煤层 瓦 斯预 抽 。 囊 袋式 注浆 封孔 技 术 的核 心 是 囊 袋式 注 浆 封 孔 器 ， 两囊 袋封 孑 L 器见 图 2 ．主要 南复 合 囊 袋 、 安 全 阀 、 注浆阀及引流装置等部件组成。 钢环 单 I r iJ 阀 双孔管 引流装置 _ ● 网 2 囊 袋式注浆封孔器 罔 囊 袋式 注浆 封孔技 术 原理 为 1 将 注浆管 与 引流装 置 连接好 后将 两 囊 袋封 孔 器放入 本煤 层 钻 孔预 定 的封 孔 位 置， 同时 准 备注 浆液 。 2 将 准 备好 的浆 液 泵 人封孔 器 ， 膨 胀 囊 袋 内部 替 - - _ ． _ ● ■巴■■■■■ I／ Z 如 m 0 隰 墓～ ■叠■●■一 、 l l 加 m 0 邶 珈 2 0 1 7年 第 7期 王玉 豪 马兰矿 囊袋式 注浆封 孔技 术 的应 用 l 3 首先充浆 ， 注浆压力下囊袋逐渐膨胀并接触钻孔壁 。 而后 当注浆 压力 达 到 0 ． 8 MP a 左 右时 ， 中间 的注浆 控 制 阀 自动 开 启 ， 注浆 压 力 迅 速 降 低 至 0 ； 之后 对 两囊 袋之 间 的 区域进 行 注 浆 ， 随 着 浆 液 注 满 中 间 区域 ， 注 浆压 力再 次 升高 ， 当压 力 值 达 到 1 MP a时 ， 安 全 控 制 阀开启 ， 注浆封孔结束 。 通过囊袋式注浆封孔， 钻孔可以充分被封堵， 并且 注浆压力可以为钻孔壁提供主动支护作用， 通过主动 支护降低钻孔的漏气圈发育， 进而降低钻孔漏气 ． 4 工 程应 用 将囊袋式注浆封 孔技术应用 到马兰矿 1 0 6 1 0工 作 面本 煤 层 瓦斯预 抽 ， 以每个 钻 孔联 管 开始抽 采 为时 间基 点 ， 统 计 每个 钻 孔 预 抽 1 0 0天 的 瓦斯 浓 度 ， 并 对 比采用 聚 氨酯 封孑 L 的 瓦斯浓 度 ， 统计 结果 见 图 3 ． s叫 嚣 l- 磊 技 术 0 。 I．-．． ．-。 。l 毛 - 、 ， ’‘。、 ～ 一 一 ．、 ． O 2 0 40 6 0 8 0 预 抽时 问／ d 图 3 预抽 1 0 0天 内瓦斯浓度对 比曲线图 由图 3可以看出， 随着预抽期延续 ， 聚氨酯封堵 的钻孔瓦斯浓度持续下降， 在第 1 0 0天平均瓦斯浓度 降 低至 6 ％ ， 而 采用 囊袋 式封 孔 技术 的钻 孔 瓦斯 浓 度 一 直保 持较 高 的浓度 ， 在 第 1 0 0天 平 均浓 度 为 4 0 ％ ． 并 且经 过 1 0 0天 的预 抽 聚氨 酯 封 孔 的平 均 瓦斯 浓 度 为 1 7 ％， 囊袋 式 注浆 封孔 技 术 的平 均 瓦斯 浓度 为 4 6 ％．由此可 以看出 ， 囊袋式注浆封孔技术在 1 0 6 1 0 工作 面 瓦斯 抽采 中发 挥 的效 果 优 于 原来 的 聚氨 酯 封 孑 L 技 术 。 5 结 论 通过数值模拟以及工程试验 的方法研究 了合理 封孔 深度 和封 孑 L 技 术这 两个 瓦斯 抽采 中的关键 问题 ， 得 出以下 结论 1 马 兰 矿 1 0 6 1 0工 作 面 轨 道 巷 的卸 压 范 围 为 0～6 m， 塑 性 区 范 围为 8 m， 峰 值 应 力 出现 在 1 0 m 处 ， 但 是考 虑到 煤巷 的掩 护式 掘进 以及 抽采 管路 的尺 寸特点将封孔深度定为 1 9 m． 2 引入囊 袋 式 注浆 封 孑 L 技 术 ， 并 结 合 现 场 实践 介 绍 了两囊 袋封 孔 器 的工 作 流程 。通 过 工程 应用 的 对 比， 可以看出囊袋式注浆封孔技术可 以有效地封堵 本 煤层 钻孑 L ， 预抽 1 0 0天 内的 瓦斯 平 均浓 度 为 4 6 ％ ， 远 高 于聚氨 酯 的平均 瓦斯 浓度 1 7 ％ ． 参 考 文 献 [ 1 ] 陈冬冬 ． 亚美 大宁煤 矿定 向水平长钻孔 预抽煤层 瓦斯合理预抽期研究 [ D] ． 河南理工大学 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 殷 民胜 ， 鲁剑波． 黄陵矿 区瓦斯立体综合预抽技术及实践 [ A] ． 煤矿瓦斯地质与抽采利用研究一陕西省煤炭学会年会论文集[ C ] ． 北京 煤 炭 工 业 出 版 社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 王海东 ， 景立平 ， 曹宇 ， 等 ． 顶底板抽采巷在高突工作面瓦斯治理 中的应用 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 2 ， 4 3 6 1 0 21 0 4 ． [ 3 ] 王志明． 车集矿 2 7 0 5工作面合理封孔深度研究[ J ] ． 山西焦煤科技 ， 2 0 1 4 1 2 2 1 2 4 ． [ 4] 丁守垠 ， 李德参． 煤层抽放钻孔合理封孔深度 的确定 [ J ] ． 淮南职业技术学院学报 ， 2 0 0 9 ， 9 1 46 ． [ 5 ] 王志明 ， 封海鹏 ， 陈兵． 基于钻屑法顺层钻孔合理封孔深度 的研究 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 1 5 ， 3 4 5 1 6 41 6 5 ． [ 7 ] 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 39 5 8 ． [ 8 ] 黄鑫业 ， 蒋承林． 本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 4 5 4 8 ． [ 9] 张超 ， 林柏泉 ， 周延 ， 等． 本煤层近水平瓦斯抽采钻孔“ 强弱强” 带压 封孔技术研究 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 1 3， 3 0 6 9 3 59 3 9 ． [ 1 0] Z h a i C， Xi a n g X， Z o u Q， e t a 1 ． I n fl u e n c e f a c t o r s a n a l y s i s o f a fl e x i b l e g e l s e a l i n g ma t e r i a l f o r c o a l - b e d me t h a n e d r a i n a g e b o r e h o l e s [ J ] ． E n v i r o n me n t a l Ea r t h S c i e n c e s ， 2 01 6， 7 5 5 11 3． 1 1 1 2 l 3 王志明 ， 孙玉宁 ， 王永龙 ， 等． 瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究[ J ] ． 中国安全生产科学技术 ， 2 0 1 6， 1 2 5 1 3 91 4 5 ． 刘泽 功， 袁亮 ． 首采煤层顶底板围岩裂隙内瓦斯储集及卸压瓦斯抽采技术研究[ J ] ． 中国煤层气 ， 2 0 0 6， 3 2 1 11 5 ． 王志明， 王永龙 ， 刘春 ， 等． 基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 6， 4 7 4 61 0 ． 下转第 l 7页 2 0 1 7年 第 7期 李 云 巷 式充填 开 采充 填体 合理 强度研 究 1 7 强度时 ， 继续增加充填体强度对覆岩下沉控制效果不 明显 。 第 二采 充 阶段 隔离 煤柱 采 出 ， 充 填体 作 为主 体承 载结 构 ， 由图 5 b 可 以看 出 ， 充 填 体 上 方 顶 板 下 沉 量 随着充填体强度增加 而逐渐降低 ， 当充填体 强度为 0 ． 6～ 0 ． 8倍煤体强度时 ， 煤层顶板 的最 大下沉值为 4 7 ． 8 8～ 4 3 ． 3 m m， 此 后 随着 充 填 体 强度 的 提 高 顶 板 最大下沉值的降低速率趋于平缓 ， 顶板下沉控制效果 变化 不 明显 。因此 ， 综 合 充 填 材 料 成 本 和 充 填 效 果 ， 确定 充 填体 合理 强度 为 0 ． 6～ 0 ． 8倍 煤 体强 度 。 4 结 论 1 理论计 算 得 出 ， 两 个 阶段 合 理 充 填 体 强 度 分 别为 5 ． 8 M P a和 6 ． 7 MP a ， 取 其较 大值 6 ． 7 M P a ． 2 数值模 拟 以第 一 阶段 隔离煤 柱垂 直 应力 和 两 个 阶段 顶 板下 沉量 为指 标 ， 模 拟 了不 同充 填体 强度 下 变化 曲 线 ， 得 出充 填 体 强 度 大于 0 ． 6～0 ． 8倍 煤 体 强 度以后 ， 其变化速率明显下 降， 得出充填体合理强度 应为 0 ． 6～0 ． 8倍 煤 体 强度 ， 即 6～8 M P a ， 与 理 论计 算结果相近 ， 可 以作为设计依据。 参 考 文 献 吕文玉． 河流下条带充填开采 可行性 分析 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 3 1 1 2 0 1 2 0 3 ． 李家卓 ， 马学 民， 吴 志坚 ， 等 ． 矸石充填置换条带遗 留煤柱技术 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 3 1 1 9 4 9 7 ． 许家林 ， 尤琪 ， 朱卫兵 ， 等 ． 条带充填控制开采沉 陷的理论研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7， 3 2 2 1 1 91 2 2 ． 许家林 ， 钱鸣高 ， 朱卫兵 ， 等． 覆岩 主关键层对地表下沉 动态 的影 响研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 5 7 8 77 9 1 翟群迪 ， 周华强 ， 侯朝炯． 煤矿膏体充填开采工艺 的探讨 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 4， 3 2 1 0 6 7 6 9 ． 刘鹏亮． 邢东矿充填巷式开采数值模拟与现场实测研究 [ D] ． 北京 煤科 总院北京开采所 ， 2 0 0 7 ． 谢德瑜． 建筑物下矸石充填巷式开采技术研究 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 1 9 3 13 3 ． 颜丙双． 王 台铺煤矿高水材料巷柱式采煤充填技术研究 [ D] ． 北京 煤科总 院开采设计研究分院 ， 2 0 1 3 ． 黄玉诚 ， 武洋 ， 常军． 似膏体巷式充填采煤技术及应用 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 4， 4 2 1 3 7～3 9 ． S t u d y o n Re a s o n a b l e S t r e ng t h o f Fi l l i n g Bo d y f o r Ro a dwa y Fi l l i n g M i n i ng LI Yan Ab s t r a c t T a k e s p r a c t i c e o f b a c k fi l l i n g i n S i h e c o a l mi n e a s e n g i n e e r i n g r e s e a r c h o b j e c t ， t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n a r e u s e d t o a na l y z e t he r e a s o n a b l e s t r e n g t h o f fil l i n g b o d y．I t c a l c u l a t e d 6． 6 7 MP a t he o r e t i c a l l y f o r fil l i ng b o d y，a n d nu me r i c a l s i mu l a t i o n o b t a i n e d t ha t t h e r e a s o n a b l e s t r e n g t h o f f i l l i n g b o d y i s 0． 6～0． 8 t i me s c o a l s t r e ng t h，t h a t i s 6～8 MP a．Nu me r i c a l s i mu l a t i o n i s ba s e d o n t h e v e i c a l s t r e s s o f s h i e l d i n g pi l l a r a n d r o o f s u b - s i d e nc e a bo v e fil l i ng b o d y，t he t wo r e s ul t s a r e v e r y c l o s e r ，S O t he fi l l i n g b o d y s t r e n g t h i s d e fin e d a s 6 ～8 MPa ． Ke y wo r ds Ro a d wa y fil l i n g mi n i n g；F i l l i n g bo d y；Re a s o na b l e s t r e ng t h；I s o l a t i o n p i l l a r ；Co a l s t r e n g t h 上 接 第 1 3页 ． Ap p l i c a t i o n o f Gr o u t i n g S e a l i n g Te c h n o l o g y wi t h Ca p s u l a r Ba g i n M a l a n Co a l M i n e W ANG Yuh a o Abs t r a c t Ai mi n g t o t h e s e r i o us l e a ka g e o f g a s dr a i na g e for o n o p e r a t i n g c o a l s e a m i n Ma l a n c o a l mi n e a n d t h e po o r dr a i na g e e f f e c t ，t h e r e s e a r c h i s c a r r i e d o u t ．The n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d i s a d o p t e d t o a n a l y z e t h e s t r e s s r e di s t r i b u t i o n o f t he r o a d wa y 1 0 61 0 z o n e，c o mb i ni n g wi t h t h e p r e d r a i n a g e a n d t h e r e a l s i z e o f t h e s e a l i ng p i p e s，t h e r e a s o n a bl e s e a l i n g d e pt h i s d e t e r mi n e d a s 1 9 m．T he b a g g r o u t i n g s e a l i n g me t h o d i s i n t r o d u c e d，t h e p r a c t i c e i n d i c a t e s t ha t t he g a s c o n c e n t r a t e b y b a g g r o u t i n g s e a l i n g ma i nt a i n s 4 6％i n 1 0 0d，b y p o l y ur e t ha n e s e a l i n g 1 7％ ，t h e f o r me r o b - t a i ns be t t e r e f f e c t ． Ke y wor ds Ga s d r a i n a g e；Re a s o n a b l e s e a l i n g d e pt h；Gr o u t i ng s e a l i n g t e c h no l o g y wi t h c a ps u l a r ba g 心