两种瓦斯抽采钻孔封孔技术对比分析.pdf

2020年第3期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY 0 引言 我国绝大多数煤层属于低透气性煤层， 许多矿井 在瓦斯抽采钻孔封孔方面存在问题导致瓦斯抽采效果 不理想。现有的瓦斯抽采钻孔封孔方法存在不易操 作、 准备时间长、 成本较高等缺点， 此外还存在封孔深 度短 （通常深度小于12 m） ， 钻孔封孔成孔率低等问 题。瓦斯抽采效果差严重威胁着安全生产[1-3]。 本文以官地矿22612工作面瓦斯抽采钻孔为背 景， 采用分体组合式囊袋无管封孔技术和胶囊式注聚 氨酯封孔技术进行对比研究， 以选用更为合适的封孔 技术， 提高瓦斯抽采率， 保证工作面的安全。 1 钻孔封孔技术 1.1 分体组合式囊袋无管封孔技术 技术原理 将封孔用CE材料 （将膨胀剂和阳离子 絮凝剂进行微胶囊化处理后的活性胶囊加入添加了分 散剂的高分散度水泥浆中， 后将活性水泥浆与水溶性 树脂和增塑剂及偶联剂聚合的水溶性聚合物进行界面 复合得CE材料） 通过气动搅拌注浆泵将封孔浆液注入 可调式棉麻囊袋。单孔封孔时间10 min15 min， 封孔 深度10 m16 m， 现场可以根据实际条件进行调整。 封孔技术分为三个步骤（1） 推入囊袋， 向充水式抽采 管替代装置内注水， 使充水式抽采管替代装置体积膨 胀并在其表面裹上一层隔膜层， 随后通过充水式抽采 管替代装置将分体组合式囊袋塞入至钻孔中的预定深 度；（2） 密封固化管的形成， 通过注浆管向封孔段及两 端的囊袋注入CE材料， 待材料彻底凝固后， 将充水式 抽采管替代装置的水放出并退出该装置， 最终形成环 形的密封固化管；（3） 孔口端的处理， 选取长度为1 m 2 m的孔口转接管， 并通过树脂密封胶将其固定在钻 孔孔口端。该技术的封孔装置原理图见图1， 实物图 见图2[4-5]。 图1 分体组合式囊袋无管封孔装置原理图 图2分体组合式囊袋实物图 该装置有两个囊袋， 用ϕ16mm注浆管连接， 两个 囊袋的距离可任意调节， 即封孔深度可根据实际需要 调节， 适应性强。每个囊袋内设有一个单向阀， 连接两 囊袋的注浆管上有一爆破阀， 待两个囊袋注满， 爆破阀 处压强达到2 MPa时， 爆破阀打开， 向两囊袋间注浆， 待返浆管有浆液流出后， 表示该孔已注满。 1.2 胶囊式注聚氨酯封孔技术 胶囊式注聚氨酯封孔技术原理 采用长度为500 mm的ϕ64 mm聚氯乙烯封孔器1根， 将封孔器与3根 长度为4 m的64 mmPVC管连接， 中间用PE管专用胶 连接固定， 钻孔末端用聚氨酯封孔毛巾进行封堵。采 取胶囊带压进行聚氨酯注浆封孔技术， 封孔长度为12 m以上， 该技术封孔装置原理如11页图3所示。 两种瓦斯抽采钻孔封孔技术对比分析 邓 晨 （西山煤电 （集团） 公司安监局， 山西 太原， 030053） 摘要 为了提高本煤层瓦斯预抽浓度， 采用相应的理论分析和现场工业试验相结合的方法， 研究了瓦斯抽 采钻孔密封机理； 分析了分体组合式囊袋无管封孔技术及胶囊式注聚氨酯封孔技术， 并在官地矿22612工作面进 行了应用， 得到分体组合式囊袋无管封孔技术可使得瓦斯抽采浓度提高， 为相似矿井的瓦斯抽采提供技术经验。 关键词 瓦斯； 封孔技术； 抽采 中图分类号 TD712.6文献标识码 A文章编号 1000-4866 （2020） 03-0010-03 DOI 10.19413/ki.14-1117.2020.03.004 第3期 （总173期） 2020年6月 10 2020年第3期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY 图3 胶囊式注聚氨酯封孔技术装置 技术操作便捷， 操作时间短， 劳动强度低。操作时 需进行必要的防护作业， 设备清洗较为繁琐， 清洗不当 会造成设备堵死。封孔效果初期较为明显， 经过长期 负压抽采， 浓度衰减明显。单孔成本比其他技术高， 封 孔材料存储要求高， 运输劳动强度大。 2 工业试验 本次研究以官地矿3层22612工作面底抽巷为背 景， 采用以上2种封孔技术进行试验， 选用35个钻孔采 用分体组合式囊袋无管封孔技术进行封孔， 选用27个 钻孔采用胶囊式注聚氨酯进行封孔。最终通过瓦斯抽 采浓度进行对比。 2.1 工程概况 3层22612工作面地面位于风峪沟与刘家皮沟之 间， 盖山厚度为358 m700 m， 平均约529 m。22612工 作面井下位于中六采区东南部， 工作面四周均为未采 区。2煤层与3煤层间距约12.05 m。地面标高为1 360 m1 690 m， 工作面标高为961 m1 002 m， 底抽巷 位于老底中粒砂岩中， 走向长度为870 m。3层平均厚 度2.66 m， 煤层厚度从东北向西南方向逐渐变薄。3 层煤尘爆炸指数为17.27， 且为不易自燃煤层。工作 面布置如图4所示。 图4 22612工作面布置示意图 3层老顶为砂质泥岩， 厚度为7.32 m， 灰色， 下部 为灰黑色， 质不均， 斜层理， 含植物化石； 直接顶为泥 岩， 厚度为1.57 m， 黑色， 质不均， 松软、 破碎， 有挤压现 象； 直接底为泥岩， 厚度为1.83 m， 黑色， 性脆， 含炭量 较高， 含植物化石， 老底为中粒砂岩， 厚度为4.51 m， 灰 白色。根据官地矿工作面煤层具体地质参数， 可知3 层瓦斯含量 6.94 m3/t， 残存瓦斯含量 1.94 m3/t， 瓦斯 压力 0.58 MPa， 百米钻孔瓦斯流量 0.043 3 m3/min hm， 煤层透气性系数 3.164 29 m2/MPa2d， 孔隙率 4.24 ， 衰减系数 0.007 433d-1。 2.2 工作面钻孔布置 在22612工作面底抽巷瓦斯钻孔选取两种封孔技 术进行效果对比研究， 钻孔主要分布在电缆帮巷道侧 和风管帮巷道侧。电缆帮巷道侧共进行试验钻孔35 个， 孔号为72106， 因塌孔因素导致其中一个钻孔无 法进行封孔， 孔号为91， 实际封孔34个。风管帮巷道 侧共进行试验钻孔27个， 孔号为84110， 因塌孔因素 导致其中四个钻孔无法进行封孔， 孔号分别为85、 96、 98、 99， 实际封孔23个。试验钻孔布置方式见图5， 设 计钻孔参数见表1。 图5 22612工作面底抽巷瓦斯抽采钻孔布置示意图 表1 钻孔技术参数表 孔号 电缆帮巷道 侧72106 风管帮巷道 侧84106 倾角/ 0 0 方位角/ 270 90 孔深/m 180 180 孔径/mm 113 113 22612工作面底抽巷两帮共封孔57个， 采用两种 封孔技术， 分别为分体组合式囊袋无管封孔技术和胶 囊封孔器聚氨酯注浆封孔技术， 两种技术封孔长度 均为12 m， 钻孔孔口负压均为16 kPa， 抽采时间为30 天， 各孔的封孔技术见表2。 表2 22612工作面底抽巷钻孔封孔技术类型 电缆帮巷道侧钻孔 孔号 技术 孔号 技术 孔号 技术 风管帮巷道侧钻孔 孔号 技术 孔号 技术 孔号 技术 72 ○ 84 96 84 ○ 96 / 108 73 ○ 85 97 85 / 97 109 74 ○ 86 ○ 98 86 ○ 98 / 110 75 ○ 87 ○ 99 87 99 / 76 ○ 88 100 88 100 77 ○ 89 101 89 ○ 101 78 ○ 90 102 90 ○ 102 79 ○ 91 / 103 ○ 91 103 80 ○ 92 104 ○ 92 104 81 ○ 93 105 ○ 93 105 82 ○ 94 106 ○ 94 106 83 ○ 95 95 107 注 ○ 表示采用胶囊式注聚氨酯封孔技术； 表示采用分体组合 式囊袋无管封孔技术； / 废孔 2.3 瓦斯浓度分析 采用以上两种封孔技术封孔后， 对相关钻孔的瓦 邓 晨 两种瓦斯抽采钻孔封孔技术的对比分析 11 2020年第3期 同煤科技 DATONG COAL SCIENCE ＆＆ TECHNOLOGY 斯浓度进行观测记录， 为了有效的对比两种技术的优 劣， 现选取22612工作面风管帮巷道侧钻孔孔号89至 92孔、 电缆帮巷道侧孔号86至89孔的钻孔瓦斯抽采 浓度进行分析。 图6 风管帮巷道侧钻孔浓度变化图 图7 电缆帮巷道侧钻孔浓度变化图 图8 两种封孔技术瓦斯抽采浓度变化对比图 由图6和7所示， 22612工作面风管帮巷道侧采用 的2种封孔技术瓦斯抽采浓度始终保持缓慢波动， 可 以分析得到胶囊式注聚氨酯封孔技术的瓦斯抽采浓度 小于分体组合式囊袋无管封孔技术。采用分体组合式 囊袋无管封孔技术的钻孔除个别观测日外浓度始终高 于60， 而采用胶囊式注聚氨酯封孔技术的钻孔的浓 度处于4060之间。22612工作面电缆帮巷道侧采 用的2种封孔技术瓦斯抽采浓度均始终保持稳中有 降， 采用分体组合式囊袋无管封孔技术瓦斯抽采浓度 均高于采用胶囊式注聚氨酯封孔技术， 浓度始终高于 60， 采胶囊式注聚氨酯封孔技术的钻孔瓦斯抽采浓 度处于3060之间。 由图8可知， 2种封孔技术的浓度稳中有降， 且分 体组合式囊袋无管封孔技术瓦斯抽采浓度始终高于胶 囊式注聚氨酯封孔技术。采用分体组合式囊袋无管封 孔技术的4个钻孔的平均抽采浓度为72.2， 用采胶囊 式注聚氨酯封孔技术的4个钻孔的平均抽采浓度为 47.9。由此可知， 在22612工作面采用分体组合式囊 袋无管封孔技术可使得瓦斯抽采浓度提高24.3。 3 结束语 在官地矿22612工作面采用现场试验的方法， 测 试分析了分体组合式囊袋无管封孔技术及与胶囊式注 聚氨酯封孔技术瓦斯抽采钻孔密封效果， 得到采用分 体组合式囊袋无管封孔技术的4个钻孔的平均抽采浓 度为72.2， 用采胶囊式注聚氨酯封孔技术的4个钻孔 的平均抽采浓度为47.9。因此分体组合式囊袋无管 封孔技术可使得瓦斯抽采浓度提高， 为相似矿井的瓦 斯抽采提供了技术经验。 参考文献 [1] 黄 凡. 基于氧烛的胶囊粘液封孔技术研究[D].中国矿业大学,2019. [2] 乔元栋， 程虹铭. 基于COMSOL的顺层抽采钻孔漏气通及带压封孔 技术研究[J/OL].煤炭工程， 201907114-119[2019-11-15]. [3] 张 起， 魏国营， 秦宾宾 等. 基于蠕变变形的顺煤层钻孔筛管封孔技 术研究[J].中国安全科学学报， 2019， 2903133-138. [4] 汤红枪， 程健维， 王文滨 等. 瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液封孔技术 应用研究[J]. 煤炭工程， 2019， 510245-48. [5] 郑凯歌. 煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究[J]. 中国煤炭， 2017， 4310109-114. 作者简介 邓 晨 （1989-） ， 男， 大学本科， 2014年毕业于中北大学安全工程专 业， 现在西山煤电 （集团） 公司安监局工作， 通安助理工程师。 收稿日期 2019-12-25 Comparative Analysis of Two Kinds of Gas Drainage Borehole Sealing Technology Deng Chen （Safety Supervision Bureau of Xishan Coal and Electricity Group Co., Ltd.， Taiyuan Shanxi 030053， China） AbstractIn order to improve the pre drainage concentration of coal seam gas, the sealing mechanism of gas drainage borehole was studied by theoretical analysis and field industrial test; the technology of separated combined bag without pipe sealing and the technology of capsule injection polyurethane sealing were analyzed and applied in 22612 working face of Guandi mine. It was concluded that the technology of separated combined bag without pipe sealing could make the gas drainage concentration higher It provides technical experience for gas drainage in similar mines. Key wordsGas; sealing technology; Drainage 12