瓦斯抽采钻孔封孔用新型胶体材料性能及其封堵效果.pdf

王小朋,林桂玲. 瓦斯抽采钻孔封孔用新型胶体材料性能及其封堵效果[J]. 矿业安全与环保,2019,46556-59. 文章编号1008-4495201905-0056-04 瓦斯抽采钻孔封孔用新型胶体材料性能及其封堵效果 王小朋,林桂玲 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037 摘要为了改善煤层瓦斯抽采效果,其关键在于改进钻孔的密封方法。 针对本煤层顺层瓦斯抽采 钻孔,研制了以粉煤灰为基料,辅以纤维素类增稠剂、树脂、膨胀剂、保水剂、超细水泥和表面活性剂的 新型胶体材料,通过实验确定新型胶体材料的黏度、膨胀性和密封性能,在煤矿现场以每 4 个近水平本 煤层顺层钻孔为 1 组进行对照实验,对比常规水泥砂浆、聚氨酯和新型胶体材料的封堵效果。 结果表 明,传统封孔方式密封钻孔30 d 后抽采瓦斯浓度甲烷体积分数均在10以下,而采用新型胶体材料 封孔的可达到 40以上。 采用新型胶体材料封孔技术的钻孔,其抽采瓦斯浓度和流量明显高于常规 封孔方式,并且当钻孔发生变形后可进行二次补浆,实时封堵钻孔产生的新生裂隙,有利于煤矿瓦斯高 效持续抽采。 关键词瓦斯抽采;顺层钻孔;封孔技术;胶体材料;二次封孔;封孔效果 中图分类号TD712摇 摇 摇 文献标志码B 收稿日期2018-12-03;2019-07-30 修订 作者简介王小朋1982,男,山西运城人,硕士,副研 究员,主要从事瓦斯治理及利用方面的研究工作。 E-mail 18623001556163. com。 Properties and Sealing Effect of New Colloidal Materials for Drilling and Sealing for Gas Extraction WANG Xiaopeng, LIN Guiling CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China AbstractIn order to improve the gas drainage effect in coal seam, the key is to improve the sealing of boreholes. For the borehole extraction along this coal seam, a new type of colloidal material with coal ash as the base material and cellulose thickener, resin, expansion agent, water retention agent, superfine cement and surfactant as accessories was developed, the viscosity, expansibility and sealing properties of the new colloidal materials were determined by experiments. In the coal mine site, every 4 near-horizontal boreholes in this coal seam were taken as one group to conduct a controlled experiment to compare the sealing effect of conventional cement mortar, polyurethane and new colloidal materials.The results show that the concentration of gas extraction methane volume fraction was below 10 after 30 days of the traditional sealing , and the new colloid material can reach more than 40. The concentration and flow rate of gas extraction are significantly higher with new colloid material sealing technology than in conventional sealing . Moreover, the secondary grouting can be carried out after the deation of the borehole, so as to block the newly-ed cracks generated by the borehole in real time, which is conducive to the efficient and continuous extraction of coal mine gas. Keywordsgas drainage; bedding borehole; borehole sealing technology; colloid material; secondary sealing; sealing effect 摇 摇 钻孔瓦斯抽采是预防煤矿安全事故、减少环境 污染和提高煤层气利用率的关键技术手段。 目前, 我国大部分矿井存在瓦斯抽采钻孔封孔质量较差, 导致抽采效果不理想的情况,封孔材料和方法直接 影响到瓦斯抽采效果。 传统的封孔方法有黏土人工 封孔[1]、水泥砂浆封孔[2]、聚氨酯封孔[3]和封孔器封 孔[4-6]等。 近年来,诸多学者又研发了多种封孔材料 并提出了新型封孔技术, 如二次封孔方法及技 术[7-8]、PD 材料及配套封孔技术[9]、带压封孔技 术[10]等。 王振峰等[11]提出主动支护注浆封孔原理, 分析了瓦斯抽采钻孔漏气的主要原因;张超等[12]设 计了“强弱强冶带压封孔技术,用以改进单一高瓦斯 低透气性煤层近水平瓦斯抽采钻孔密封技术;倪冠 华等[13]将传统聚氨酯与膨胀水泥相结合,研究了 65 Vol郾 46 No郾 5 Oct郾 2019 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 刘彦伟等[14]在国内现有 注浆材料的基础上,研发了集吸能、防渗与强化功能 于一体的高性能注浆材料。 笔者总结分析了瓦斯抽采钻孔密封性较差的原 因,研究了一种新型胶体封孔材料,在实验室确定其 性能参数后,进行现场工程实践,对比了采用不同封 孔方法后单孔的抽采效果,可为抽采钻孔有效密封 提供参考。 1摇 材料研制及其性能测试 1郾 1摇 胶体材料研制 根据瓦斯抽采钻孔封堵要求[15],新型胶体封孔 材料应该具有一定的初始流动性,可渗入钻孔周边 裂隙之中,而凝固后结构致密,并且可保有一定的水 分,材料本身不收缩,可避免近水平钻孔月牙形裂隙 的产生,且材料本身无毒无害、价格低廉,适宜于井 下使用。 因此,新型胶体材料以廉价的粉煤灰为主, 粉煤灰质量比 1 份,下同是封孔材料的主要基料, 配以纤维素类增稠剂、树脂、膨胀剂、保水剂、超细水 泥和表面活性剂。 纤维素类增稠剂0郾 1 份可增加 材料黏性并使其保持流动性,且起到保水作用;树 脂0郾 05 份 可在材料内生成网状聚合物; 膨胀 剂0郾 02 份可使材料凝结时发生微膨胀,以填补材 料与煤壁之间的间隙;保水剂0郾 2 份可使材料吸 水饱和后,不易失水固化,保持流动性,随着钻孔变 形进行动态封堵;超细水泥0郾 02 份在增强胶体强 度的同时,可对煤层微小裂隙起到封堵作用;表面活 性剂0郾 05 份可使封孔剂与水快速混合,搅拌过程 中不易结块。 1郾 2摇 材料黏度及膨胀性测试 合适的水灰比对封孔剂的使用十分重要,选择 不同水灰比质量比分别为 8 颐 1、10 颐 1 和 12 颐 1 的水和封孔剂充分搅拌后,采用 NDJ-8S 型数显黏 度计对胶体材料的黏度进行测试,黏度计转速设置 为 500 r/ min,测试结果见图 1。 图 1摇 充分搅拌后胶体材料黏度变化曲线 从图 1 中可以看出,材料黏度值随时间先增大 后逐渐趋于稳定,在不同水灰比条件下,材料达到最 大黏度值后都出现不同程度的下降,且水灰比越大, 下降的幅值也越大,同时达到最大黏度值的时间最 短。 3 种不同水灰比条件下的最大黏度值分别为 7 749、6 705、5 500 mPas,在实际使用时,考虑到材 料的流动性和渗透性,在搅拌初期使其黏度值增加 幅度较小,稳定后黏度值较大,因此经过多次实验 后,确定胶体材料与水的最佳比例为 1 颐 10,不仅可 以较好地保持在封孔段空间中,而且可以有效渗透 到钻孔周边裂隙进行封堵,注浆时更为简便、用料 少,可注性高。 同时,为了保证封孔剂凝结不收缩,起到有效封 堵裂隙的作用,将封孔剂与水按照 1 颐 10 的质量比 进行混合并充分搅拌后,倒入量筒500 mL之中至 刻度线 400 mL, 将其作为初始体积 V0, 每间隔 30 min 读取一次刻度值 Vn,则Vn- V0 V0 伊100 即为材 料的膨胀率,测试结果见表 1。 表 1摇 胶体材料膨胀率 时间/ min体积/ mL膨胀率/ 304000 604000 904000 1204041郾 00 1504082郾 00 1804112郾 75 2104143郾 50 2404164郾 00 2704174郾 25 3004174郾 25 由表 1 可见,胶体材料在 90 min 后体积开始膨 胀,120 min 后膨胀率达到1郾 00,210 min 后膨胀率 增长缓慢,最终在270 min 后膨胀体积稳定不变。 因 此封孔剂与水混合后,能够向钻孔周围裂隙有效渗 透,并且经过一段时间后膨胀不收缩,起到封堵钻孔 的作用。 1郾 3摇 材料密封性能测试 材料的密封性能测试装置由真空泵、截止阀、压 力表、有机玻璃管、尼龙管等组成。 进行实验时,在 抽气端口留有 0郾 3 m 测压气室,在测压气室另一端 设置一挡板,竖起有机玻璃管,从注浆端放入一段浸 有聚氨酯的毛巾,待发泡凝固后作为堵头;保持 3 根 75 第 46 卷摇 第 5 期 2019 年 10 月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 保持竖立状态 3 d,待 封孔材料固结稳定后,进行对比实验,用真空泵对测 压气室进行抽气,观察压力表达到最大负压值后关 闭截止阀,停止抽气。 测压气室负压变化情况如图 2 所示。 图 2摇 材料密封性能测试曲线 由图 2 可见采用水泥密封的测压气室内最大 负压为 83 kPa,截止阀关闭后 48 min 测压气室内无 负压;采用聚氨酯封堵的测压气室内最大负压只有 40 kPa,且截止阀关闭后负压迅速下降,20 min 后测 压气室内即无负压;采用胶体材料密封的测压气室 内最大负压可达 95 kPa,截止阀关闭 60 min 后测压 气室内仍有较小负压,整个过程其负压减小的速度 最慢,密封效果优于聚氨酯和水泥。 2摇 现场应用效果对比 2郾 1摇 试验工作面概况及钻孔布置 李阳煤业有限公司矿井为高瓦斯矿井,煤层相 对瓦斯涌出量为 34郾 2 m3/ t,井田内可采煤层为 8 号、9 号、15 号煤层,其中 15 号煤层为稳定的全区 可采煤层,煤尘具有爆炸危险性且容易自燃,煤层厚 度 4郾 65 8郾 60 m,平均厚度 5郾 76 m。 该煤层顶板 为泥岩或砂质泥岩,底板为砂质泥岩或泥岩,顶底板 岩石透气性差,具有较好的气密性和储气能力。 选 择 15102 备用工作面采前预抽钻孔进行试验,所有 钻孔位置距离备用工作面 100 m 以上,采用不同封孔 方式对钻孔进行密封,考察封孔效果。 由于该区域为 备用工作面,煤体应力状态受采动影响较小,煤层进 行采前预抽,所选试验钻孔具有较强代表性。 钻孔 倾角为0毅 3毅,方位角为90毅,钻孔直径为113 mm, 长度为 100 m,钻孔间距为 2 m,抽采钻孔封孔长度 均为 12 m。 工作面钻孔布置如图 3 所示。 图 3摇 工作面钻孔布置示意图 2郾 2摇 封孔方法选择及注浆施工 将试验钻孔分为 3 组,每组之间间隔 5 m,其中 第 1 组钻孔1 4采用水泥砂浆封孔,第 2 组钻 孔58使用聚氨酯封孔,第 3 组钻孔912 使用新型胶体材料封孔并在钻孔瓦斯浓度明显下降 后进行补注浆液。 第 1 组采用常见的“两堵一注冶封孔工艺进行封 孔,两端堵头采用矿用聚氨酯封孔袋进行封堵,中间 注入水泥砂浆,待凝固后完成封孔。 第 2 组采用“卷 缠药液法冶将混合均匀的聚氨酯溶液倒入卷缠在抽 采管上的毛巾后,将抽采管迅速插入钻孔内,完成封 孔。 第 3 组采用新型胶体材料封孔技术进行封孔, 如图 4 所示。 1钻孔;2囊袋;3爆破阀;4囊袋注浆管;5球阀; 6胶体材料注浆管;7聚氨酯封孔袋;8胶体材料; 9瓦斯抽采管。 图 4摇 新型胶体材料钻孔封孔工艺示意图 具体实施步骤如下 1在 2 个囊袋的两端分别捆绑聚氨酯封孔袋, 并在囊袋与封孔袋之间设置一挡板;打开封孔袋并 挤压后,将瓦斯抽采管迅速插入钻孔内,孔口段聚氨 酯距离钻孔孔口 1 m。 2等待数分钟,在聚氨酯充分膨胀凝固后,通过 囊袋注浆管向两端囊袋注入膨胀水泥,当注浆泵压 力表指针不跳动后立即停止注浆,说明中部爆破阀 已起爆;随后通过胶体材料注浆管向钻孔内注入胶 体材料,待囊袋注浆管返浆时停止注浆,并在钻孔瓦 斯浓度明显下降后进行补注浆液。 2郾 3摇 瓦斯抽采效果对比分析 封孔完成后,将抽采管与抽采支管连接进行联 网抽采,每隔 2 d 对钻孔抽采瓦斯浓度和流量数据 进行记录,共记录 32 d。 3 组瓦斯抽采钻孔的平均 85 Vol郾 46 No郾 5 Oct郾 2019 摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 矿业安全与环保 Mining Safety 于少掘 1 条巷道,每米巷道 各项支护材料费及人工费分别为 1 890 元和 680 元, 计算得到节省巷道掘进费用约为 318 万元;盂采用沿 空留巷时材料费和人工费分别为 5 947、1 515 元/ m, 可计算出沿空留巷的总费用约为 925 万元。 根据上述计算数据,3213 综采工作面采用沿空 留巷技术的总经济效益为 1 997 万元。 2社会效益新景矿 3213 综采工作面采用沿空 留巷技术能够大大提高煤炭的采出率,解决矿井采 掘接替紧张的问题,有效降低工人的劳动强度、改善 作业环境,提高矿井的机械化程度。 5摇 结语 1结合新景矿 3213 综采工作面的具体情况,采 用数值模拟的方法对中厚煤层沿空留巷不同巷旁充 填体宽度下的围岩变形情况进行分析,并对数值模 拟确定的合理巷旁充填体宽度下充填体的承载力进 行验算,最终确定合理的柔模混凝土充填体的宽度 为 1郾 2 m。 2根据数值模拟结果与具体地质条件,设计 3213 综采工作面第一辅助进风巷留巷期间,基本支 护方式为锚杆锚索W 型钢带金属菱形网,巷旁 充填体宽度为 1郾 2 m,充填墙体上安设锚栓与钢带, 临时加强支护采用“一梁三柱冶的方式,临时加强支 护后在充填墙体两侧施工 2 排锚索,采用该种支护 方式进行留巷期间围岩控制。 3中厚煤层采用柔模混凝土充填体沿空留巷不 影响回采工作面的推进速度,留巷期间在设计支护 方案下,充填体横向和纵向变形量最大值分别为 165、105 mm,围岩顶底板和两帮的最大移近量分别 为 293、211 mm,满足沿空留巷的安全使用要求,且 3213 综采工作面采用沿空留巷技术带来的经济和 社会效益显著。 参考文献 [1] 康红普,牛多龙,张镇,等. 深部沿空留巷围岩变形特征 与支护技术[J]. 岩石力学与工程学报,2010,2910 1977-1987. 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