综采面瓦斯抽采钻孔密封机理及封孔技术研究.pdf

煤炭与化工 Co a l a nd Ch emic a l Indust ry 第42卷第6期 2019年6月 Vo l.42 No .6 Jun. 2019 煤矿安全环保与煤炭加工 综采面瓦斯抽采钻孔密封机理及封孔技术研究 陆承文 （西山煤电马兰矿，山西古交030200） 摘 要为保障马兰矿18308 X作面的瓦斯抽采效果，通过分析工作面原有封孔技术下瓦斯 抽采效果及钻孔密封机理，提出采用稠化膨胀浆体封孔技术进行封孔作业，结合工作面实际 情况对封孔工艺进行设计，并对应用效果进行对比分析。结果表明，18308工作面采用原有封 孔技术时，瓦斯抽采的浓度会逐渐降低至10,采用稠化膨胀浆体封孔技术，瓦斯抽采浓度 一直保持在60左右，保证了瓦斯高效抽采。 关键词钻孔密封；瓦斯抽采；稠化膨胀 中图分类号TD712 文献标识码B 文章编号2095-5979（2019）06-0086-04 Study on sealing mechanism and sealing technology of gas drainage in fully mechanized face Lu Ch engwen Medan Mine, Xishan Coal and Electricity Group, Gujiao 030200, China Ab st ra c t In o rder t o ensure t h e ga s dra ina ge ef f ec t o f t h e 18308 wo rking f a c e, t h ro ugh t h e spec if ic a na lysis o f t h e ga s dra ina ge ef f ec t a nd t h e drilling sea ling mec h a nism under t h e o rigina l sea ling t ec h no lo gy o f t h e wo rking f a c e, it wa s pro po sed t o use t h e t h ic kening expa nsio n slurry sea ling t ec h no lo gy t o sea l t h e h o le. Th e spec if ic c o ndit io ns o f t h e wo rking f a c e were designed f o r t h e sea ling pro c ess, a nd t h e a pplic a t io n ef f ec t s were c o mpa red a nd a na lyzed. Th e result s sh o wed t h a t t h e c o nc ent ra t io n o f ga s ext ra c t io n wa s gra dua lly reduc ed t o 10 wh en t h e 18308 wo rking f a c e a do pt ed t h e o rigina l sea ling t ec h no lo gy. Th e t h ic kening expa nsio n slurry wa s used t o sea l t h e h o le c o nc ent ra t io n, a nd t h e ga s dra ina ge c o nc ent ra t io n wa s c o nsist endy ma int a ined a t a b o ut 60, wh ic h ensured t h e ga s dra ina ge ef f ic ienc y. Key wo rds b o reh o le sea l; ga s dra ina ge; t h ic kening expa nsio n 1工程概况 1.1工作面概况 马兰矿18308工作面位于南一下组煤下山采 区，工作面采用U型通风系统，由皮带巷进风， 轨道巷回风。工作面总配风量为1 764mB/min,倾 斜长242 m,走向长1 955 m,所采煤层为8号煤 层，煤层均厚4.06 m,平均倾角4。，工作面瓦斯 压力在0.53 0.62 MPa ,渗透性系数为0.2 0.5 m2/MPa 2, 18308工作面采用顺层钻孔的方式进行瓦 斯预抽作业，有效防止工作面区域瓦斯的超限 情况。 1.2原始封孔技术及效果分析 18308工作面采用顺层钻孔的方式进行瓦斯预 抽作业，工作面共计有顺层钻孔153个，钻孔的孔 深为115 m,顺层钻孔的倾角在-2。3 ,抽采 作业时抽采负压为20.5 kPa ,工作面顺层钻孔原有 的封孔工艺采用“两堵一注”带压注浆对钻孔进行 有效封孔作业，“两堵”即在孔口 1m的长度和 16 m的长度分别采用聚氨酯和囊袋进行有效封堵, “一注”即采用微膨胀水泥，设置水灰比为1 0.7, 设置注浆压力为2 MPa ,将膨胀水泥注入封孔段 内，两堵一注的封孔长度为12 m,具体“两堵一 注”封孔工艺形式如图］所示。 责任编辑高小青 DOI 10.19286/j.c nki.c c i.2019.06.024 作者简介陆承文（1984）,男，贵州锦屏人，助理工程师。 引用格式陆承文.综采面瓦斯抽采钻孔密封机理及封孔技术研究［J］.煤炭与化工，2019 , 42 （ 6） 86-89. 86 陆承文综采面瓦斯抽采钻孔密封机理及封孔技术研究2019年第6期 1 2 3 4 5 ] L r 丁。「2 s 1 6 7 1-返浆管；2-抽采管；3-注浆管；4-囊袋注浆管；5-聚氨酯；6-爆破 阀；7-囊袋；厶-聚氨酯封孔段；乙-囊袋封孔段；厶-水泥砂浆封孔段； Ly-巷道卸压带长度；Zi 1 m; 2 1 m; L3 12 m; Z4 5 m 图1瓦斯抽采钻孔原有封孔工艺示意 Fig. 1 Origina l sea ling t ec h no lo gy o f ga s ext ra c t io n drilling 18308工作面顺层瓦斯抽采钻孔的抽采负压为 20 kPa ,抽采钻孔的孔径130 mm,在工作面瓦斯 抽采期间，通过对抽采浓度数据的记录，从记录数 据中挑出2个瓦斯抽采效果较好的钻孔，选择的钻 孔为21_1号和28-2号钻孔，其中21_1号钻孔的 孔深为115.6 m,倾角为2.5。，28_2号钻孔的孔 深为115.3 m,倾角为1.5。o根据2个钻孔瓦斯抽 采浓度记录的数据，能够反映出大部分钻孔的瓦斯 抽采浓度，21-1号、28-2号钻孔瓦斯抽采浓度随 a 21-1号钻孔 图2瓦斯抽采浓度变化曲线 Fig. 2 Va ria t io n c urve o f ga s ext ra c t io n c o nc ent ra t io n 由图2可知，抽采初期瓦斯抽采浓度在50 左右，且随着抽采时间的增大，瓦斯抽采浓度的衰 减速度很快，在抽采作业710d后，瓦斯的抽采 浓度基本已经降低至30以下，在抽采作业30 d 后，瓦斯的抽采浓度已经降低至10左右。由此 可知，工作面瓦斯抽采钻孔的密封存在明显的 问题。 通过对18308工作面现有封孔材料性能的研究 分析可知，现有“两堵一注”的封孔工艺，水泥浆 液1 1.07,浆液含水量高，浆液凝固后与钻孔壁 之间存在间隙，会形成漏气通道，同时设置注浆压 力为2 MPa时，水泥浆液在围岩裂隙内水分流失后 不能够对裂隙进行有效封堵，同样导致钻孔出现漏 气现象，基于此，为提高18308工作面的瓦斯抽采 效率急需对钻孔的封孔工艺进行有效优化。 2钻孔密封机理研究 瓦斯抽采钻孔密封技术是一种有效限制瓦斯抽 采钻孔内的瓦斯气体与巷道外侧的离层产生相互交 换的工程技术，在瓦斯抽采钻孔密封技术中密封件 对应着封孔材料，密封腔对应着抽采钻孔，被密封 流体对应着钻孔内的瓦斯气体，具体钻孔密封结构 如图3所示。 12 3 4 5 6 7 T T M 1 T TJ I I T F. i M i i i““l ill I K fl 1 -密封腔（钻孔）；2-被密封流体（钻孔内煤层气）；3-矿井来 压；4-密封件（钻孔密封段）；5-主抽米管；6-抽采管； 7-被密封流体（巷道一侧气体） 图3瓦斯抽采钻孔密封结构示意 Fig. 3 Sea ling st ruc t ure o f ga s ext ra c t io n b o reh o le 钻孔瓦斯抽采作业是一个连续且时间较长的过 程，在瓦斯抽采期间，钻孔一般会受到其他采掘活 动的影响进而出现不同程度的变形，由此可知，瓦 斯抽采钻孔的类型属于一种微动密封，瓦斯抽采钻 孔的特点要求封孔材料必须具有抵抗周围应力对钻 孔形状破坏的能力，此时便需要使封孔材料能够严 密的将钻孔的密封段充填满，进而对钻孔形成一定 的支护。基于上述要求即可知密封材料需具备较好 的膨胀能力，并且自身具备较好的抗压强度和致 密性。 针对瓦斯钻孔的密封而言，钻孔泄露的主要方 式为渗透和穿漏，在抽采钻孔的密封质量较差时, 此时钻孔壁面与封孔材料之间的间隙便成为穿漏 87 2019年第6期 煤炭与化工 第42卷 的主要通道，另一方面，当围岩体裂隙较发育时, 裂隙间相互贯穿会形成漏气通道，进而致使瓦斯 抽采钻孔较难实现高浓度高效的抽采作业；基于 上述分析知在进行瓦斯抽采钻孔密封作业时，需 要注意两个方面的问题①钻孔封孔段在使用的 封孔材料进行充填时，必须充填致密；②封孔材 料还需对钻孔周边的裂隙进行有效封堵，同时密 封材料需具备较高的抗压强度，进而减小钻孔周 围岩体裂隙的产生W］。基于上述抽采钻孔两种主 要的漏气方式可知，决定瓦斯抽采钻孔封孔质量 的关键因素为封孔材料。 3稠化膨胀浆体封孔技术 3.1稠化膨胀浆体封孔工艺 稠化膨胀浆体封孔材料是采用新型高膨胀水泥 基材料进行制作，该材料的膨胀倍数约为1.4倍, 使用该种材料时能够有效的对钻孔进行封堵，但该 种稠化膨胀浆体受温度的影响较大，在使用该种材 料时应尽可能的避免其在温度低于15花的环境下 使用，具体封孔工艺的步骤如下 1 连接设备。采用快接头将稠化封孔装置 与抽采钻孔内的抽放管路进行有效连接，并采用同 样的方式将装置的后端与新一节的抽采管路进行有 效连接，将连接好的抽采管路推入钻孔内，并继续 接入新的抽采管路，如此循环直至单体囊袋被拉 直；随后将整套封孔装置送达设计的封孔位置，随 后将注浆管路接入注浆系统，稠化封孔注浆设备的 系统布置如图4 a 所示。 2注浆。采用气动注浆泵进行封孔段的注 浆作业，随着浆液压力的逐渐升高，少量浆液会透 过囊袋渗入到钻孔壁面形成有效的接触，当注浆作 业结束后，稠化封孔材料逐渐开始凝固膨胀，使得 封孔材料被充填密实，同时较高的膨胀压力形成的 高应力区会使得钻孔得到较为可靠的支护，进而减 小漏气通道的出现。 稠化膨胀浆体封孔技术原理如图4 b 所示， 稠化膨胀浆体封孔技术具有以下的优点①能够主动 对抽采钻孔形成支护；②能够消除钻孔壁面与封孔 材料间的间隙；③能够高效提升钻孔的抽采浓度。 1-抽采主管路；2-单体囊袋；3-抽采管；4-注浆管; 5-注浆车；6-连接管；7-井下水管；8-井下风管 a 封孔设备系统示意 1 2 3 4 5 6 7 弋滋轆盼孑“KM力; b 稠化膨胀浆体封孔原理 图4稠化膨胀封孔设备系统及技术原理 Fig.4 Gelling expa nsio n sea ling equipment syst em a nd t ec h nic a l princ iple 3.2封孔试验方案设计 根据18308工作面的地质条件，在运输顺槽内 进行试验的钻孔共20个，其中采用稠化浆体封孔 技术的钻孔18个，将其命名为I类钻孔，2个钻 孔采用“两堵一注”工艺和稠化膨胀浆体材料相结 合的封孔工艺，将其命名为II类钻孔，考察孔即为 原有封孔工艺的钻孔，为分析试验钻孔附近的瓦斯 抽采效果，设计4种不同类型的钻孔布置方式，具 体如图5所示。 此次在运输顺槽内采用稠化膨胀浆体封孔技术 未对原有钻孔打设及布孔方式进行改变，钻孔孔径 均为130 mm,其中58-1号钻孔孔深为75 m,其 余钻孔孔深均为115.4 m,封孔长度均为12 m, 50-1号 67-1号钻孔采用稠化膨胀浆体进行封 孔，69-1号 69-2号钻孔时将原有的“两堵一 注”工艺和稠化膨胀浆体材料相结合进行封孔 作业。 2 m “Eb 1 2 ■转 O 50组 1 2 O O 55组 1 O 60组 .■试验孔琳试验孔H 考察孔 1 2 1 2 1 2 1 2】 OCOO； 51组 52组 53组 54组 1 2 1 2 -一西组一. 刃组 1 2 61组62组 1 2 1 2 O O 58 组 __59M _ 1 2 “ 1 2 ] O O 63组 64组 1 2 1 2 1 2 咯组。备组。喘组* 1 2 1 2 入组。气9沪] 图5试验钻孔布置形式示意 Fig. 5 Test drilling a rra ngement 88 陆承文综采面瓦斯抽采钻孔密封机輙封孔技术研究2019年第6期 50-1号 67-1号钻孔采用稠化膨胀浆体进行 封孔作业时，稠化膨胀浆体封孔工艺采用直径为 135 minx 10 m的单体囊袋，单个钻孔的用料量2 袋，封孔段的长度为10 m,设计长度12 m,剩余 2m钻孔长度段为在钻孔出现封孔失效时，采用聚 氨酯进行二次封堵作业。 3.3封孔效果分析 通过对18308工作面瓦斯抽采期间试验段钻孔 的瓦斯抽采浓度进行记录，能够得出采用稠化膨胀 浆体封孔技术和原有封孔技术钻孔瓦斯抽采浓度变 化曲线，对采用稠化膨胀封孔技术的52-1号的I 类钻孔、69-1号的II类钻孔及考察孔的瓦斯抽采 浓度进行具体分析，曲线如图6所示。 80 60 40 20 100 0 5 10 15 20 25 30 0 图6不同封孔方式下瓦斯抽采效果 Fig. 6 Ga s ext ra c t io n ef f ec t under dif f erent sea ling met h o ds 通过分析图6可知，在瓦斯抽采初期，采用稠 化膨胀浆体和原有“两堵一注”工艺稠化膨胀浆 体的钻孔抽采浓度均较高，保持在60以上，原 有“两堵一注”封孔工艺钻孔的抽采浓度在50 左右，根据钻孔采用原有“两堵一注”封孔工艺和 稠化膨胀浆体材料的封孔工艺的瓦斯抽采浓度一直 保持在80以上，即能够说明原有瓦斯抽采钻孔 封孔效果差的主要原因为原有封孔材料不能满足钻 孔密封的要求；根据30 d考察孔与试验孔的对比 曲线能够看出，考察钻孔的抽采浓度却表现出较快 的衰减，最终降低至10左右，而试验钻孔的瓦 斯抽采浓度均保持在60左右，表明瓦斯抽采钻 孔采用稠化膨胀浆体进行封孔或采用“两堵一注” 与稠化浆体相结合的方式进行封孔时能够对钻孔进 行有效封闭，实现钻孔长时间高浓度抽采。 4结语 针对18308工作面的具体地质条件，通过对工 作面原有封孔工艺下瓦斯的抽采效果及钻孔密封的 机理进行分析，提出采用稠化膨胀浆体进行有效封 孔作业，对具体的封孔各项参数进行具体设计，并 对应用效果进行监测分析，得出采用三位一体密封 封孔工艺的瓦斯抽采浓度一致保持在60左右， 可知稠化膨胀浆体封孔技术保证了抽采钻孔的安全 高效抽采。 参考文献 [1] 章光，吴金刚，杨龙杰.非等压应力场上向长距离穿层瓦 斯抽采钻孔密封长度研究[J].岩石力学与工程学报， 2018, 37（S1） 3 422 - 3 431. 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