穿层瓦斯抽采钻孔通管直连新型封孔工艺研究_任培良.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 穿层瓦斯抽采钻孔通管直连新型封孔工艺研究 任培良 1， 王 迪 1， 郭香印1， 潘少杰2 （1．义马煤业 （集团） 孟津煤矿有限责任公司， 河南 洛阳 471142； 2．河南省煤层气开发利用有限公司， 河南 郑州 450000） 摘要 为了解决义煤集团孟津煤矿底抽巷穿层钻孔抽采浓度低、 衰减快的技术难题， 基于矿压 “三带” 理论， 分析钻孔围岩裂隙带分布， 明确钻孔抽放时可能漏气的通道， 通过工程试验， 确定 封孔段的长度和位置； 根据现场测量的钻孔抽放管不同部位的抽放浓度和地面试验， 分析抽放 管的漏气环节， 确定了抽放钻孔通管直连的连管方式； 封孔注浆方面， 在分析钻孔封孔工艺流程 的基础上， 从水灰配比分析浆液终凝的膨胀率， 从注浆工艺改进封孔器， 经地面和现场试验， 得 出合理水灰比 1∶2 和两堵两注封孔器。 综合封孔工艺全过程， 提出通管直连带压封孔技术。结果 表明 采用通管直连带压封孔技术提高钻孔抽采浓度到原来的 2 倍以上。 关键词 穿层钻孔； 封孔工艺； 通管直连； 抽采浓度； 漏气类型 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020） 02－0034-04 Study on New Sealing Technology for Single Tube Connection in Through Layers Gas Drainage Hole REN Peiliang1, WANG Di1, GUO Xiangyin1, PAN Shaojie2 （1．Yima Coal Industry（Group）Mengjin Coal Mine Co., Ltd., Luoyang 471142, China;2．Henan Provincial Coalbed Methane Development and Utilization Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China） Abstract To solve the technical problem of low concentration and rapid attenuation of drilling in floor gas drainage gateway of Mengjin Coal Mine, we analyze the distribution of the fracture zone in the surrounding rock of the borehole, make clear the channel that may leak when the borehole is drained, and determine the length and position of the sealing section through the engineering test; according to the in-situ measurement of the extraction concentration of different parts of the borehole drainage pipe and the ground test, the leakage link of the drainage pipe was analyzed, and the connecting mode of the drainage pipe through the borehole was determined; in terms of sealing hole grouting, based on the analysis of drilling hole sealing technological process, the expansion rate of the final set of slurry was analyzed from water-cement ratio of 1∶2, and the improved sealing hole was obtained through the ground and field tests． The whole process of hole sealing technology is integrated． The results show that the concentration of borehole extraction can be increased to more than 2 times of the original by using the technology of straight through pipe and joint sealing． Key words through layers borehole; hole sealing process; single tube connection; drainage concentration; leakage type 利用底 （顶） 板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区 域防突措施已经成为煤与瓦斯突出矿井井下除开采 保护层外区域防突的最基本措施。因此，穿层钻孔 封孔质量与钻孔预抽煤层瓦斯效果直接相关，并影 响着采掘接替。开展穿层钻孔封孔工艺改进研究对 煤矿区域防突有重要意义。陈勇[1]研究表明 注浆封 孔工艺相对聚氨酯封孔工艺，抽采钻孔能更有效的 抽采煤层瓦斯、缩短消突和抽采达标的时间。黄鑫 业、 王振锋等[2-3]研究表明带压注浆实现封堵瓦斯泄 漏微孔、裂隙通道，从而达到提高瓦斯抽放效果的 目的。孟津煤矿使用注浆带压封孔工艺，但抽采效 率仍然满足不了采掘接替计划。为此，在分析原有 封孔工艺的基础上，经反复试验，提出通管直连带 压封孔的封孔工艺。 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．009 任培良， 王迪， 郭香印， 等．穿层瓦斯抽采钻孔通管直连新型封孔工艺研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 34-37． REN Peiliang, WANG Di, GUO Xiangyin,et al． Study on New Sealing Technology for Single Tube Connec－ tion in Through Layers Gas Drainage Hole ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 34-37．移动扫码阅读 34 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 孔号 煤厚 /m 初始 浓度/ 第 1 次测量浓度/第 2 次测量浓度/第 3 次测量浓度/ 孔口 弹簧管 中部 单孔 测量口 孔口 弹簧管 中部 单孔 测量口 孔口 弹簧管 中部 单孔 测量口 202-9 2.5 36575256504520554730 202-12606063600001250 202-1383939093959694969682 202-1468806055638365808379 148-14 3.5 80645050401014383022 148-10 补 1712622282422261955 148-995633332503433756045 表 1“两堵一注” 封孔器试验数据统计 Table 1Statistics on test data of sealing devices 1原有封孔工艺 原有穿层钻孔封孔采用 “两堵一注” 封孔器和拼 接式连管工艺，即钻孔成孔后，向孔内送入 φ50 mm2 000 mm 封孔管（丝扣或插接式连接） ，采用 “两堵一注” 封孔器封孔， 孔口利用 φ50 mm 弯头与 弹簧管连接汇集到 φ108 mm 汇总管。 统计原封孔工 艺抽采数据， 钻孔始抽浓度在 6.4～90之间， 平均 41.4， 浓度大于 60的钻孔占 28， 抽采 10 d 后 浓度衰减至 2～25；巷道内抽采干管浓度 2.2～ 5； 地面抽采泵站浓度 1～2.5。钻孔浓度低， 衰 减快。为此通过地面试验模拟和井下测定数据来分 析抽采浓度低和衰减快的原因。 1.1地面试验模拟 试验分别采用 φ100 mm 塑胶透明管 （3 m） 、 φ100 mm 透明软管 （3 m） 、 φ100 mm 钢管 （3 m） 6 根 共进行 9 次模拟钻孔注浆封孔试验， 目的确定封孔 器的参数及注浆压力。两堵一注”封孔器试验数据 统计见表 1。 对试验结果进行分析，“两堵一注” 封孔 器的爆破阀和注浆压力不稳定，并且与囊袋长度有 关联， 囊袋越长， 注浆压力越高， 1 m 长度的囊袋能 保证注浆压力的相对稳定，注浆压力 2.5 MPa。另 外，有封孔管被压裂的现象和向封孔管内打压风试 验， 发现封孔管连接处有漏气现象。 试验浆液水灰比分别 0.7∶1、 1∶1、 1∶1.5、 1∶2。 试验 发现水的比例越少，最终强度越高。同时考虑的注 浆泵的输送能力， 最终确定 1∶2 的水灰配比， 强度能 较好的满足要求。 1.2井下连管漏气测定 在 12070 轨道底抽巷测试了 7 个钻孔，测定孔 口向汇集管连接段不同部位的抽采浓度并进行对 比， 测定顺序为 汇集管处测量口、 弹簧管中部和孔 口， 12070 轨道底抽巷钻孔连接管不同部位测定抽 采浓度统计见表 2。 实验 次数 囊袋长度 /m 爆破阀间距 /mm 爆破压力 /MPa 注浆压力 /MPa 10.5351.61.4 （峰值 ） 20.5351.41.6 （峰值 ） 31.0351.52.5 （峰值 ） 41.0351.52.5 （峰值 ） 50.5302.02.5 （峰值 ） 60.5281.8稳压 1.2 70.5281.41.4 （峰值 ） 80.9281.82.5 （峰值 ） 90.9261.82.8 （峰值 ） 表 212070 轨道底抽巷钻孔连接管不同部位测定抽采浓度统计 Table 2Statistics on extraction concentration in different parts of drilling step-pipe at the Bottom of Track 12070 由表 2 测定数据分析可知，孔口→弹簧管中 部→测量口的抽采浓度成衰减趋势；连接点密封良 好的情况下，测点浓度差别不大；因此减少连接节 点避免漏气， 能有效提高抽采浓度。 综合井上下试验， 分析抽采浓度低、 衰减快的因 素主要有 2 个方面 ①孔内因素 封孔段长度及其位 置不合理， 注浆量不足， 封孔管存在压裂现象， 封孔 管连接处不紧密， 存在漏气现象； ②孔外因素 连抽 管路接点较多 （孔口至 φ108 mm 汇总管存在 5 个接 点） ， 漏气环节较多； 管路巡护不到位， 对管路漏气、 积水等问题未及时处理。 2通管直连带压封孔原理 周厚权等[4]结合巷道围岩应力 “三带” 分布理 35 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 论，指出瓦斯抽采钻孔主要存在封孔器或封孔材料 与抽采管的间隙、封孔器或封孔材料与钻孔孔壁的 间隙和钻孔周围煤体存在的复合裂隙共 3 种类型的 漏气点。其中大多数研究者认为[3,5-6]， 钻孔封孔段长 度应超过巷道的塑性区。因此，钻孔的封孔不仅要 有效封堵巷道裂隙带， 还要封堵钻孔裂隙带。 通管直连带压封孔原理是利用整体式单一 PE 管替代原有插接式 PVC 实管，通过改进的囊袋式 “两堵两注” 封孔器进行封孔。通过减少连管的漏气 环节、 合理设置封孔段位置及长度、 特定注浆压力， 提高抽采浓度、 延长有效抽采期的目的。具体工艺 钻孔成孔后， 扫孔， 钻孔煤段采用 φ40 mm 筛管， 筛 管与 φ40 mm 通管通过直连接头连接， 采用 “两堵两 注” 封孔器注浆封堵， PE 管利用直连接头 （φ40～φ50 mm ） 直接与 φ108 mm 汇总管连接。通管直连封孔工 艺示意图如图 1。 图 1通管直连封孔工艺示意图 Fig．1Diagram of the technology of the single tube connection 通管直连封孔工艺与原有封孔工艺用的封孔器 主要区别①取消封孔器不稳定爆破压力的爆破 阀，增加了过滤网；②将封孔器前后一体式囊袋改 为分体式， 囊袋长 1 m， 注浆管采用快接连接； ③封 孔管由拼接式改为通体式， 减少漏气节点。 新型 “两堵两注” 封孔器， 通过注浆管先将前后 囊袋涨起封堵两端，再利用中间段注浆管封堵前后 囊袋之间段，通过滤网过滤出注浆液中多余的水 分， 达到确保注浆量的目的， 稳压 2 min。 由于封孔器过滤网的作用，钻孔内的注浆量得 到保证，在水泥凝固膨胀期间，由于膨胀压力将模 拟钻孔的塑胶管胀破。 3封孔参数确定 3．1注浆压力的确定 合理的注浆压力是为了有效封堵钻孔成孔时产 生的孔壁裂隙。王振锋， 周英等[3]提出主动支护式注 浆封孔原理， 认为支护压力达到 1．6 MPa 时， 钻孔漏 气量基本为 0。何书建等[7]研究采用聚氨酯泡沫-压 力黏液封孔测定煤层瓦斯压力时，认为保证黏液压 力始终高于瓦斯压力 0．3～0．5 MPa。杨宏民等[8]研究 认为封孔浆液在细砂岩、砂质泥岩和泥岩中渗透的 注浆压力临界值分别为 4、 3、 2 MPa，超过临界值浆 液扩散半径随注浆压力增加的趋势不明显。 综合以上专家的研究成果， 经过井上下试验， 确 定了孟津煤矿穿层孔的注浆压力为 2．5 MPa。 3．2封孔段长度的确定 通管直连带压封孔工艺，由于其封孔段为单根 实管， 且用囊袋式 “两堵两注” 封孔器， 这就使得封 孔段的位置及长度可以根据需要确定， 方便有效。 根据矿压 “三带” 分布理论[9-10]， 沿钻孔轴向方向 应力状态可以分为应力降低区、应力增高区、原岩 应力区。 应力降低区巷道围岩松动， 裂隙发育。 通常 认为钻孔从孔口向里端的始封深度应超过应力降低 区。这种确定始封深度的方法忽略了塑性区的剪胀 扩容裂隙以及打钻过程二次扰动下产生的次生裂隙 影响[11]， 通常依据该方法取得的封孔深度一般偏小。 另外， 巷道成型后， 应力降低区沿巷道走向的分布不 是均匀的。基于以上分析，通管直连封孔段位置选 择在从钻孔里端 （见煤点） 向孔口的方向， 这就可以 保证封孔段位于原岩应力区和应力增高区。 4抽采效果考察 试验在孟津煤矿 12070 工作面中部底抽巷进 行， 巷道 4．5 m （宽） 3．4 m （高） 。 主采煤层为二1煤， 倾角 3～7， 平均厚度 3．02 m， 煤层瓦斯含量 7．41～ 10．68 m3/t， 煤层瓦斯压力 0．1～1．35 MPa。煤层底板 主要为泥岩和砂质泥岩，少量为粉砂岩或细砂岩， 厚度 1．6～11．95 m， 一般 2．5～6．00 m 之间， 基本底为 泥岩夹细砂岩。 每组钻孔 15 个， 开孔间距 2 m， 终孔 间距 6 m， 钻孔布置示意图如图 2。 在 12070 中部底 抽巷内 286 m 钻场采用的传统拼接连管， 316 m 和 36 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2钻孔布置示意图 Fig.2Diagram of drilling arrangement 图 3不同连管封孔工艺抽采效果对比 Fig.3Comparison of extraction data of different sealing techniques 322 m 2 个钻场分别采用的硬质通管直连和软质通 管直连。 采用通管直连的封孔工艺和传统拼接连管的封 孔工艺分别封孔 1 个钻场， 各 15 个钻孔， 并对钻场 的抽采瓦斯进行了 30 d 的测量， 不同连管封孔工艺 抽采效果对比如图 3。 通管直连钻孔初始抽浓度较高，达 87以上； 传统封孔连管钻孔平均始抽浓度为 41.4，通管直 连钻孔平均始抽浓度为传统封孔连管钻孔的 2 倍以 上。并且衰减期延长。 5结论 1） 采用通管直连封孔技术不仅解决了原有封孔 工艺中连接点过多、 漏气点多、 不宜管理的问题。且 封孔成功率高， 提高了钻孔利用率。 2） 封孔段位置选择从见煤点向孔口方向封孔， 避免了始封深度的不确定性，可以推行标准化的封 孔长度。 3 ） 确定了孟津煤矿封孔注浆压力 2.5 MPa， 为推 行标准化流程化封孔提供了重要依据。 4 ） 通过通管直连封孔工艺与原有封孔工艺的对 比试验， 在 30 d 的封孔效果考察期内， 试验钻孔在同 一抽采时期的平均抽采瓦斯浓度提高到原封孔工艺 的2 倍以上。 参考文献 ［1］ 陈勇．不同封孔工艺对穿层钻孔瓦斯抽采效果影响的试 验研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （11 ） 99－101． ［2］ 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， 2011， 39 （10 ） 45－48． ［3］ 王振锋， 周英， 孙玉宁， 等．新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方 法及封堵机理 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （3 ） 588－595． ［4］ 周厚权， 申凯， 陈宾．瓦斯抽采钻孔漏气类型划分与高效 封孔技术应用研究 ［J］ ．矿业安全与环保， 2019， 46 （1 ） 33－36． ［5］ 黄瑞峰， 张志刚， 程波．井下抽采钻孔瓦斯浓度控制机理 及方法研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （5 ） 128－135． ［6］ 申宏敏， 毛桃良， 张雷林， 等．基于钻屑理论的抽采钻孔 合理封孔深度研究 ［J］ ．煤矿安全， 2014， 45 （8 ） 39－41． ［7］ 何书建， 张仁贵， 王凯， 等．新型封孔技术在煤层瓦斯压 力测定中的应用 ［J］ ．煤炭科学技术， 2003 （10 ） 33－35． ［8］ 杨宏民， 杨峰峰， 安丰华， 等．煤层瓦斯压力测定的合理 封孔注浆压力研究 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2015 （5 ） 13-17． ［9］ 吕志金， 欧阳辉．浅埋深首采工作面采空区 “三带” 分布 规律 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （9 ） 238－241． ［10］ 侯炳超， 陈志平， 彭晓利， 等．注氮影响下高瓦斯采空区 “三带” 划分 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （1 ） 187－189． ［11］ 魏风清， 刘少博．新义矿顺层抽采钻孔合理封孔深度确 定和应用 ［J］ ．煤炭技术， 2014， 33 （5 ） 46－49． 作者简介 任培良 （1980） ， 男， 河南开封人， 高级工程 师， 一级建造师， 注册安全工程师， 硕士， 2009 年毕业于河 南理工大学， 义煤集团孟津煤矿总工程师， 研究方向为煤矿 瓦斯灾害的预测与防治。 （收稿日期 2019-08-09； 责任编辑 王福厚） 37 ChaoXing