顺煤层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺_李孜军.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 COAL GEOLOGY 2.淮北矿业有限公司祁南矿防突区，安徽宿州234000 摘要瓦斯抽采效果在很大程度上取决于封孔方法和封孔质量．针对祁南矿原有封孔工艺封孔深 度不够和材料本身的弱点，对钻孔封孔原有的工艺进行了改进．通过增加封孔深度、采用新式封 孔材料等，避免了短路风流，减轻封孔管略中负压的消耗，并使抽采瓦斯的体积浓度提高了 25～50，提高了生产效益． 关键词瓦斯抽放；Ji顶层抽采；封孔工艺 中图分类号TD712.6文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.03.024 Hole sealing of bedding gas drainage borehole LI Zijun 1, CHEN Yanli 1, ZHU Zhuangguan2 1. School of Resources and Safety Engineering, Central South Universi纱，Changsha410083, China; 2. The Gas Outburst Prevention Department of Qinan Coal Mine, Huaibei Mining Co., Ltd, Suzhou 234000, China Abstract The gas extraction effect largely depends on hole sealing and hole sealing quality. Aiming at the insufficient sealing depth and weakness of sealing materials of the existing sealing technology in Qinan, improve- ment measures were put forward for the exiting sealing technology. Through increasing sealing depth and adopting new sealing materials, the measures avoided short circuit air flow, reduced th巳consumptionof negative pressure in pipeline, and made the gas extraction concentration increased by 2550, eventually improving the production efficiency, and providing security for later coal mine production. Key words gas drainage; bedding extraction; hole sealing technology 在抽采瓦斯过程中，钻孔封孔质量的好坏是决 定抽采效果的关键，钻孔封孔不严、不耐负压都会 对抽采效果造成很大影响。因此，无论是封孔材料 还是封孔方法、封孔操作，都应达到封孔的严密性 要求［I］。当前罔内外采用的封孔技术主要有机械水 泥砂浆封孔法［2］、封孔器封孔法［3］、发泡聚合材料封 孔法”－6］等。其中，机械注水泥砂浆封孔主要适用于 倾斜钻孔，对于近水平或缓倾斜煤层则不适用；发 泡聚合材料封孔具有聚合材料发泡倍数高、质量轻、 封孔迅速的优点，但是其封孔材料成本高，操作要 求高；快速封孔器封孔速度快，重复使用可降低成 本，但效果较差，只适用于临时抽采封孔。随着瓦 斯治理要求越来越严格，而这些方法又存在一定的 局限性，已不能很好地适应现代矿井安全需求，因 此封孔工艺改进势在必行。 近年来，祁南矿对瓦斯抽采钻孔的封孔深度、 封孔材料和封孔工艺进行了大量的试验和改进，解 收稿日期2013-12-_20 决了矿井瓦斯抽采浓度不高和抽采量过小的问题， 大幅度减少了采煤工作面瓦斯浓度超限所带来的安 全隐患，为矿井的正常生产提供了保障。 1 矿井概况 祁南煤矿715机巷，条带标高－532.9←545.8m, 根据钻探及三维地震勘探资料分析，该区段地质条 件简单，工作面位于王楼背斜北翼，背斜轴向NWW, 向SEE倾伏，与地层走向基本正交。煤岩层倾向钮， 倾角60～驴，平均5。；工作面走向长1200 m，倾向长 168 m。工作面外围发育有73断层，且受王楼背斜影 响，预计工作面内小构造较为发育，局部存在瓦斯富 集区。72煤层具有煤与瓦斯突出危险’性，实测7煤层 最大原始瓦斯含量为11.2的，瓦斯压力为2.6阳a。 2 传统封孔工艺及缺点 a.在PE管距离里端2m的位置缠绕一个编织 作者简介李孜军（1967一），男，湖南醋陵人，博士，副教授，博士生导师，从事矿山火灾防治与安全科学等科研和 教学工作.E-mail 897388486 引用格式李孜军，陈艳丽，朱壮观.I匮煤层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺［巧煤田地质与勘探，2015,433 115- 117. ChaoXing 116 煤田地质与勘探第43卷 袋，编织袋两端用铁丝固定在PE管上。 b.在封孔管外端捆绑1根2m长的铁管（φ4cm 和1根16.5m长的软管（φ4 cm），用于注浆和回浆， 距孔口1.3m处绑0.5m海绵挡板。 c.在里段的编织袋内浇上黑、白聚氨醋后，在 封孔管的人孔口处封堵lm快干水泥，从孔口捣实， 使快干水泥封堵段与里段聚氨醋封堵段之间形成密 闭空间［7］。 d.将速凝膨胀封孔剂和水按11的比例充分混 合，用风动注浆泵连接注浆管注入钻孔内，待回浆 管回浆时，将回浆软管扎接堵死后继续注浆，直到 注不进浆液为止。待20min后，再复注一次浆液， 直至注不进浆液为止，旨在防止浆液向煤壁渗透形 成空洞，影响抽采效果。如果第二次注浆量较大， 等待20min后进行第三次注浆［8］。 e.注浆结束后拆除注浆装置，混合抽采，先进 行小负压抽采，24h后正常负压抽采。把钻孔连接 至抽采主管路进行抽采。 祁南矿最初采用黄泥、水泥团人工封孔，后又 采用水泥砂浆外加木塞封孔。瓦斯抽采钻孔封孔后 水泥及砂脱水凝固，然后材料产生收缩变形，封孔 材料、钻孔孔壁及封孔管之间产生空隙，在抽采负 压的作用下，都有不利的短路风流存在，降低了瓦斯 的抽采浓度，消耗了负压，加重了抽采管路负担，大 大降低了抽采效果［5而］。针对上述缺点，技术人员在 现场进行了大量的试验研究并提出新的改进措施。 3 改进的新封孔工艺 3.1 新封孔工艺 针对传统封孔工艺的缺点，祁南矿提出了改进 措施在隔离杆上安装抽拉绳索，提前将马丽散药 包用编织袋缠绕在PE管上，在药包发酵前旋转PE 管等。 a.将马丽散药包固定在距PE管里端2m位置， 在隔离杆上安装抽拉绳索（18号铁丝），在马丽散药 包外包裹长度为0.5m的编织袋，两端扎紧，如图1 所示。 17.5 m 0.5m 2 m 飞寻铀拉绳索’马丽散药包和编织袋 怜 的OPE管 图lPE管的设置 Fig. l The setting of PE tube b.在封孔管外端绑1根2m长的铁管（φ4cm 和1根16.5m长的软管（φ4 cm），用于注浆和回 浆，在距孔口1.3m处绑0.5m海绵挡板，如图2 所示。 16.Sm Im 软管／拌＝二二一一」叨啊叨曹 铁管一－海绵占50PE管 图2注浆管、回浆管和海绵捎扳在封孔管的布置 Fig.2 The a汀angementof the grouting pipe, slurry pipe and sponge baffle on the hole sealing tube c.将PE管送人钻孔内，孔外留0.3m，药包达 到预计位置后，抽拉绳索使隔离杆脱离；将PE管 顺时针旋转5～10圈，90s开始发酵，210s开始膨 胀，10min左右硬化。待药包膨胀硬化后，将快干 水泥捣入孔口，快干水泥封堵段为lm，便’快干水 泥封堵段和马丽散药包封堵段之间形成密闭空间， 如图3所示。 图3封孔过程 Fig.3 The hole sealing process d.将速凝膨胀封孔剂和水按11的比例充分棍 合，用风动注浆泵连接注浆管注入钻孔内，待回浆 管回浆时，将回浆软管扎接堵死后继续注浆，直到 注不进浆液为止。待20min后，再复注一次浆液， 直到注不进浆液为止，防止因浆液向煤壁渗透形成 空洞，影响抽采效果。如果第二次注浆量较大，等 待20min后进行第三次注浆［町，如图4所示。 图4风动注浆泵注浆示意罔 Fig.4 Sketch of pneumatic grouting pump e.注浆结束后拆除注浆装置，混合抽采，先进 行小负压抽采，24h后正常负压抽采。把钻孔连接 至抽采主管路进行抽采。 3.2 瓦斯抽采效果对比 淮北祁南煤矿32煤层平均厚度2.38m，属较稳 定煤层，煤层具有一定的突出危险性。试验面煤层 瓦斯压力为2.5阳a，采用顺层长钻孔递进掩护区 域性瓦斯抽采方法治理工作面瓦斯。 选取地质情况变化不大的一段煤壁，按间距Sm 施工10个钻孔A、A1、B、B1、C、C1 、D、 D1、E、E1。其中A、B、C、D、E为传统封孔工 ChaoXing 第3期李孜军等顺煤层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺117 艺；A1、B1、C1、D1、E1为新式封孔工艺。钻孔位 置分布如图5所示。 A Al B B, C C, D D, E E, 图510个相同深度的钻孔位置分布示意图 Fig.5 The distribution of ten boreholes at也Esame depth 巷道钻孔封孔后，有瓦斯涌出时方可进行瓦斯 浓度和流量等参数的测定。在瓦斯钻孔抽采前，测 量人员对单孔进行测定，抽采后1个月内每5d测 定1次，1个月之后每隔l周测定1次［9］。通过提高 钻孔施工深度和改进封孔工艺，715机巷的钻孔抽 放瓦斯的浓度明显提高。封孔工艺改进前后钻孔瓦 斯浓度－时间变化拟合曲线如图6所示。 钻孔瓦斯涌出衰减系数是指不受采动影响条件 下，煤层内钻孔的瓦斯涌出随时间推移呈衰减变化 的特性系数，可以作为评价煤层预抽瓦斯难易程度 的一个指标，其计算公式如下 120 芸100 素80 lilc 60 40「－←「 国20↓→一己 120 莲100 去80 日二60 盖40 国20「→－A, 。丁ι飞020 30 42 54 时间Id aA与人钻孔 120 京100 累80 日运60 盖40 时2l二 v I 10 20 30 42 54 时间Id b B与B，钻孔 － －司 I J可2 时与 阿」时 100 。 10 20 30 42 54 时间Id c C与c，钻孔 AU ro A斗 。。 A- Y 句，－ A丛T ZU 叫‘d OM 3 可nJ m附（ 孔孔－ m 封封－5 统式占川 传新」 H 干干干川 nunυAUnununυAυ 气，“nuoeroaAT鸣，＆ fe级余KW选自略同 AυAUAυnυ 。。，。，“τ－ X最东配制44跟同 。l10 20 30 42 54 时间Id d D与D，钻孔 一品一E, 图6钻孔瓦斯浓度．时间变化拟合曲线图 Fig.6 Fitting curve of gas concentration variation with time q1 e-/3, 1 β＝ lnqo一lnq,/t2 式中华为百米钻孔经t日排放时的瓦斯流量， m吮minhm;qo为百米钻孔成孔初始时的瓦斯流量， m坷minhm;t为钻孔涌出瓦斯经历时间，d；β为钻 孔瓦斯涌出衰减系数，d-1。 根据钻孔瓦斯涌出衰减系数计算式（2）并结合实 测数据得出 a.传统封孔工艺衰减系数 均＝（1n川－ln34.68/60 0.016 7 b.新式封孔工艺衰减系数 f32 ln97.16 -ln50.62）卢00.0109 3.3 综合分析 通过图6的变化曲线，可以从以下几方面对新旧 瓦斯抽采工艺的效果作对比分析。 a.对试验的5组钻孔拟合曲线分析可知，在相 同抽采时间下，新封孔工艺比传统封孔工艺的钻孔抽 采瓦斯浓度高。新封孔工艺的钻孔在第30天的平均 瓦斯体积分数为81.74，单孔瓦斯体积分数都在 35以上；传统封孔工艺的钻孔在第30天的平均瓦 斯体积分数为58.5。因此，相同时间内新工艺抽出 的瓦斯体积分数比旧工艺高出25～50。 b.从各组钻孔瓦斯浓度随时间变化的曲线可 知，在相同抽采时间下，新工艺的钻孔瓦斯浓度衰减 系数小于传统工艺的。对同一类型的瓦斯浓度数据做 加权平均，并绘制出指数拟合曲线图，如图6f所示。 由加权平均拟合曲线图可知，新工艺和传统工艺的钻 孔的瓦斯浓度衰减系数分别为0.0109和0.016 7，两 者很接近，但是随着时间的推移，两者瓦斯的浓度相 差就越来越大。 综合以上分析可知，改进后的封孔工艺提高了瓦 斯的抽采效率。该新的封孔工艺为今后在穿层孔、松 软煤层和中硬煤层之间施工提供了强有力的技术支 撑，保证了钻孔施工精度和钻孔瓦斯抽放效果。 （下转第121页） ChaoXing 第3期雷晓荣回转钻进随钻测斜仪的研制及应用121 表2D-1号钻孔测量数据 Table2 The measurement data of borehole D-1 序号深度Im倾角／（。）方位角／（。） 9 8.98 186.66 2 12 8.48 188.2 3 15 8.56 188.89 4 18 8.97 189.37 5 21 8.63 191.02 6 24 8.63 190.81 7 27 8.48 190.52 8 30 8.55 190.76 9 33 6.34 191.63 10 36 6.51 192.93 II 39 5.06 192.74 12 42 5.43 192.47 13 45 5.67 191.53 14 48 4.65 193.62 15 51 4.88 194.25 16 54 4.21 195.53 扭强度得到了很好的验证。该仪器的研制，对实现 钻孔合理布置，为瓦斯高效抽采提供了设备支撑。 参考文献 ［］张典荣，朱晓荣．高精度全方位钻孔测斜仪的研究及应用［J]. 煤田地质与勘探，2003,314 58-60. 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