本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究.doc

第39卷第10期 煤炭科学技术 Vol.39No.102011年 10月 Coal Science and Technology Oct． 2011 本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究 黄鑫业,蒋承林 中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221008 摘 要针对平煤集团十矿本煤层瓦斯抽采浓度偏低、钻孔有效抽放周期短的技术难题,在分析煤体特征的基础上,结合现有注浆工艺技术,提出了带压封孔的技术方法。阐述了带压封孔的基本原理,通过理论分析,确定了带压封孔工艺技术参数,3个月的工业性试验结果表明应用带压封孔技术可提高本煤层瓦斯抽放浓度30 55,并可延长抽采钻孔的有效抽采时间40d 左右。关键词本煤层;瓦斯抽放;抽放孔;带压封孔;水泥浆中图分类号TD712 文献标志码A 文章编号0253－2336201110－0045－04 Study on Borehole Pressurized Sealing Technology for Gas Drainage Borehole in Mining Seam HUANG Xin-ye ,JIANG Cheng-lin School of Safety Engineering ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China Abstract According to the technical problems of the low gas content in the gas drainage and the borehole short effective drainage period in the mining seam of No.10Mine in Pingdingshan Coal Mining Group ,based on the analysis on the coal features ,in combination with the available grouting technology ,a technical of the borehole pressurized sealing was provided．The paper stated the basic principle of the borehole pressurized sealing．With the theoretical analysis ,the technical parameters of the borehole pressurized sealing technology were set up．The three month industrial trial results showed that the application of the borehole pressurized sealing technology could im-prove the gas drainage content from the mining seam by 30 55and could expand the effective drainage time of the gas drainage bore-hole about 40days． Key words mining seam ;gas drainage ;drainage borehole ;borehole pressurized sealing ;cement grout 收稿日期2011－05－23 责任编辑代艳玲 基金项目国家重点基础研究发展计划973计划资助项目2006CB202204－3 作者简介黄鑫业1987,男,河南叶县人,硕士研究生,研究方向为矿井瓦斯防治。Tel 136********,E －mail 瓦斯抽采效果不仅取决于煤层瓦斯生成及赋存条件,而且决定于瓦斯抽采工程质量。我国目前大多矿井瓦斯抽采量不达标,究其原因除了煤层瓦斯基础工作做得不够、抽放瓦斯方法选择不当外,瓦斯抽采钻孔封孔效果满足不了工程要求也是一个重 要原因 [1－3] ,因此封孔效果是煤层瓦斯抽采的关键。目前钻孔封孔工程存在以下不足本煤层瓦斯抽采封孔质量难以满足钻孔密封检验要求;抽采负压偏低;瓦斯浓度偏小等。当前国内外采用的封孔技术主要有机械注水泥砂浆封孔、发泡聚合材料封 孔、封孔器封孔等 [4－6] 。其中,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,但其封孔材料成本高,操作要求高;快速封孔器封孔速度快,可重复使用降低成本,但效果较差,只适用于临时抽放封孔。总体来说,现有的瓦斯抽放方法只局限于如何“堵”钻孔,而未涉及到如何封堵和处理煤层裂隙和瓦斯泄露通道,而这些煤层裂隙和瓦斯泄漏通道随着瓦斯的抽出会发育扩张,从而导致抽放后期瓦斯潜能得以释放,致使煤体发生变形、位移和泄压,在抽放负压的作用下空气很容易通过这些裂孔隙进入孔内,从而导致瓦斯抽放浓度下降,且缩短了瓦斯钻孔的抽放周期。针对该技术难题,提出了带压封孔技术方法,确定了相关的工艺参数,并在平煤集团十矿得到了应用。 5 4 2011年第10期煤炭科学技术 第39卷 1带压封孔基本原理 本煤层瓦斯抽采带压封孔技术,是基于采煤工 作面煤壁内存在的应力扰动沟通裂隙,利用带压注浆方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密封微孔裂隙的目的。该技术利用注浆设备,以一定压力将浆液材料压注到瓦斯抽采钻孔封孔段空间及周围孔壁煤体扰动裂隙内部,浆液在注浆压力作用下,可以劈裂、扩展孔壁内煤体裂隙,充填孔隙和 煤体凹凸面[7] ,增大浆液扩散范围;并在大渗透压力梯度作用下渗入煤体微裂隙内,并产生凝聚力,待浆液固化后,形成树枝状分布,并与煤体颗粒固体粘结在一起,以便彻底密封瓦斯泄漏通道。具体工艺为封孔前利用压风吹净孔内钻屑,然后将抗压无裂缝瓦斯抽采管放入抽采钻孔内一定深度,利用聚氨酯快速构筑抽采钻孔封孔段注浆空间。待聚氨酯完全固化后,再通过孔口端预留注浆管利用压力可调双液风动注浆泵向封孔段密闭空间注入水泥浆,要求达到一定的注浆压力。注浆完毕,待水泥凝固后,利用压风或注浆泵压注清水,检验抽采钻孔封孔效果。检验合格则并网进行瓦斯抽采。由于聚氨酯完全发泡后具有一定的承压能力,从而利用聚氨酯的快速反应、承压性能为抽采钻孔制造一个闭合的封孔段空间,使得带压封孔成为可能。聚氨酯－水泥浆封孔如图1所示。带压封孔工艺流程吹净抽放孔内钻屑→利用两段聚氨酯构筑封孔注浆空间→对封孔段注浆空间进行带压注浆→封孔效果检验,并网进行瓦斯抽放 。 1瓦斯抽采花管;2聚氨酯段;3水泥浆段;4抽采管 控制阀;5注浆管高压球阀;6瓦斯气室 图1聚氨酯－水泥浆封孔示意 2封孔工艺参数确定 钻孔封孔段必须满足注水承压试验,在注浆压力下,封孔段周围不会出现漏水,并且在联网抽采时实现较高的抽采负压。实现带压封孔技术前须确定封孔带压主要参数封孔长度、封孔半径和注浆压力。1封孔长度。为了避免巷道扰动裂隙卸压对抽采钻孔封孔段的影响,提高本煤层瓦斯抽采钻孔密封效果,在设计瓦斯抽采钻孔封孔段长度时主要考虑巷道扰动裂隙影响范围。为确定煤层瓦斯抽采钻孔封孔段长度,用FLUENT 软件对工作面前方煤体中的瓦斯压力分布进行了计算。首先按瓦斯压力流动场的类型列出微分方程式;再转换成差分方程,按隐式六点式编写程序求解;最后将解算的结果用相似理论整理出一般规律,可信度区间为95时,工作面煤体内瓦斯抽采钻孔合理封孔长度L 1可用式1[8]计算 L 12.63b 1F 0.42 01 F 04λP 1.50t /ab 2 1 式中b 1为工作面煤巷宽度,m ;F 0为时间准数; λ为煤层透气性系数,m 2/MPa 2 d ;P 0为原始瓦斯压力绝对压力,MPa ;t 为工作面暴露时间, d ;a 为煤层瓦斯含量系数,m 3/m 3MPa 1/2。同样利用FLUENT 计算机计算巷道两帮的瓦斯压力分布状况,从而导出要求置信区间为95的巷道两帮煤层瓦斯抽采钻孔封孔长度L 2,其计算式为 L 24.25λP 1.5 0t /a 2通过计算,比较两参量的计算结果,以数据大 者为封孔长度。因此,现场操作确定具体封孔长度时,只要收集各地质参数,利用式1和式2进行计算,即可求出煤层瓦斯抽采钻孔的合理理论封孔长度。 2封孔半径。注浆扩散半径影响注浆加固范围内煤体的密实性,在给定注浆孔布置条件下,注浆扩散半径越大,各注浆孔浆液扩散圈相交重叠厚度越大,则煤体被浆液充填的密实性越高,注浆效 果越好。封孔半径就是注浆浆液扩散所达到的有效范围,主要基于钻孔扰动裂隙影响范围而言。孔径的确定需依据抽采管管径、钻孔大小,并且应满足从内到外的原则。即 r 1＜r n 10r w 10＜r 2 式中r 1为抽采孔终孔孔径,mm ;r n 、r w 分别为抽采管内外径,mm ;r 2为开孔孔径,mm 。 根据经验,瓦斯抽采钻孔的煤体扰动破坏范围一般为孔径的5 10倍,考虑到抽采钻孔周围煤体由于地应力的存在而具有随时间的卸压裂隙延伸, 6 4 黄鑫业等本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究2011年第10期 故可确定钻孔扰动裂隙影响范围较计算值大,从而 使得打钻活动造成的扰动裂隙影响范围均包含在封 孔半径影响范围内。 3注浆压力。注浆压力即为带压封孔时实现 有效封孔半径的注浆理论压力。目前岩体结构理论 中适用于煤层注浆的理论模型并不多。中国水利水 电科学研究院研制了平板型注浆试验台,通过试验 建立了牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方程, 得出了扩散半径R与注浆压力P G 、浆液黏度μ及 注浆时间T一般为15min左右之间的关系 R 2.210.093P G －P Tδ2r0.21 /μr 槡03 式中P 为裂隙内地下水压力,Pa;δ为裂隙或孔 隙的宽度,cm;r 为钻孔半径,cm,由于煤孔的 孔径不均匀性,这里r mr/2,m为钻孔不均匀系数,一般取1.2;r为钻孔理论孔径。 为了保证注浆效果,课题组既采用了上述理论模型,也采用了一些现场煤层注浆技术经验。即将式3移项变形得 P G μR－r 2.21/0.093Tδ2r0.21 －P 4 为验证所得注浆压力的准确性,利用式4 得到的注浆压力带入式5[9]进行检验。 R283.82P0.53 G M0.23μ－0.83T0.555其中,M为煤的粒度模数。若式5得出浆液扩散半径大于式4得出的注浆半径,则可证明该注浆半径满足理论要求。根据目前现场注浆的经验,一般为了使注浆效果达到最佳,须在理论计算的基础上再加压,以便浆液能更好地压入煤体裂 隙中。实际注浆压力P s 按式6计算。 P s γP G 6 其中,γ为冗余系数,取1.2。现场应用时,首先利用式4和式5进行压力检验,最终注浆压力选用式6计算的结果。 3应用实例 3.1试验工作面 平顶山煤业集团十矿位于河南省平顶山市东北部,平顶山煤田东部。2008年该矿绝对涌出量为130.2m3/min,相对涌出量为33.8m3/t。试验地点选在戊 9 －20180工作面,标高－510－570m,垂深700 1000m,煤层厚度1.1 1.6m,煤层倾角10 14ʎ,有效走向长度915m,采长200m, 煤炭储量32.5万t。实测戊 9－20180工作面瓦斯含 量15m3/t,戊组煤煤层透气性系数为0.005 0.080m2/MPa2d。 3.2现场封孔参数的确定 考虑到钻孔卸压裂隙的相互影响,因此在确定 抽采钻孔参数时,其钻孔间距不能小于2倍的卸压 影响半径。若钻孔孔径为120mm,按最大钻孔裂 隙可能影响半径计算,即两孔间距不能短于1.2 m。现场试验时,采用的钻孔平均孔间距为5m, 远超出了两钻孔相互影响范围。 1封孔长度。利用式1计算得戊 9 － 20180工作面理论封孔长度L 1 9.69m;利用式 2进行验证得L 2 13.98m。考虑到一定巷道扰 动裂隙影响冗余度的需要,因此确定封孔长度为 15m。根据矿井煤层瓦斯地质赋存、煤层透气性系 数及煤体地质情况,在煤层瓦斯抽采工作面煤壁打 瓦斯抽采钻孔,封孔段长度为15m是足够的。 2封孔半径。根据十矿戊 9 －20180工作面回 风巷瓦斯抽采计划,该回风巷所打抽采钻孔均为百 米瓦斯抽采钻孔,该种钻孔直接成孔理论孔径约为 120mm,考虑抽采钻孔搁置造成的卸压裂隙深部 延伸影响,故按最大扰动破坏范围考虑取10倍孔 径,即确定该种钻孔最大封孔半径为0.6m。 3封孔注浆压力。为了彻底封堵瓦斯泄漏裂 隙通道,因此确定选用425号普通硅酸盐水泥,并 采用水灰质量比2ʒ1调制水泥浆。 首先确定参数裂隙水压力为0,裂隙宽度 0.04cm,浆液黏度13.5mPas,钻孔半径72 mm,封孔半径60cm,煤的粒度模数1.28 20.44,注浆时间为15min,425号水泥可注入裂 隙宽度一般取值为0.04cm。 根据上述基本参数,利用式4进行计算得 出P G 0.43MPa;利用式5进行检验得出浆液 扩散半径R为93.4 176.6cm,远大于借助经验 确定的最大注浆封孔半径60cm。因此,可以认定 该注浆注浆压力满足要求。最终根据式6,确 定注浆压力为0.52MPa。 3.3试验效果及分析 以前平煤十矿采用水泥浆套袋封孔工艺,封 孔长度为6 10m,封孔后初始瓦斯体积分数在 30 90,经过20 40d的抽放,体积分数降 到3 9,钻孔的有效抽放期偏短。此次在平 煤十矿进行带压封孔试验期间钻孔施工参数基本一 74 2011年第10期煤炭科学技术 第39卷 致,封孔差异主要在封孔工艺不同。孔口抽放负压为10 16kPa ,经过2个月的现场观测,选取1号十矿传统封孔工艺、2号、3号、4号、5号、6号钻孔测试2号6号钻孔带压分别为0、0.20、0.27、0.34、0.40MPa ,各时间段钻孔瓦斯抽采浓度对比如图2所示 。 图2 16号孔瓦斯抽采浓度对比曲线 1号孔采用传统封孔工艺,封孔长度较短,水泥浆非带压封孔。瓦斯浓度从封孔之后就开始迅速衰减,说明在钻孔抽放负压作用下钻孔周边的裂隙逐渐发育,外界空气通过裂隙进入钻孔导致抽放浓度下降。 2号孔由于带压注浆时压力过大导致浆液冲开聚氨酯,可以认为带压为0,此封孔实际上为水泥浆聚氨酯封孔,相对1号孔抽放浓度有一定的提高,但是随着抽放时间的增加和抽放负压的作用,抽放浓度在18d 以后迅速衰减。 3号6号孔孔壁煤体裂隙封堵较未实现带压封孔的2号抽采孔效果显著。其中1号孔平均瓦斯抽采浓度只有6号孔平均浓度的21.3左右,2号孔平均瓦斯抽采浓度只有6号孔平均浓度的47.6左右,说明应用带压封孔方法可提高瓦斯抽放浓度30 55,延长了抽放时间40d 左右 。图3封孔压力与平均抽采瓦斯浓度的关系 3号6号孔平均瓦斯抽采浓度与所实现带压封孔的压力之间的关系,如图3所示。试验设计的理论最大注浆压力0.52MPa 。从图3中拟合曲线可以看出在未达到设计理论注浆压力时,呈现的封 孔注浆压力与平均瓦斯抽采浓度之间呈二次多项式关系。这说明,孔壁周围煤体内扰动裂隙分布也是呈近似二次多项式关系,即距离钻孔中轴线越远的煤体内扰动裂隙发育程度越低,越是靠近中轴线,煤体裂隙越是发育。说明利用带压封孔可以实现改善瓦斯抽采钻孔周围孔壁内裂隙环境的目的;也说明了在一定注浆压力范围内,随着封孔压力的增加,本煤层瓦斯抽采孔封孔效果将逐步得到提高。 4结论 介绍了本煤层瓦斯抽采带压封孔技术原理和工艺,即利用带压注浆封孔来实现封堵孔壁内深部煤体瓦斯裂隙。该技术基于工作面煤巷集中应力扰动 裂隙的客观存在,利用带压注浆实现封堵瓦斯泄漏微孔、裂隙通道,浆液凝固后生成对煤体具有较高黏结性的有机塑性体,改善孔壁煤体裂隙环境,提高煤体完整、均一性,从而达到提高瓦斯抽放效果的目的。现场试验结果表明,在相同钻孔参数及封孔参数条件下,实现带压封孔的本煤层钻孔瓦斯抽采效果比未实现带压封孔效果提高瓦斯抽放浓度30 55,延长抽放时间40d 左右,钻孔的利用率和瓦斯抽放效果显著提高,在我国的本煤层钻孔瓦斯抽放中具有重要的推广应用前景。 参考文献 [1] Li Shu －gang ,Qian Ming －gao ,Xu Jia －lin.Simultaneous Extraction of Coal and Coal －bed Methane in China [J ]．Min-ing Science and Technology ,1999,104357－360． [2]王兆丰,刘 军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探 讨[ J ]．煤矿安全,2005,36325－27．[3]朱诗山,煤矿瓦斯抽放技术[J ]．煤炭技术,2009,286102－103． [4]Donald ,L Katz.Handbook of Natural Gas Engineering [M ]．New York Mcgraw －Hill Book Company ,195941－43．[5]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M ]．北京煤炭工业出版社,2001． [6] JIANG Cheng －lin ,LI Xiao －wei ,TANG Jun.Fast Determina-tion of Gas Pressure Before Coal Uncovering in Cross －cut and Shaft [J ]．Journal of China University of Mining ＆Technology ,2008,18469． [7]陶云奇.中岭煤矿采煤工作面瓦斯抽放技术研究[D ]．贵阳贵州大学,200662． [8]马丕梁,屠锡根.煤层瓦斯抽放参数计算[J ]．煤矿安全,2003,34975－77． [9] 王俊光.裂隙岩体渗流模型及数值模拟研究[D ]．阜新辽宁工程技术大学,2004． 8 4