“两堵一注”带压封孔工艺在龙门峡南煤矿的研究与应用.pdf
★煤矿安全★ 移动扫码阅读 引用格式肖乔,余晓康,冯康武,等“ 两堵一注”带压封孔工艺在龙门峡南煤矿的研究与应用 [J]中国煤炭, 2 0 2 0,4 66∶5 2-5 6 X i a oQ i a o,Y uX i a o k a n g,F e n gK a n g w u,e t a l R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f "d o u b l e G s e a l i n ga n ds i n g l e G g r o u G t i n g "h o l es e a l i n gt e c h n i q u ew i t hp r e s s u r e i nL o n g m e nG o r g eS o u t hC o a lM i n e[J] C h i n aC o a l,2 0 2 0,4 6 6∶5 2-5 6 “两堵一注” 带压封孔工艺在龙门峡南煤矿的研究与应用 肖 乔1 余晓康2 冯康武1 李林松2 孙 臣1 刘 阳2 1 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市沙坪坝区,4 0 0 0 3 7; 2 华蓥山煤业股份有限公司龙门峡南煤矿,四川省广安市,4 0 9 8 0 0 摘 要 为了解决龙门峡南煤矿瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采浓度低、衰减速度快等问题,采 用了 “ 两堵一注”带压封孔新工艺取代矿井传统水泥浆液封孔工艺,并根据矿井实际情况对 新工艺进行了改良升级.通过现场试验,将两种封孔工艺的瓦斯抽采效果进行对比,结果表 明“ 两堵一注”带压封孔工艺具有较好的封孔效果,顺层钻孔单孔瓦斯抽采浓度较矿井传 统封孔提高约2 5%,穿层钻孔层单孔瓦斯抽采浓度提高约1 0%,并在一定程度上减慢了瓦 斯抽采浓度的衰减速率,有效提高了矿井瓦斯抽采能力. 关键词 瓦斯抽采 “ 两堵一注”封孔工艺 水泥浆液封孔工艺 抽采效果 中图分类号 T D 7 1 2 6 文献标识码 A 基金项目“ 十三五”国家科技重大专项资助项目 2 0 1 6 Z X 0 5 0 4 5 ,“ 十三五”国家重点研发计划重点专项 2 0 1 8 Y F C 0 8 0 8 0 0 1 R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f " d o u b l e G s e a l i n ga n ds i n g l e G g r o u t i n g "h o l e s e a l i n g t e c h n i q u ew i t hp r e s s u r e i nL o n g m e nG o r g eS o u t hC o a lM i n e X i a oQ i a o 1, Y uX i a o k a n g 2, F e n gK a n g w u 1, L iL i n s o n g 2, S u nC h e n 1, L i uY a n g 2 1 C h i n aC o a lT e c h n o l o g y 2 H u a y i n s h a nC o a lC o ,L t d ,L o n g m e nG o r g eS o u t hC o a lM i n e,G u a n g ' a n,S i c h u a n4 0 9 8 0 0,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fg a se x t r a c t i o nh o l es u c ha sl o wg a se x t r a c t i o nc o n c e n t r a t i o na n dq u i c ka t t e n u G a t i o n i nL o n g m e nG o r g eS o u t hC o a lM i n e,t h en e wt e c h n i q u eo f" d o u b l e G s e a l i n ga n ds i n g l e G g r o u t i n g "h o l es e a l i n gw i t hp r e s s u r e w a sp r o p o s e d i n s t e a do f t r a d i t i o n a l c e m e n t s l u r r yh o l es e a l i n gt e c h n o l o g y,a n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l c o n d i t i o n so f t h em i n e,t h e n e wt e c h n i q u ew a s i m p r o v e d T h ee x p e r i m e n t a l t e s ta n dc o m p a r i s o nr e s u l t so ft h et w oh o l es e a l i n gt e c h n i q u es h o w e dt h a t t h e" d o u b l e G s e a l i n ga n ds i n g l e G g r o u t i n g "h o l es e a l i n gt e c h n i q u eh a dg o o de f f e c t,t h eg a se x t r a c t i o nc o n c e n t r a t i o no f s i n g l eb e d d i n gh o l e a n dc r o s s i n gh o l ew e r ea b o u t 2 5%a n d1 0%r e s p e c t i v e l yh i g h e r t h a n t h a t o f t h e t r a d i t i o n a l s e a l i n gh o l e,a n d t h e a t t e n u a t i o no f t h e g a se x t r a c t i o nc o n c e n t r a t i o nw a s s l o w e dd o w n t os o m ed e g r e e,w h i c h i m p r o v e de f f e c t i v e l y t h eg a s e x t r a c t i o nc a p a c i t yo f t h em i n e K e yw o r d s g a se x t r a c t i o n," d o u b l e G s e a l i n ga n ds i n g l e G g r o u t i n g "h o l es e a l i n gt e c h n i q u e,c e m e n ts l u r r yh o l es e a l i n gt e c h G n i q u e,e x t r a c t i o ne f f e c t 我国是世界上煤矿瓦斯灾害最为严重的国家之 一,瓦斯灾害时刻影响着矿井的安全生产[ 1].目 前,对于减少瓦斯事故、实现煤与瓦斯共采最有效 的措施就是对矿井煤层瓦斯进行抽采[ 2-3].瓦斯抽 25 中国煤炭第4 6卷第6期2 0 2 0年6月 采钻孔封孔质量的好坏将直接影响煤层瓦斯抽采效 果[ 4].因此,根据矿井自身条件选择较好的封孔工 艺很有研究必要. 现阶段我国煤矿抽采钻孔主要的封孔工艺有水 泥浆液封孔[ 5]、高分子发泡材料封孔[6]、囊袋式封 孔器封孔[ 7]、二次封孔法封孔[8]、 “ 两堵一注”带 压封孔[ 9-1 0]等.水泥浆液封孔工艺是在抽采钻孔 中预埋1根抽采管和1根注浆管,从注浆管注入水 泥浆液,抽采管返浆后停止注浆,待浆液凝固后完 成封孔,具有成本低、操作方便的优点,缺点是水 泥凝固后易收缩导致漏气,而且浆液无法深入钻孔 裂隙中进行封堵,亦会造成钻孔漏气,此为龙门峡 南煤矿传统封孔工艺;高分子发泡聚合材料封孔具 有封孔时间短、发泡倍数高等优点,但发泡材料抗 压能力有限,在高地应力或采掘干扰情况下容易产 生变形,导致封孔段钻孔周围产生裂隙,影响抽采 效果;囊袋式封孔器封孔具有封孔速度快的特点, 但重复利用率低,对操作人员要求高,封孔质量无 法保证;二次封孔法封孔工艺主要是采取一次封孔 之后,又利用带压将微细膨胀粉料吹入抽放钻孔 内,起到封堵钻孔周边裂隙、提高抽采率的效果, 缺点是微细膨胀粉料易受潮结块,影响裂隙封堵; “ 两堵一注”带压封孔可以使封孔材料很好地渗入 钻孔周边裂隙,有效地封堵漏气通道,提高密封 性,目前存在的问题是 “ 两堵”强度低,导致注浆 压力不高或不带压,不能对钻孔周边裂隙进行严密 封堵,无 法 达 到 “ 注”的 目 的,导 致 抽 采 效 果 不佳. 针对龙门峡南煤矿现开拓采区构造发育、裂隙 众多的特点,若采用传统水泥浆液封孔工艺将无法 满足矿井抽采要求,综合考虑封孔效果和经济效 益,提出选用 “ 两堵一注”带压封孔工艺,并对该 工艺进行改造升级,分别在3 1 3 1工作面机巷和+ 3 1 0m北西翼运输大巷进行顺层、穿层应用试验, 效果良好. 1 试验矿井概况 龙门峡南煤矿绝对瓦斯涌出量为1 2 2 0m 3/ m i n, 相对瓦斯涌出量为1 1 0 7m 3/ t,为煤与瓦斯突出矿 井.主采K 1煤层最大瓦斯压力为2 2M P a,最大瓦 斯 含 量 为1 4 7 8 m 3/ t, 透 气 性 系 数 为 0 5 2 1m 2/ M P a 2d ,K 1煤层原始瓦斯压力、瓦 斯含量均较大,且煤层透气性较差,同时具有突出 危险性,瓦斯治理困难.随着矿井抽采重点向3 1 3 采区转移,此采区煤 岩层原生构造十分发育, 加之巷道掘进后松动圈内裂隙众多,原先采用的水 泥浆液封孔工艺抽采效果很不理想,瓦斯抽采浓度 低,且抽采钻孔易出现漏气问题.因此,需结合矿 井实际情况,对原有封孔工艺进行改进升级. 2 “ 两堵一注”带压封孔工艺 2 1 封孔原理 “ 两堵一注”带压封孔工艺示意图见图1.其基本 原理为首先采用专用封堵材料对瓦斯抽采钻孔封孔 段两端进行封堵,待封堵材料发泡、膨胀凝结后,再 往封堵段之间的空间内注入携带一定压力的水泥浆 液,当压力达到一定程度,浆液在注浆压力的作用下 将进入钻孔壁裂隙进行封堵,凝固后其注浆压力接近 于地应力,能使钻孔封孔段处形成高应力区,彻底密 封瓦斯漏气通道,提高密闭性. 1封孔泵;2压力表;3返浆管;4抽采管; 5注浆管;6化学浆堵头;7水泥浆液;8抽采钻孔; 9抽采管花眼段;1 0煤 岩层;1 1裂隙 图1 “ 两堵一注”带压封孔工艺 2 2 封孔参数确定 1顺层钻孔封孔长度的确定.由于K1煤层 较松软、裂隙发育,采煤工作面风巷、机巷掘进过 程中将形成裂隙圈,需满足抽采钻孔封孔长度大于 裂隙圈半径,防止因裂隙与抽采钻孔沟通而引起的 漏气,结 合 以 往 经 验,确 定 顺 层 钻 孔 封 孔 长 度 为1 2m. 2穿层钻孔封孔长度的确定.根据矿井已揭 露的地质资料显示,K 1煤层底板的泥岩段气密性 较好,而靠近穿层仰孔孔口端茅口灰岩段的钻孔裂 隙较发育,因此,封孔至煤层底板的泥岩即可,结 合以往经验,确定穿层钻孔封孔长度为1 5m. 2 3 主要封孔材料及设备的选用 1考虑到龙门峡南煤矿煤 岩层构造带众 多,原生断层、裂隙发育的实际情况,采用 “ 两堵 35 “ 两堵一注”带压封孔工艺在龙门峡南煤矿的研究与应用 一注”带压封孔工艺会存在两方面问题其一,钻 孔封孔段两端封堵材料强度不足,主要体现在材料 径向上缺乏作用力,对后续的注浆带来影响;其 二,缺乏对注浆压力的把控,注浆时若压力过小, 水泥浆液无法渗透孔壁裂隙,若压力过大,容易将 封堵 材 料 冲 破,两 者 均 会 对 封 孔 效 果 造 成 负 面 影响. 2通过地面带压封孔模拟试验,发现采用 P N-6波雷因高分子发泡聚合材料作为钻孔顶、 底端封堵材料,两端封堵材料产生的径向作用力可 满足注浆压力对两端封堵材料的强度要求. 试验采用直径1 0 0mm的铁管模拟井下抽采 钻孔,采用P N- 6波雷因注浆加固材料作为钻孔顶 封材料,然后带压注浆封孔1 2h后,将铁管沿截面 切开,可以得到模拟钻孔的剖面,如图2所示. 图2 “ 两堵一注”带压封孔模拟钻孔剖面 从图2可看出,模拟钻孔内有瓦斯抽采管、注 浆管、返浆管以及封孔段凝固的封孔材料,其中经 过1 2h后封孔材料已完全凝固,同时瓦斯抽采管 无受压变形现象,说明该封孔材料能够有效密封钻 孔.因此选用P N-6波雷因注浆加固材料 后文 简称为 “ 化学浆”作为龙门峡南煤矿 “ 两堵一 注”带压封孔工艺 “ 两堵”的材料. 钻孔封孔段两端封堵完成后,往封孔段注入的 水泥浆液必须带有适当压力,使得水泥浆液既不会 冲破封孔段两端的封堵材料,又可以充分渗入钻孔 孔壁裂隙.通过前期试验,当注入浆液压力控制在 12MP a时,其填充效果最好.对此,龙门峡南 煤矿引进了B F K-1 2/2 4型矿用注浆封孔泵,该 泵额定注浆压力为02 4 MP a,注入流量为1 2 L/m i n,满足 “ 两堵一注”带压封孔工艺 “ 一注” 要求. 2 4 封孔步骤 第一步准备工作.事先预置B F K-1 2/2 4 型矿用注浆封孔泵作为封孔机械设备,且准备足量 的封孔材料,“ 两堵”材料采用化学浆,“ 一注”材 料采用水泥与石膏粉配水料,还需要准备其他必备 的封孔注浆器具,包括抽采管、注浆管、返浆管、 棉纱、铁丝等. 第二步清理预封钻孔.通过压风对已打钻孔 进行清洗,清洗完毕后对钻孔进行检查,确保钻孔 的完整性,不出现变形、垮孔的情况. 第三步“ 两堵” .按封孔结构要求固定管道, 并根据封孔深度在管道封孔前后端包裹棉纱,用于 混合 “ 两堵”封孔材料.现场配置化学浆,将化学 浆液充分浇在管道棉纱上,并将管道送至钻孔预定 封孔位置.待化学浆充分反应膨胀后,使钻孔封孔 段前后两端封堵牢固,完成 “ 两堵” . 第四步“ 一注” .通过注浆泵机械配置水泥浆 液,连接注浆泵与注浆管并往孔内注浆,待返浆管 返浆后关闭返浆管上的阀门,继续注浆.此阶段为 带压注浆阶段,须确保封孔段内水泥浆液压力值满 足在12MP a之间,且压力值不再衰减.满足条 件后封堵注浆管,完成 “ 一注” . 第五步待2 4h封孔材料充分反应凝固后, “ 两堵一注”带压封孔工作全部完成,可对钻孔内 瓦斯进行接抽. 3 应用效果分析 3 1 顺层钻孔带压封孔效果分析 顺层钻孔带压封孔考察地点选择在3 1 3 1工作 面机巷,在3 1 3 1工作面机巷布置抽采钻孔对K1 煤层进行瓦斯预抽.本次试验选定了1 # 1 0 # 瓦 斯抽采钻孔进行封孔效果对比分析,试验钻孔直径 均为 8 7mm,钻孔深度为1 0 01 2 0m,封孔长度 均为1 2m,抽采负压为2 03 0k P a,钻孔竣工参 数见表1.其中,1 # 5 # 瓦斯抽采钻孔为传统水 泥浆液封孔工艺封孔,6 # 1 0 #钻孔选用 “ 两堵一 注”带压封孔工艺进行封孔,钻孔平面布置示意图 见图3. 通过对1 # 1 0#瓦斯抽采钻孔进行为期1个月 的观测统计,传统水泥浆液封孔工艺 1 # 5 #与 “ 两堵一注”带压封孔工艺 6 # 1 0 #钻孔的单孔 瓦斯抽采参数分别如表2、表3所示,并得出两者的 45 中国煤炭第4 6卷第6期2 0 2 0年6月 单孔平均瓦斯抽采浓度与抽采时间的关系,见图4. 表1 钻孔竣工参数表 封孔工艺钻孔数/个号数钻孔深度/m封孔长度/m负压/k P a 传统水泥浆液封孔 51 #-5# 1 0 01 2 01 22 03 0 “ 两堵一注”带压封孔 56 #-1 0# 1 0 01 2 01 22 03 0 图3 钻孔平面布置示意图 表2 传统水泥浆液封孔工艺钻孔瓦斯浓度 % 孔号 1d7d1 3d1 9d2 5d3 1d 1 # 3 13 12 52 42 12 0 2 # 3 43 23 02 82 72 5 3 # 3 23 02 72 62 32 3 4 # 2 62 52 52 01 81 7 5 # 2 92 62 62 42 32 2 均值 3 0 42 8 82 6 62 4 42 2 42 1 4 表3 “ 两堵一注”带压封孔工艺钻孔瓦斯浓度 % 孔号 1d7d1 3d1 9d2 5d3 1d 6 # 6 05 85 75 55 25 0 7 # 4 84 64 34 34 14 1 8 # 5 65 65 35 35 25 1 9 # 6 25 85 75 45 25 2 1 0 # 5 35 04 74 54 44 1 均值 5 5 85 3 65 1 45 0 04 8 24 7 0 图4 顺层钻孔单孔平均瓦斯抽采浓度曲线 从表2、表3、图4分析可知,经过为期1个 月的瓦斯抽采,采用传统水泥浆液封孔工艺钻孔 1 # 5 #的 单 孔 平 均 瓦 斯 抽 采 浓 度 从 最 初 的 3 0 4%逐渐下降至2 1 4%,均值下降幅度为9%; 采用 “ 两堵一注”带压封孔工艺钻孔 6 # 1 0 # 的单孔平均瓦斯抽采浓度从最初的5 5 8%逐渐下 降至4 7%,均值下降幅度为8 8%.相比较于前 者,其单孔平均瓦斯抽采浓度大幅度上升,瓦斯抽 采浓度提高了约2 5%,且衰减的速率也相对缓慢. 通过以上分析可以看出, “ 两堵一注”带压封孔工 艺在顺层抽采钻孔的应用上效果显著,可以较好地 提高封孔质量. 3 2 穿层钻孔带压封孔效果分析 穿层钻孔带压封孔选择考察地点在+3 1 0m北 西翼运输大巷,该巷道兼作3 1 3 3机巷掘进条带预 抽煤层瓦斯的底板抽采巷.选定+3 1 0m北西翼运 输大巷5 9 #和6 0#钻场中各5个抽采钻孔进行封孔 效果对比分析,5 9 #钻场抽采钻孔为传统水泥浆液 封孔工艺封孔,6 0 # 钻场抽采钻孔选用 “ 两堵一 注”带压封孔工艺进行封孔. 待钻场内抽采钻孔均封孔完毕后,接通瓦斯抽 采管路,对试验钻孔连续考察1个月,收集并统计 其试验钻孔瓦斯抽采数据.2种封孔工艺下单孔平 均瓦斯抽采浓度曲线如图5所示. 图5 穿层钻孔单孔平均瓦斯抽采浓度曲线 由图5可知,相比于传统水泥浆液封孔工艺, “ 两堵一注”带压封孔工艺更为有效,单孔平均瓦 斯抽采浓度提高约1 0%,且抽采瓦斯浓度衰减相 55 “ 两堵一注”带压封孔工艺在龙门峡南煤矿的研究与应用 对缓慢,高浓度维持的周期较长,抽采效果得到很 大程度的提升. 4 结论 1结合龙门峡南煤矿实际情况,提出运用 “ 两堵一注”带压封孔新工艺解决矿井K1煤层瓦 斯抽采问题,并通过理论分析阐述了适用于该矿井 新工艺的应用办法. 2通过现场试验分析,相比传统矿井水泥浆 液封孔工艺,“ 两堵一注”带压封孔新工艺可将煤 层顺层单孔瓦斯抽采浓度提高约2 5%,穿层瓦斯 抽采浓度提高约1 0%,两者抽采衰减速率均得到 有效控制. 3“ 两堵一注”带压封孔新工艺可以有效地 封堵抽采钻孔中的裂隙,有效提高钻孔抽采浓度, 满足了龙门峡南煤矿安全生产要求. 参考文献 [ 1] 朱月敏煤矿安全事故统计分析 [D]阜新辽宁 工程技术大学,2 0 1 2 [ 2] 俞启香矿井瓦斯防治 [M]徐州中国矿业大学 出版社,1 9 9 2 [ 3] 于不凡煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 [M] 北京煤炭工业出版社 [ 4] 王兆丰,武炜煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖 析 [ J]煤炭科学技术,2 0 1 4,4 26 6 9-7 1 [ 5] 孙朝芦穿层瓦斯抽采钻孔封孔材料优化研究 [J] 煤炭技术,2 0 1 5,3 4 1 2 1 3 7 -1 3 9 [ 6] 马宏宇河兴煤矿C 8煤层顺层预抽钻孔封孔工艺研 究 [J]中 国 煤 炭,2 0 1 7,4 3 1 2 1 5 1-1 5 4, 1 5 8 [ 7] 李晓茸,马利云新型囊袋式聚氨酯封孔器在松软 煤层中的应用 [ J]矿山机械,2 0 1 9,4 79 6 9 -7 1 [ 8] 王新琨,张荣芦岭煤矿穿层钻孔二次封孔技术及 工艺研究 [J]煤炭技术,2 0 1 5,3 4 5 1 7 0- 1 7 2 [ 9] 谭永福抽采钻孔 “ 二堵一注”带压封孔技术的研 究与应用 [J]煤矿安全,2 0 1 7,4 8 6 1 3 5- 1 3 7,1 4 1 [ 1 0] 李时宜,张青松,刘标懿等瓦斯抽采钻孔密封用 天固封孔材料及工艺应用研究 [ J]矿业安全与 环保,2 0 1 9,4 6 3 4 4-4 7 作者简介肖乔 1 9 9 1-, 男, 汉族, 重庆人, 硕士 学历, 助理工程师, 主要从事矿井瓦斯灾害防治工作.E G m a i lx i a o q i a o 1 9 9 1 1 2 2 0@q q c o m. 责任编辑 张艳华 阳煤集团加快五大基地建设 2 0 2 0年,阳煤集团加快建设煤炭绿色开发利 用、现代煤化工示范、非常规天然气、电力外送、 煤基科技创新成果转化 “ 五大基地” ,推动高质量 转型发展. 在建设煤炭绿色开发利用基地方面,阳煤集团 推进5 G技术下井,构建以 “ 安全绿色智能化开 采”为鲜明特点的现代煤炭开采模式.加快建设亿 吨级煤炭生产基地,力争先进产能占比达到8 3% 以上,持续推进煤炭全入选工程. 在建设现代煤化工示范基地方面,阳煤集团对 接山西省晋北现代煤化工基地建设,园区气化岛项 目全部由阳煤集团打造.阳煤集团还扩大尼龙6产 能,布局尼龙6 6和尼龙5 6项目,加快合成气制乙 醇技术产业化,建设6 0万t/a煤泥处理项目,以 气凝胶为龙头打造全球第一家专门以气凝胶产业链 集群发展为特色的科创园区. 阳煤集团积极推动煤层气综合利用,加快建设 阳泉、晋东、寿阳三大煤层气综合利用基地,并加 快推进煤层气合成金刚石项目,开辟煤层气高效利 用新途径. 阳煤集团精准对接京津冀市场需求,抢抓河北 南网市场缺口和 “ 西电东送”的重大机遇,借助阳 泉区位和煤电联营优势,加快3座火力发电厂建设, 做强瓦斯发电产业,筹建飞轮储能阳泉生产基地, 加快建立电网公司、发电企业、电力用户 “ 利益共 享、风险共担”运营新模式.此外,阳煤集团积极 打造煤基科技创新成果转化基地,培育建设煤炭绿 色清洁高效利用国家重点实验室,煤炭大型气化国 家技术创新中心和二氧化碳捕集、利用、封存国家 工程研究中心,探索应用能源领域高端前沿技术. 65 中国煤炭第4 6卷第6期2 0 2 0年6月