李国强;张志刚;周金龙
【摘 要】To counter to the problem that the gas drainage concentration was low by boreholes, a new hole-sealing technology was proposed in this paper. The paper expounded the basic principle of the new hole-sealing technology and put forward the test method of reasonable hole-sealing depth. Industrial tests were carried out with this self-developed hole-sealing material for near two months in Yuyang Mine of Songzao Coal and Electricity Co. , Ltd. , the test results indicated that this new hole-sealing method can make the gas drainage concentration at the drilling site increase by 50% as compared to the traditional hole-sealing technology by grouting.%针对当前钻孔抽采瓦斯浓度低的问题，提出了一种新型封孔方法。阐述了该新型封孔方法的基本原理，提出合理封孔深度的测试方法，并采用自行研制开发的新型封孔材料在重庆松藻煤电公司渝阳煤矿开展了近2个月的现场工业性试验，结果表明：与传统的注浆封孔工艺相比，应用新型封孔方法可使钻场抽采瓦斯浓度提高约50%。
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】3页(P69-71)
【关键词】钻孔;瓦斯抽采;瓦斯浓度;封孔方法;封孔深度
半透明纸
【作 者】李国强;张志刚;周金龙万花茶
【作者单位】瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037; 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037; 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037;河北省兴隆县安全生产监督管理局，河北 兴隆067300
【正文语种】中 文
【中图分类】TD712+.6
瓦斯抽采不仅是高瓦斯矿井实施的防灾措施之一,同时也是目前我国煤矿煤层气开发的主要技术手段。但由于我国煤层瓦斯地质条件较为复杂,同时受当前技术水平的影响,致使井下抽采钻孔的封孔质量较差,从而导致煤层钻孔抽采瓦斯浓度普遍偏低,这不仅给煤矿井下瓦斯输运系统安全构成了威胁,同时也使抽采瓦斯利用成本增加,严重阻碍了我国煤层气开发产业的发展。针对抽采钻孔封孔方法这一问题,黄鑫业等人[1]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;贾良伦[2]应用岩巷掘进时沿其周边形成的爆破裂隙圈理论,根据计算的裂隙圈半径确定出岩巷瓦斯抽放钻孔的合理封孔长度;李季等人[3]通过研究聚氨酯硬泡沫材料的渗透性能和黏结性能得出封孔长度的计算方法;胡立年等人[4]以工程实验为基础,结合屯兰矿现有瓦斯抽放中的封孔工艺,通过理论分析确定合理的封孔长度;周福宝等人[5]提出了二次封孔的方法,使瓦斯抽采浓度在25%～50%,延长钻孔的有效瓦斯抽放期3个月;殷文韬等人[6]以鹤壁八矿为研究背景,比较和研究了几种常见的封孔工艺,并结合现场条件采用了套孔封孔方法,改进了封孔工艺;马永庆[7]提出了采用大直径钻孔、特制水泡皮—马丽散—铝塑管三组合封孔技术和集气箱连孔技术为一体的整合方法,明显提高了矿井瓦斯抽采效果;高振勇等人[8]以地面试验及井下现场工业性应用情况为依据,介绍了聚氨酯封孔工艺的各个环节,研究聚氨酯在环形受限空间的膨胀倍数,保证聚氨酯混合体膨胀达到设计封孔深度。
综上所述,我国学者与现场技术人员通过大量的研究与实践已提出了多种提高钻孔抽采瓦斯浓度的方法并取得了一定的应用效果,但上述方法在现场的实施工艺流程较多,并且使用成本较高,尤其是在井下施工时作业时间相对较长。鉴于此,笔者提出了一种合理封孔深度的测试方法,并结合中煤科工集团重庆研究院有限公司研制的封孔材料,整合了一种提高钻孔抽采瓦斯浓度的新型封孔方法,并在重庆松藻煤电公司渝阳煤矿进行了成功应用,大幅度地提高了钻孔抽采瓦斯浓度。
钻孔封孔是关键环节,而钻孔封孔质量的好坏取决于两个重要因素:一是封孔材料的性能,若材料易于渗漏或黏结性较差,则会由于钻孔漏气而无法达到较好的瓦斯抽采效果;二是封孔深度,若未确定足够的封孔深度,则在孔口负压的作用下,钻孔可以通过巷道掘进形成的松动圈内的宏观裂隙与外部空间形成回路循环而导致连通漏气,降低抽采瓦斯浓度。
封孔深度一般应大于巷道非弹性变形区。非弹性变形区内煤岩卸压,裂隙非常丰富。若封孔未超过此区域,钻孔易漏气,抽出瓦斯浓度低,流量小;随着封孔深度的增加,会逐渐减少钻孔漏气量,提高瓦斯浓度和流量,但相应增大了封孔工程量及成本。因此,为提高煤矿井下钻孔抽采瓦斯浓度首先应解决封孔深度的问题。
在此借鉴束管法的原理[9],在孔口设置卡套接头,将取样管置入抽采钻孔内,并将该管与取气孔和钻场抽采管道相连接抽,通过取气孔测定钻孔内不同深度的瓦斯浓度及负压,同时在钻孔抽采管与钻场抽采管道连接处开孔测定瓦斯浓度及管内负压,见图1。
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提升装置通过将不同深度测点的测值与抽采管道连接处的测值进行相互比对分析,若二者相差越大,说明该检测深度的漏气量越大。孔口设置的卡套接头与取样管相互配合,即可进行下一次检测,直到测试深度处的瓦斯浓度不变为止。对检测结果进行对比分析,即可确定相应煤层瓦斯地质条件下的合理封孔深度。值得注意的是,由于瓦斯浓度传感器在井下使用时,往往随着测试环境以及次数的变化,会出现一定程度的测值漂移,因此为进一步保证检测结果的可靠性和准确性,在取气孔处还需测试相应深度条件下的气体负压。正常接抽条件下孔内负压的分布曲线应呈连续光滑特征,若某一深度负压测值发生突变,并且瓦斯浓度与孔口处测值相差较大,则该深度必定为钻孔漏风汇入点,因此在进行抽采钻孔封孔作业时,应将封孔深度控制在该值以上。
中煤科工集团重庆研究院有限公司自行研发了聚氨酯改性聚脲复合材料用于抽采钻孔的封孔,新型抽采钻孔封孔工艺利用的封孔材料可根据不同配方调节发泡反应时间。首先在封孔
材料发泡区域的两端固定并混合“挡板”作用的专用聚氨酯材料,该“挡板”的作用是控制封孔聚氨酯在封闭空间内发泡,保证封孔聚氨酯发泡后能与钻孔壁接触更紧密,发泡更致密,此后起封堵作用的封孔材料将发生物理化学反应,在两“挡板”间的封孔管上撑破包装袋,并在约束空间内自然发泡,从而起到封堵的作用。新型抽采钻孔封孔工艺示意见图2。
重庆松藻煤电公司渝阳煤矿为煤与瓦斯突出矿井,产量150万 t/a。目前矿井主采7#和8#煤层, 7#煤层厚0.68～1.84m,平均厚0.90m,煤层顶板为砂质泥岩、粉砂岩及细砂岩;底板为灰白及灰的黏土岩、砂质泥岩,煤层瓦斯含量为18.59 m3/t,煤层透气性系数为0.002 486 m2/(MPa2·d)。8#煤层为复杂结构煤层,下分层厚2.36～3.27 m,平均厚2.64 m,夹矸厚0.3 m,上分层厚0.3 m,煤层顶板为泥岩、砂质泥岩,老顶为细砂岩或粉砂岩;底板为灰黏土岩,煤层瓦斯含量为19.39 m3/t,煤层透气性系数为0.003 362 m2/(MPa2·d)。试验之前,矿井采用灌注水泥浆的封孔方法,封孔段长度为8 m,封孔后由于水泥凝固过程中发生缩水致使封孔深度较小。一般情况下,封孔后初始瓦斯浓度在20% ～30%,经过10 d的抽采,浓度降到10%以下,钻孔的有效抽采期偏短。
渝阳煤矿在2012年8月实施了新型封孔工艺方法。试验地点选在3702西瓦斯巷上段,采用合
理深度的测试方法获得如下数据:封孔深度8 m,抽采负压12 kPa,钻场瓦斯浓度为9%,孔内10～12 m处的瓦斯浓度为41% ～43%,13 m处的瓦斯浓度为71%。由漏风处的判识依据可知,12～13 m之间存在裂隙与井下巷道内的大气相通,封孔深度应大于或等于13 m才能获得较高浓度的瓦斯。此后,在渝阳煤矿3702西瓦斯巷上段施工了5个试验钻场,每个钻场内有14个钻孔。抽采钻孔瓦斯浓度考察结果表明,采用新型封孔工艺的钻孔抽采瓦斯浓度与原采用水泥浆封孔相比均有较大幅度的提高,并且新型封孔工艺的作业时间短,劳动强度低,平均封堵一个穿层抽采钻孔的时间大约为2 min(钻孔孔深约为50 m)。钻场抽采瓦斯浓度统计情况见图3。
38#钻场内的抽采钻孔采用原有的封孔工艺, 34#～37#钻场为新型抽采钻孔封孔工艺。从图3可以直观地看出,采用新型封孔工艺的钻孔抽采瓦斯浓度均有较大幅度的提高,钻场平均抽采瓦斯浓度比原有水泥浆封孔工艺提高了约50%,且应用化学材料对抽采钻孔进行封堵时,较好地解决了化学材料反应与井下封孔施工作业的衔接问题,所述钻场内的钻孔与同预抽时期的钻孔相比在抽采瓦斯浓度方面均取得了良好的提浓效果。
1)提出了一种合理封孔深度的测试方法,并结合中煤科工集团重庆研究院有限公司研制的封
孔材料,整合了一种提高钻孔抽采瓦斯浓度的新型封孔方法。通过对钻孔漏风处的检测,确定合理的抽采钻孔封孔深度,利用研发的封孔材料对抽采钻孔实施高效封堵,阻隔外界空气的进入,显著减少孔内的漏风量,从而大幅度提高钻孔内抽采瓦斯的浓度。
2)现场试验结果表明:与传统的注浆封孔工艺比较,应用新型抽采钻孔封孔方法可使钻场抽采瓦斯浓度提高约50%。该方法提高了钻孔的利用率,显著改善了矿井瓦斯抽采效果,在我国煤层瓦斯抽采钻孔封孔工艺中具有广阔的应用前景。
【相关文献】
[1]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.
[2]贾良伦.瓦斯抽放钻孔封孔长度的确定与实践[J].煤炭工程师,1998(2):28-29.
[3]李季,程五一,李敏,等.新型封孔材料的性能研究及封孔长度计算[J].中国安全生产科学技术,2011,7(2): 42-45.
[4]胡立年,郭建永,严国超.封孔长度合理性的研究[J].山西煤炭,2007,27(2):46-48.
[5]周福宝,李金海,昃玺,等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究[J].中国矿业大学学报,2009,38(6):764-768.滑步机
[6]殷文韬,刘明举,温志辉,等.煤层瓦斯抽放封孔工艺研究与应用[J].煤炭工程,2011(2):31-33.
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