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瓦斯抽采钻孔成孔和非凝固恒压浆液封孔方法及应用
2019-05-20
提出了一种瓦斯钻孔成孔和非凝固绿色浆液封堵瓦斯抽采钻孔的方法。首先以较小 直接钻杆钻机在煤巷破碎煤体上施工一个抽采钻孔,再用注浆泵以一定压力将一种液体凝胶注满 两端膨胀封堵材料形成的密闭空间;待液体凝胶与破碎煤体紧密固结形成一体后,以扩孔的方式完 成钻孔,减小施工造成的钻孔裂隙。用注浆泵以特定压力往封孔段注满一种具有固态封堵能力和 良好流动特性的非凝固绿色浆液材料来封堵钻孔,实现动态瓦斯抽采钻孔封孔。该方法在河南永 城城郊煤矿的应用表明:瓦斯平均抽采浓度由 20%提高至 46%,效果显著
Serial No. 600 April. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 600期 2019 年 4 月第 4 期 瓦斯抽采钻孔成孔和非凝固恒压浆液封孔方法及应用 1 1 1 2 2 郝明跃 ꢀ 施ꢀ 宇 ꢀ 张加齐 ꢀ 毛佳伟 ꢀ 程健维 ( 1. 中国矿业大学孙越琦学院;2. 中国矿业大学安全工程学院) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 提出了一种瓦斯钻孔成孔和非凝固绿色浆液封堵瓦斯抽采钻孔的方法。 首先以较小 直接钻杆钻机在煤巷破碎煤体上施工一个抽采钻孔,再用注浆泵以一定压力将一种液体凝胶注满 两端膨胀封堵材料形成的密闭空间;待液体凝胶与破碎煤体紧密固结形成一体后,以扩孔的方式完 成钻孔,减小施工造成的钻孔裂隙。 用注浆泵以特定压力往封孔段注满一种具有固态封堵能力和 良好流动特性的非凝固绿色浆液材料来封堵钻孔,实现动态瓦斯抽采钻孔封孔。 该方法在河南永 城城郊煤矿的应用表明: 瓦斯平均抽采浓度由 20% 提高至 46% ,效果显著。 关键词ꢀ 瓦斯钻孔ꢀ 液体凝胶ꢀ 非凝固绿色浆液ꢀ 动态封孔 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 04. 070 ꢀ ꢀ 常见的一次成孔瓦斯抽采方法由于钻孔孔径 结,有助于减少钻机(钻杆直径为 80 mm)扩孔产生 的裂隙以及封堵钻孔周围 1 m 范围内的破碎煤体裂 隙。 注浆浆料是一种非常黏稠的非凝固液体,是介 于固体和液体之间的半流体物质,具有良好的流动 特性和牢固的堵塞能力。 只要有压力,浆料便可以 在裂隙中流动,主动封堵新生的裂隙,当裂缝尺寸较 小时,浆料流动会遇到很大阻力,导致流动缓慢,从 而达到封堵裂缝的目的。 通过对钻孔施工方法进行 升级并采用新的封堵材料提高瓦斯抽采效果。 大,使本已破碎的煤岩再次受到扰动,促进了钻孔周 边裂隙的产生和发展。 在瓦斯抽采过程中,在抽放 负压、地应力等作用下,抽采钻孔的围岩会出现大量 [ 1-2] ,导致瓦斯从周围裂隙涌向工作面,瓦 次生裂隙 斯抽采浓度降低,影响抽采效果,工作面瓦斯增高 后,极易引起煤矿安全事故, 影响工作面正常生 [ 3-5] 。 因此减少对钻孔周围煤岩的扰动和对抽采 产 瓦斯钻孔进行有效封堵,是提高瓦斯抽采效率的 2 个重要环节。 针对瓦斯钻孔封孔,前人做了大量的 研究,有一次封孔方法和二次封孔技术,传统的封孔 材料包括黏土材料、水泥基材料、聚氨酯材料和高水 材料,目前黏土材料已经很少采用;水泥基材料凝固 后收缩导致围岩裂隙无法填满;聚氨酯材料反应时 会释出大量热量,易引起煤炭自燃。 二次封孔方法 在一次封孔的基础上,重复灌注封孔材料来封堵新 生裂隙,不仅费时费力,并且无法从根本上解决裂隙 不断生成的问题。 为了解决上述问题,本研究提出 了一种两次成孔方法,并在成孔过程中对钻孔周围 裂隙进行预处理,采用基于传统“两堵一注”密封方 法的瓦斯抽放钻孔非凝固绿色浆液封堵瓦斯抽采钻 孔,提高瓦斯钻孔的抽采效果。 2 ꢀ 技术装备 瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液封孔方法如图 1 所示。 首先在瓦斯抽采工作前,使用钻杆直径为 30 mm 的钻机在煤巷破碎煤体上施工一个小钻孔,而 后用注浆泵以不低于 1. 5 MPa 的压力将液体凝胶 注满两端聚氨酯封孔袋,进行反应膨胀封堵钻孔形 成的密闭空间。 0. 5 d 后,液体凝胶与破碎煤体紧 密固结,使用钻杆直径为 80 mm 的钻机进行扩孔, 施工出一个瓦斯抽采钻孔,后将 pvc 管、注浆管、瓦 斯抽采管以及液压计用聚氨酯封孔袋缠绕在一起, 一并送入瓦斯抽采钻孔中的指定位置。 待封孔段两 端的聚氨酯封孔袋充分反应并膨胀形成密闭空间 后,打开注浆管阀门开始将封孔浆液以一定的压力 注入封孔段内,注满封孔空间后还需继续带压注浆 一段时间,直至液压计到达提示停止注浆的压力值 后,关闭注浆管阀门,停止注浆。 定时观测液压计的 示数,当示数下降至补充注浆的压力值后,打开注浆 管阀门进行补浆处理,直至液压计重新达到停止注 浆的压力值位置。 本研究采用的封孔浆液可确保 6 1 ꢀ 基本原理 在瓦斯抽采前,用钻杆直径为 30 mm 的钻机施 工钻孔,钻孔施工后往封孔段注入液体凝胶对破碎 煤体进行预处理。 液体凝胶与破碎煤体的紧密固 ꢀ ꢀ 郝明跃(1997—),男,221116 江苏省徐州市。 2 34 ꢀ ꢀ 郝明跃ꢀ 施ꢀ 宇等:瓦斯抽采钻孔成孔和非凝固恒压浆液封孔方法及应用ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 4 月第 4 期 个月以上的使用周期内始终不脱水。 4ꢀ 现场应用 本研究于 2018 年底在河南省永煤集团城郊煤 矿 21106 工作面布置了 8 个瓦斯抽采钻孔,试验孔 # # # 编号分别为 SY1 、SY2 和 SY3 ,这 3 个钻孔采用二 次成孔方法,采用液体凝胶对钻孔周围煤岩体进行 预处理后,使用非凝固恒压浆液封孔方法进行封孔 作业。 其余 5 个钻孔作为对比孔,使用传统的膨胀 水泥材料进行封孔作业。 8 个钻孔的瓦斯抽采浓度 观测结果见图 2。 由图 2 可知:观测开始时,钻孔的 瓦斯抽采浓度由传统密封方法的 0 ~ 39. 36% 增加 至 83. 74% ~ 95. 47% ;观测结束 10 d 后,钻孔抽放 瓦 斯 的 浓 度 增 加, 由 传 统 密 封 法 的 13. 92% ~ 图 1ꢀ 瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液封孔方法示意 1 —瓦斯抽采钻孔;2—封孔段;3—瓦斯抽采管;4—注浆管; —聚氨酯封孔袋;6—液压计;7—pvc 管;8—封孔浆液; —瓦斯抽采阀门;10—注浆管阀门;11—液体凝胶 5 9 3 ꢀ 优势分析 二次成孔方法减少了对钻孔周边煤岩体的扰 3 5. 04% 提高至 49. 29% ~ 62. 35% 。 采用非凝固的 动,使用液体凝胶对钻孔进行预处理,将原本已经破 碎的煤岩体重新固结在一起,极大减弱了钻孔施工 对煤壁的破坏,减少了钻孔煤壁裂隙的产生。 目前,大多数矿区使用的聚氨酯密封材料在制 备过程中的密封和化学反应环节都有浆液泄漏和聚 集现象出现,易形成热量积聚而产生热量,安全性 差。 本研究封孔材料的主要成分为无机材料,并且 在整个制备过程中不存在发热现象,安全性高。 传统水泥砂浆密封存在的问题有:①由于水泥 比重大,渗透性差,浆液可注性较差,不易注入到微 小的孔隙中,无法完全密封钻孔,漏气通道仍然存 在;②干燥成型后的水泥由于收缩,与孔壁轻微分 离,导致气体泄漏,瓦斯抽放浓度随之降低;③煤岩 体由于持续受到采动影响,新生裂隙不断产生和发 展,水泥浆液注入后只能对现有裂隙进行封堵,而后 产生的裂隙由于水泥浆液已经固结而无法进行处 理,即使进行二次灌浆也只能暂时解决问题。 本研 究采用的非凝固恒压注浆材料可以在瓦斯抽放过程 中一直保持流体状态,不仅可以对现有裂隙进行有 效封堵,而且对新生成的裂隙也可以进行封堵。 在 孔外安置有孔压监测装置,一旦发现孔压下降到临 界值以下,便迅速进行补浆处理,可对瓦斯抽采钻孔 裂隙进行长期高效地封堵,保证工作面瓦斯抽采顺 利进行。 恒压浆液封孔方法的气体浓度始终高于采用传统密 封方法抽采孔内的气体浓度。 并且,采用常规方法 # # # 密封的 5 个孔中,3 个孔(275 、277-2 、276-1 )在检 测开始时并未检测到气体浓度。 通过对比可以明显 发现采用二次成孔加预处理和非凝固恒压浆液灌浆 封孔后,瓦斯抽采浓度有了大幅度提高。 图 2ꢀ 8 个钻孔瓦斯浓度随时间的变化情况 # # # # ■ —278 孔; ▲ —277 孔; ◀ —SY1 孔; ● —277ꢁ2 孔; # # # # ▼ —SY2ꢁ2 孔; △ —276ꢁ1 孔; ◆ —SY3 孔; ▶ —275 孔 5 ꢀ 结ꢀ 语 针对传统封孔方法的缺陷,提出了一整套从瓦 斯钻孔成孔到非凝固恒压浆液持续动态封孔的方 法。 该方法能够有效解决瓦斯抽采过程中难以封堵 新生裂隙的问题,大幅提高了瓦斯抽采浓度。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ 1]ꢀ 孙ꢀ 博. 新型封孔技术在瓦斯抽放钻孔中的应用[J]. 山东煤 炭科技,2018(1):92-93. 以直径为 80 mm 的钻孔、密封段长 10 m、密封 2]ꢀ 孙保国. 煤炭瓦斯二次封孔技术[ J]. 山东煤炭科技,2014 1 00 m 的瓦斯抽放钻孔为例,分别对非凝固恒压浆 ( 11):111-112. 液材料、聚氨酯材料和水泥砂浆进行封孔经济性分 析。 经计算,使用非凝固恒压浆液材料封堵一个钻 孔的成本不超过 100 元,聚氨酯密封材料的成本约 为 300 元,使用水泥砂浆密封的成本约为 60 元,如 果后 2 种材料需进行二次封孔处理,又会增加至少 3]ꢀ 陶ꢀ 斌. 李雅庒矿顺层钻孔两堵一注带压注浆封孔技术[J]. 煤,2018(1):44-45. [4]ꢀ 王世超,刘永茜. 预制粉料充填封孔方法研究及应用[J]. 煤炭 科学技术,2017,45(8):238-242. [ 5]ꢀ 巴全斌,赵旭生,刘延保. 松软煤层顺层钻孔带压注浆封孔技 术研究应用[J]. 煤炭工程,2017,49(7):61-63. 5 0% 的成本。 可见,非凝固恒压浆液材料具有显著 ( 收稿日期 2019-01-11ꢀ 责任编辑ꢀ 王小兵) 的成本优势。 2 35
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