白龍山煤礦兩堵一注、帶壓封技術(shù)應(yīng)用研究

1、.“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)在白龍山煤礦的應(yīng)用研究我國(guó)大部分煤與瓦斯突出礦井采用鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域綜合防突措施，但是目前我國(guó)瓦斯抽采鉆孔的預(yù)抽瓦斯體積分?jǐn)?shù)低，瓦斯抽采鉆孔封孔效果不佳，抽采濃度低，抽采瓦斯量小，導(dǎo)致大多礦井瓦斯抽采量不達(dá)標(biāo)。煤層瓦斯抽采效果的影響因素包括煤層原始瓦斯含量、原始瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造、煤層透氣性系數(shù)、衰減系數(shù)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)等煤層賦存特性，及抽采鉆孔施工參數(shù)、封孔工藝等施工參數(shù)。煤層瓦斯抽采過(guò)程包括鉆孔設(shè)計(jì)、施工、封孔以及合茬連抽等多道工序，其中抽采鉆孔封孔質(zhì)量的好壞直接影響到煤層瓦斯抽采效果，通過(guò)改進(jìn)鉆孔封孔技術(shù)，選用合理的封孔工藝和封孔材料，可以提高鉆孔封孔質(zhì)量

2、，從而提高煤層瓦斯抽采效果。目前國(guó)內(nèi)外用于抽采鉆孔封孔的技術(shù)主要有機(jī)械注水泥砂漿封孔、發(fā)泡聚合材料封孔、封孔器封孔等。但是這些封孔技術(shù)受到了鉆孔方式、封孔成本和封孔效果等因素的影響，均不能很好的滿足白龍山煤礦一井現(xiàn)場(chǎng)的要求。針對(duì)白龍山煤礦一井特有的地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯賦存、煤層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，為了提高封孔質(zhì)量，改善封孔效果，在對(duì)現(xiàn)有的高分子發(fā)泡材料和水泥砂漿封孔技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，提出了新型的“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)，并在云南白龍山煤礦一井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1 “兩堵一注”帶壓封孔原理“兩堵一注”帶壓封孔工藝的原理是：在鉆孔孔口一定距離的抽采管（實(shí)管）兩端布置囊袋A和囊袋B，通過(guò)注漿管向兩個(gè)

3、囊袋注入速凝膨脹封孔注漿液，使囊袋膨脹后在封孔段兩端對(duì)孔壁形成壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定值后，使得中央爆破閥開(kāi)啟，注漿液開(kāi)始填充兩個(gè)囊袋中間封孔段空間，當(dāng)排氣管返回注漿液時(shí)說(shuō)明鉆孔封孔段已充滿，關(guān)閉排氣管后繼續(xù)向封孔段注漿加壓，最后達(dá)到帶壓封孔要求，“兩堵一注”帶壓封孔原理如圖1所示。帶壓封孔使用的速凝膨脹封孔注漿液封孔材料具有凝固膨脹后不析水、微膨脹的特點(diǎn)，因此在鉆孔封孔段充滿注漿液后，在注漿液的凝固過(guò)程中，封孔材料將不會(huì)收縮并繼續(xù)膨脹，充填封孔段周?chē)延械牧严?，提高封孔質(zhì)量，從而達(dá)到密封鉆孔的目的。1囊袋A；2囊袋B；3單向逆止閥；4注漿管；5中央爆破閥；6塑料堵頭；7抽采管（篩孔管）；8速

4、凝膨脹封孔材料；9排氣管；10抽采管（實(shí)管）圖1 “兩堵一注”帶壓封孔原理示意圖2 “兩堵一注”帶壓封孔過(guò)程“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)封孔過(guò)程如圖2所示，具體封孔步驟如下：送入抽采管及封孔裝置首先將抽采管（實(shí)管）和抽采管（篩孔管）送入鉆孔孔底，在鉆孔孔口一定距離的抽采管（實(shí)管）兩端布置囊袋A和囊袋B。注漿囊袋膨脹將速凝膨脹封孔材料與水按1：1比例混合均勻后，啟動(dòng)風(fēng)動(dòng)注漿泵通過(guò)注漿管向兩端囊袋A和B注入速凝膨脹封孔材料漿液，使囊袋膨脹后在封孔段兩端對(duì)孔壁形成壓力，達(dá)到密封鉆孔封孔段兩端的作用。封孔段注漿當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.60.8MPa后，注漿管的中央爆破閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，速凝膨脹封孔注漿液開(kāi)始填充囊袋

5、A和囊袋B中間的封孔段空間，當(dāng)排氣管返回注漿液時(shí)說(shuō)明鉆孔封孔段已充滿。注漿液填充鉆孔孔壁裂隙關(guān)閉排氣管路后繼續(xù)向封孔段注漿，注漿液在注漿泵壓力作用下不斷填充鉆孔孔壁周?chē)严?，?duì)已有的裂隙進(jìn)行封堵。封孔完成當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5MPa，表明鉆孔孔壁周?chē)严兑训玫匠浞痔畛洌_(dá)到密封鉆孔的要求，此時(shí)停止注漿，封孔完成。（a）送入抽采管及封孔裝置（b）注漿囊袋膨脹（c）封孔段注漿（d）注漿液填充鉆孔孔壁裂隙圖2 “兩堵一注”帶壓封孔封孔過(guò)程示意圖3 地面試驗(yàn)及結(jié)果分析在進(jìn)行煤礦井下封孔對(duì)比試驗(yàn)前，在地面進(jìn)行了帶壓封孔模擬試驗(yàn)：用直徑100mm的鐵管模擬井下抽采鉆孔，按照“兩堵一注”帶壓封孔過(guò)程進(jìn)行注漿封

6、孔12h后，將鐵管沿截面切開(kāi)，可以得到模擬鉆孔的剖面，如圖3所示。圖3 “兩堵一注”帶壓封孔模擬鉆孔剖面從圖3中可以看出，模擬鉆孔內(nèi)有瓦斯抽采管、注漿管以及封孔段凝固的封孔材料，其中經(jīng)過(guò)12h后封孔材料已完全凝固，沒(méi)有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，同時(shí)瓦斯抽采管無(wú)受壓變形現(xiàn)象，說(shuō)明該封孔材料能夠有效的密封鉆孔。4 井下試驗(yàn)及應(yīng)用效果分析4.1 煤層賦存條件及鉆孔布置白龍山煤礦一井C2煤層首采工作面煤巷掘進(jìn)期間，沿C8+1煤層布置底板瓦斯抽采巷（C8+1煤層上距C7+8煤層610m，下距C9煤層612m），施工穿層鉆孔對(duì)C2煤層煤巷掘進(jìn)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽及兩幫15m范圍內(nèi)提前進(jìn)行卸壓瓦斯條帶預(yù)抽。底板穿層鉆孔抽

7、采半徑設(shè)計(jì)為2.5m，鉆孔沿煤層走向每間隔5m設(shè)計(jì)施工一排，沿煤層傾向成扇形布置，每排設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔。由于C8+1煤層底抽巷距離C2煤層距離較長(zhǎng)，平均5070m，中間依次穿過(guò)C7+8、C4、C3三層松軟突出煤層，且煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層較多、裂隙較為發(fā)育，對(duì)抽采鉆孔的封孔質(zhì)量要求較高。本次井下封孔試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在巖層賦存條件穩(wěn)定、無(wú)構(gòu)造影響的一采區(qū)C7+8煤層底板巖石回風(fēng)大巷，沿煤層走向每間隔5m設(shè)計(jì)施工7排抽采鉆孔，鉆孔排號(hào)為166172排，每排設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔。抽采鉆孔直徑為108mm，鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)平均為5070m，抽采管直徑為50mm。由于C8+1煤層上距C7+8煤層610m，且C7+8煤

8、層厚度達(dá)3.1m，煤質(zhì)松軟、破碎且煤層瓦斯含量大，為消除C7+8煤層對(duì)C2煤層抽采的影響，設(shè)計(jì)鉆孔封孔段需將C7+8煤層段全部封實(shí)，因此設(shè)計(jì)抽采管總長(zhǎng)度22m，其中實(shí)管16m，篩孔管6m，封孔段長(zhǎng)度達(dá)到15m?！皟啥乱蛔ⅰ睅悍饪足@孔布置如圖4所示。抽采鉆孔采用“兩堵一注”進(jìn)行帶壓封孔注漿3h后，將抽采管連接礦井抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采，并連續(xù)觀測(cè)抽采鉆孔的抽采參數(shù)。圖4 “兩堵一注”帶壓封孔鉆孔布置示意圖4.2 封孔效果分析通過(guò)對(duì)采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行封孔的C7+8煤層底板巖石回風(fēng)大巷166172排共7排抽采鉆孔進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，從中選取第166排和169排抽采鉆孔具體進(jìn)行研究，第166排

9、抽采鉆孔單孔瓦斯抽采濃度見(jiàn)表1，第169排抽采鉆孔單孔瓦斯抽采濃度見(jiàn)表2。表1 166排鉆孔單孔瓦斯抽采濃度統(tǒng)計(jì)表單位：（%）抽采時(shí)間（d）鉆孔編號(hào)1#2#3#4#5#6#7#072.481.084.555.076.838.072.03067.289.062.436.079.341.064.04071.480.050.253.072.840.073.05050.450.667.437.871.047.066.06065.363.458.862.4-41.074.07049.850.067.479.6-60.854.38047.436.842.435.6-51.246.812081.046.85

10、5.455.2-72.485.614052.060.856.272.0-56.456.219070.078.070.067.5-72.870.4表2 169排鉆孔單孔瓦斯抽采濃度統(tǒng)計(jì)表單位：（%）抽采時(shí)間（d）鉆孔編號(hào)1#2#3#4#5#6#7#045.060.052.057.060.062.060.03046.270.038.462.062.059.075.04078.082.076.075.076.058.070.05078.474.642.073.662.458.066.26033.465.070.461.663.858.463.07041.337.049.052.468.043.667

11、.38063.449.663.048.554.051.072.512086.085.083.081.083.086.084.014078.076.270.065.860.063.045.019089.081.672.272.683.075.076.4從表1和表2可以看出，采用“兩堵一注”帶壓封孔的第166排和第169排抽采鉆孔與原有采用瑪麗散封孔的對(duì)比鉆孔相比較，抽采鉆孔的單孔瓦斯抽采濃度提高30%。在抽采負(fù)壓達(dá)32kPa的條件下，經(jīng)過(guò)190d的連續(xù)抽采，第166排和第169排抽采鉆孔的單孔瓦斯抽采濃度仍然維持在30%以上。通過(guò)對(duì)采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行封孔的C7+8煤層底板巖石回風(fēng)大

12、巷166172排共7排抽采鉆孔進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，在抽采負(fù)壓達(dá)20kPa的條件下，每排鉆孔的平均抽采濃度變化規(guī)律如圖5所示。從圖5可以看出，采用原有封孔工藝進(jìn)行封孔的鉆孔平均抽采濃度維持在20%30%，而采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行封孔的166-172排鉆孔的平均抽采濃度均維持在50%80%，提高了23倍。同時(shí)166-172排鉆孔在190d的連續(xù)抽采下，抽采濃度未見(jiàn)明顯衰減，表明采用了“兩堵一注”帶壓封孔工藝后，鉆孔封孔效果得到明顯提高，使得瓦斯抽采的持續(xù)時(shí)間得到大大增加。（a）166167排鉆孔（b）168169排鉆孔（c）170172排鉆孔圖5 166172排鉆孔平均抽采濃度變化規(guī)律C7+8

13、煤層底板巖石回風(fēng)大巷抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度在連續(xù)抽采后下降相對(duì)較為緩慢，沒(méi)有隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，這與抽采鉆孔的封孔質(zhì)量得到大大提高有關(guān)。原有采用的聚氨酯封孔材料與鉆孔孔壁壁面之間不能很好結(jié)合，使得封孔后鉆孔圍巖存在縫隙，同時(shí)普通水泥漿在凝固后會(huì)干裂、產(chǎn)生收縮變形而形成裂隙。而“兩堵一注”帶壓封孔工藝可以使囊袋對(duì)鉆孔孔壁產(chǎn)生壓力，同時(shí)新型封孔材料速凝膨脹封孔材料具有微膨脹性，其凝固后的收縮特征表現(xiàn)不明顯，不易隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng)而形成再生裂隙，從而提高鉆孔的封孔質(zhì)量，進(jìn)而大大增加抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度。4.3 封孔技術(shù)推廣應(yīng)用通過(guò)井下C7+8煤層底板巖石回風(fēng)大巷進(jìn)行“兩堵一注”帶壓封孔試

14、驗(yàn)獲得很好的抽采效果后，繼續(xù)在C7+8煤層底板巖石回風(fēng)大巷、C7+8煤層底板膠運(yùn)大巷及輔運(yùn)大巷等地點(diǎn)進(jìn)行大面積推廣使用。礦井目前采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝進(jìn)行抽采鉆孔封孔的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到960個(gè)，在抽采負(fù)壓達(dá)20kPa的條件下，進(jìn)行90d的連續(xù)抽采，鉆孔的平均抽采濃度均達(dá)到50%以上。由于白龍山煤礦一井C2煤層為3號(hào)無(wú)煙煤，煤質(zhì)松軟、破碎，煤層透氣性低且吸附性極強(qiáng)，抽采鉆孔的單孔流量相對(duì)較低（11.3L/min），鉆孔瓦斯衰減不明顯，有利于煤層瓦斯的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)抽采，礦井將進(jìn)一步研究先進(jìn)的松軟低透氣性煤層瓦斯抽采增透措施，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高白龍山煤礦一井的瓦斯抽采效果。5 結(jié)論（1）“兩堵一注”帶壓封孔工藝是通過(guò)在抽采管兩端布置囊袋并注入速凝膨脹封孔材料，使囊袋膨脹后在封孔段兩端對(duì)孔壁形成壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定值后開(kāi)始填充兩個(gè)囊袋中間封孔段空間，并在鉆孔封孔段充滿后繼續(xù)向封孔段注漿加壓，使得鉆孔孔壁周?chē)严赌軌虻玫接行Х舛?，進(jìn)而達(dá)到帶壓封孔要求