本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究

1、第39卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)Vol.39No.102011年10月Coal Science and TechnologyOct2011本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究黃鑫業(yè),蔣承林(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州221008摘要:針對(duì)平煤集團(tuán)十礦本煤層瓦斯抽采濃度偏低、鉆孔有效抽放周期短的技術(shù)難題,在分析煤體特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有注漿工藝技術(shù),提出了帶壓封孔的技術(shù)方法。闡述了帶壓封孔的基本原理,通過理論分析,確定了帶壓封孔工藝技術(shù)參數(shù),3個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用帶壓封孔技術(shù)可提高本煤層瓦斯抽放濃度30% 55%,并可延長(zhǎng)抽采鉆孔的有效抽采時(shí)間40d 左右。關(guān)鍵詞:本煤層;瓦斯抽放;

2、抽放孔;帶壓封孔;水泥漿中圖分類號(hào):TD712文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):02532336(201110004504Study on Borehole Pressurized Sealing Technology forGas Drainage Borehole in Mining SeamHUANG Xin-ye ,JIANG Cheng-lin(School of Safety Engineering ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China Abstract :According to the techni

3、cal 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 method of the bor

4、ehole pressurized sealing was providedThe paper stated the basic principle of the borehole pressurized sealingWith the theoretical analysis ,the technical parameters of the borehole pressurized sealing technology were set upThe three month industrial trial results showed that the application of the

5、borehole pressurized sealing technology could im-prove the gas drainage content from the mining seam by 30% 55%and could expand the effective drainage time of the gas drainage bore-hole about 40daysKey words :mining seam ;gas drainage ;drainage borehole ;borehole pressurized sealing ;cement grout收稿日

6、期:20110523責(zé)任編輯:代艷玲基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006CB2022043作者簡(jiǎn)介:黃鑫業(yè)(1987,男,河南葉縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈V井瓦斯防治。Tel :136*,E mail :xinyehuang123瓦斯抽采效果不僅取決于煤層瓦斯生成及賦存條件,而且決定于瓦斯抽采工程質(zhì)量。我國(guó)目前大多礦井瓦斯抽采量不達(dá)標(biāo),究其原因除了煤層瓦斯基礎(chǔ)工作做得不夠、抽放瓦斯方法選擇不當(dāng)外,瓦斯抽采鉆孔封孔效果滿足不了工程要求也是一個(gè)重要原因13,因此封孔效果是煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵。目前鉆孔封孔工程存在以下不足:本煤層瓦斯抽采封孔質(zhì)量難以滿足鉆孔密封檢驗(yàn)要求;

7、抽采負(fù)壓偏低;瓦斯?jié)舛绕〉?。?dāng)前國(guó)內(nèi)外采用的封孔技術(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46。其中,水泥砂漿封孔主要適用于傾斜鉆孔,對(duì)于近水平或緩傾斜煤層則不適用;發(fā)泡聚合材料封孔具有聚合材料發(fā)泡倍數(shù)高、質(zhì)量輕、封孔迅速的優(yōu)點(diǎn),但其封孔材料成本高,操作要求高;快速封孔器封孔速度快,可重復(fù)使用降低成本,但效果較差,只適用于臨時(shí)抽放封孔?？傮w來說,現(xiàn)有的瓦斯抽放方法只局限于如何“堵”鉆孔,而未涉及到如何封堵和處理煤層裂隙和瓦斯泄露通道,而這些煤層裂隙和瓦斯泄漏通道隨著瓦斯的抽出會(huì)發(fā)育擴(kuò)張,從而導(dǎo)致抽放后期瓦斯?jié)撃艿靡葬尫?致使煤體發(fā)生變形、位移和泄壓,在抽放負(fù)壓的作用下空氣很

8、容易通過這些裂(孔隙進(jìn)入孔內(nèi),從而導(dǎo)致瓦斯抽放濃度下降,且縮短了瓦斯鉆孔的抽放周期。針對(duì)該技術(shù)難題,提出了帶壓封孔技術(shù)方法,確定了相關(guān)的工藝參數(shù),并在平煤集團(tuán)十礦得到了應(yīng)用。542011年第10期煤炭科學(xué)技術(shù)第39卷1帶壓封孔基本原理本煤層瓦斯抽采帶壓封孔技術(shù),是基于采煤工作面煤壁內(nèi)存在的應(yīng)力擾動(dòng)溝通裂隙,利用帶壓注漿方式來達(dá)到改變瓦斯抽采鉆孔周圍煤體特性和密封微孔裂隙的目的。該技術(shù)利用注漿設(shè)備,以一定壓力將漿液材料壓注到瓦斯抽采鉆孔封孔段空間及周圍孔壁煤體擾動(dòng)裂隙內(nèi)部,漿液在注漿壓力作用下,可以劈裂、擴(kuò)展孔壁內(nèi)煤體裂隙,充填孔隙和煤體凹凸面7,增大漿液擴(kuò)散范圍;并在大滲透壓力梯度作用下滲入煤

9、體微裂隙內(nèi),并產(chǎn)生凝聚力,待漿液固化后,形成樹枝狀分布,并與煤體顆粒固體粘結(jié)在一起,以便徹底密封瓦斯泄漏通道。具體工藝為:封孔前利用壓風(fēng)吹凈孔內(nèi)鉆屑,然后將抗壓無裂縫瓦斯抽采管放入抽采鉆孔內(nèi)一定深度,利用聚氨酯快速構(gòu)筑抽采鉆孔封孔段注漿空間。待聚氨酯完全固化后,再通過孔口端預(yù)留注漿管利用壓力可調(diào)雙液風(fēng)動(dòng)注漿泵向封孔段密閉空間注入水泥漿,要求達(dá)到一定的注漿壓力。注漿完畢,待水泥凝固后,利用壓風(fēng)或注漿泵壓注清水,檢驗(yàn)抽采鉆孔封孔效果。檢驗(yàn)合格則并網(wǎng)進(jìn)行瓦斯抽采。由于聚氨酯完全發(fā)泡后具有一定的承壓能力,從而利用聚氨酯的快速反應(yīng)、承壓性能為抽采鉆孔制造一個(gè)閉合的封孔段空間,使得帶壓封孔成為可能。聚氨酯

10、水泥漿封孔如圖1所示。帶壓封孔工藝流程:吹凈抽放孔內(nèi)鉆屑利用兩段聚氨酯構(gòu)筑封孔注漿空間對(duì)封孔段注漿空間進(jìn)行帶壓注漿封孔效果檢驗(yàn),并網(wǎng)進(jìn)行瓦斯抽放。 1瓦斯抽采花管;2聚氨酯段;3水泥漿段;4抽采管控制閥;5注漿管高壓球閥;6瓦斯氣室圖1聚氨酯水泥漿封孔示意2封孔工藝參數(shù)確定鉆孔封孔段必須滿足注水承壓試驗(yàn),在注漿壓力下,封孔段周圍不會(huì)出現(xiàn)漏水,并且在聯(lián)網(wǎng)抽采時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的抽采負(fù)壓。實(shí)現(xiàn)帶壓封孔技術(shù)前須確定封孔帶壓主要參數(shù):封孔長(zhǎng)度、封孔半徑和注漿壓力。1封孔長(zhǎng)度。為了避免巷道擾動(dòng)裂隙卸壓對(duì)抽采鉆孔封孔段的影響,提高本煤層瓦斯抽采鉆孔密封效果,在設(shè)計(jì)瓦斯抽采鉆孔封孔段長(zhǎng)度時(shí)主要考慮巷道擾動(dòng)裂隙影響范

11、圍。為確定煤層瓦斯抽采鉆孔封孔段長(zhǎng)度,用FLUENT 軟件對(duì)工作面前方煤體中的瓦斯壓力分布進(jìn)行了計(jì)算。首先按瓦斯壓力流動(dòng)場(chǎng)的類型列出微分方程式;再轉(zhuǎn)換成差分方程,按隱式六點(diǎn)式編寫程序求解;最后將解算的結(jié)果用相似理論整理出一般規(guī)律,可信度區(qū)間為95%時(shí),工作面煤體內(nèi)瓦斯抽采鉆孔合理封孔長(zhǎng)度L 1可用式(18計(jì)算:L 1=2.63b 1F 0.420(1F 0=4P 1.50t /(ab 21式中:b 1為工作面煤巷寬度,m ;F 0為時(shí)間準(zhǔn)數(shù);為煤層透氣性系數(shù),m 2/(MPa 2·d ;P 0為原始瓦斯壓力(絕對(duì)壓力,MPa ;t 為工作面暴露時(shí)間,d ;a 為煤層瓦斯含量系數(shù),m

12、3/(m 3·MPa 1/2。同樣利用FLUENT 計(jì)算機(jī)計(jì)算巷道兩幫的瓦斯壓力分布狀況,從而導(dǎo)出要求置信區(qū)間為95%的巷道兩幫煤層瓦斯抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度L 2,其計(jì)算式為L(zhǎng) 2=4.25(P 1.50t /a (2通過計(jì)算,比較兩參量的計(jì)算結(jié)果,以數(shù)據(jù)大者為封孔長(zhǎng)度。因此,現(xiàn)場(chǎng)操作確定具體封孔長(zhǎng)度時(shí),只要收集各地質(zhì)參數(shù),利用式(1和式(2進(jìn)行計(jì)算,即可求出煤層瓦斯抽采鉆孔的合理理論封孔長(zhǎng)度。2封孔半徑。注漿擴(kuò)散半徑影響注漿加固范圍內(nèi)煤體的密實(shí)性,在給定注漿孔布置條件下,注漿擴(kuò)散半徑越大,各注漿孔漿液擴(kuò)散圈相交重疊厚度越大,則煤體被漿液充填的密實(shí)性越高,注漿效果越好。封孔半徑就是注漿漿

13、液擴(kuò)散所達(dá)到的有效范圍,主要基于鉆孔擾動(dòng)裂隙影響范圍而言?？讖降拇_定需依據(jù)抽采管管徑、鉆孔大小,并且應(yīng)滿足從內(nèi)到外的原則。即r 1r n +10r w +10r 2式中:r 1為抽采孔終孔孔徑,mm ;r n 、r w 分別為抽采管內(nèi)外徑,mm ;r 2為開孔孔徑,mm 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),瓦斯抽采鉆孔的煤體擾動(dòng)破壞范圍一般為孔徑的5 10倍,考慮到抽采鉆孔周圍煤體由于地應(yīng)力的存在而具有隨時(shí)間的卸壓裂隙延伸,64黃鑫業(yè)等:本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究2011年第10期故可確定鉆孔擾動(dòng)裂隙影響范圍較計(jì)算值大,從而使得打鉆活動(dòng)造成的擾動(dòng)裂隙影響范圍均包含在封孔半徑影響范圍內(nèi)。3注漿壓力。注漿壓力即為

14、帶壓封孔時(shí)實(shí)現(xiàn)有效封孔半徑的注漿理論壓力。目前巖體結(jié)構(gòu)理論中適用于煤層注漿的理論模型并不多。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制了平板型注漿試驗(yàn)臺(tái),通過試驗(yàn)建立了牛頓流體在水平光滑裂隙面內(nèi)的擴(kuò)散方程,得出了擴(kuò)散半徑R與注漿壓力PG、漿液黏度及注漿時(shí)間T(一般為15min左右之間的關(guān)系:R= 2.210.093(PG PT2r0.21/+r槡0(3式中:P為裂隙內(nèi)地下水壓力,Pa;為裂隙或孔隙的寬度,cm;r為鉆孔半徑,cm,由于煤孔的孔徑不均勻性,這里r=mr/2,m為鉆孔不均勻系數(shù),一般取1.2;r為鉆孔理論孔徑。為了保證注漿效果,課題組既采用了上述理論模型,也采用了一些現(xiàn)場(chǎng)煤層注漿技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。即將式(

15、3移項(xiàng)變形得PG =(Rr2.21/(0.093T2r0.21P(4為驗(yàn)證所得注漿壓力的準(zhǔn)確性,利用式(4得到的注漿壓力帶入式(59進(jìn)行檢驗(yàn)。R=283.82P0.53GM0.230.83T0.55(5其中,M為煤的粒度模數(shù)。若式(5得出漿液擴(kuò)散半徑大于式(4得出的注漿半徑,則可證明該注漿半徑滿足理論要求。根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)注漿的經(jīng)驗(yàn),一般為了使注漿效果達(dá)到最佳,須在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上再加壓,以便漿液能更好地壓入煤體裂隙中。實(shí)際注漿壓力Ps按式(6計(jì)算。Ps =PG(6其中,為冗余系數(shù),取1.2?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí),首先利用式(4和式(5進(jìn)行壓力檢驗(yàn),最終注漿壓力選用式(6計(jì)算的結(jié)果。3應(yīng)用實(shí)例3.1試驗(yàn)工作

16、面平頂山煤業(yè)集團(tuán)十礦位于河南省平頂山市東北部,平頂山煤田東部。2008年該礦絕對(duì)涌出量為130.2m3/min,相對(duì)涌出量為33.8m3/t。試驗(yàn)地點(diǎn)選在戊920180工作面,標(biāo)高510570m,垂深700 1000m,煤層厚度1.1 1.6m,煤層傾角10 14,有效走向長(zhǎng)度915m,采長(zhǎng)200m,煤炭?jī)?chǔ)量32.5萬t。實(shí)測(cè)戊920180工作面瓦斯含量15m3/t,戊組煤煤層透氣性系數(shù)為0.0050.080m2/(MPa2·d。3.2現(xiàn)場(chǎng)封孔參數(shù)的確定考慮到鉆孔卸壓裂隙的相互影響,因此在確定抽采鉆孔參數(shù)時(shí),其鉆孔間距不能小于2倍的卸壓影響半徑。若鉆孔孔徑為120mm,按最大鉆孔裂隙

17、可能影響半徑計(jì)算,即兩孔間距不能短于1.2m。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),采用的鉆孔平均孔間距為5m,遠(yuǎn)超出了兩鉆孔相互影響范圍。1封孔長(zhǎng)度。利用式(1計(jì)算得戊920180工作面理論封孔長(zhǎng)度L1=9.69m;利用式(2進(jìn)行驗(yàn)證得L2=13.98m?？紤]到一定巷道擾動(dòng)裂隙影響冗余度的需要,因此確定封孔長(zhǎng)度為15m。根據(jù)礦井煤層瓦斯地質(zhì)賦存、煤層透氣性系數(shù)及煤體地質(zhì)情況,在煤層瓦斯抽采工作面煤壁打瓦斯抽采鉆孔,封孔段長(zhǎng)度為15m是足夠的。2封孔半徑。根據(jù)十礦戊920180工作面回風(fēng)巷瓦斯抽采計(jì)劃,該回風(fēng)巷所打抽采鉆孔均為百米瓦斯抽采鉆孔,該種鉆孔直接成孔理論孔徑約為120mm,考慮抽采鉆孔擱置造成的卸壓裂隙深部延

18、伸影響,故按最大擾動(dòng)破壞范圍考慮取10倍孔徑,即確定該種鉆孔最大封孔半徑為0.6m。3封孔注漿壓力。為了徹底封堵瓦斯泄漏裂隙通道,因此確定選用425號(hào)普通硅酸鹽水泥,并采用水灰質(zhì)量比21調(diào)制水泥漿。首先確定參數(shù):裂隙水壓力為0,裂隙寬度0.04cm,漿液黏度13.5mPa·s,鉆孔半徑72mm,封孔半徑60cm,煤的粒度模數(shù)1.2820.44,注漿時(shí)間為15min,425號(hào)水泥可注入裂隙寬度一般取值為0.04cm。根據(jù)上述基本參數(shù),利用式(4進(jìn)行計(jì)算得出PG=0.43MPa;利用式(5進(jìn)行檢驗(yàn)得出漿液擴(kuò)散半徑R為93.4 176.6cm,遠(yuǎn)大于借助經(jīng)驗(yàn)確定的最大注漿封孔半徑60cm。

19、因此,可以認(rèn)定該注漿注漿壓力滿足要求。最終根據(jù)式(6,確定注漿壓力為0.52MPa。3.3試驗(yàn)效果及分析以前平煤十礦采用水泥漿+套袋封孔工藝,封孔長(zhǎng)度為6 10m,封孔后初始瓦斯體積分?jǐn)?shù)在30% 90%,經(jīng)過20 40d的抽放,體積分?jǐn)?shù)降到3% 9%,鉆孔的有效抽放期偏短。此次在平煤十礦進(jìn)行帶壓封孔試驗(yàn)期間鉆孔施工參數(shù)基本一742011年第10期煤炭科學(xué)技術(shù)第39卷致,封孔差異主要在封孔工藝不同。孔口抽放負(fù)壓為10 16kPa ,經(jīng)過2個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),選取1號(hào)(十礦傳統(tǒng)封孔工藝、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)鉆孔測(cè)試(2號(hào)6號(hào)鉆孔帶壓分別為0、0.20、0.27、0.34、0.40MPa ,各時(shí)

20、間段鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比如圖2所示。 圖216號(hào)孔瓦斯抽采濃度對(duì)比曲線1號(hào)孔采用傳統(tǒng)封孔工藝,封孔長(zhǎng)度較短,水泥漿非帶壓封孔。瓦斯?jié)舛葟姆饪字缶烷_始迅速衰減,說明在鉆孔抽放負(fù)壓作用下鉆孔周邊的裂隙逐漸發(fā)育,外界空氣通過裂隙進(jìn)入鉆孔導(dǎo)致抽放濃度下降。2號(hào)孔由于帶壓注漿時(shí)壓力過大導(dǎo)致漿液沖開聚氨酯,可以認(rèn)為帶壓為0,此封孔實(shí)際上為水泥漿+聚氨酯封孔,相對(duì)1號(hào)孔抽放濃度有一定的提高,但是隨著抽放時(shí)間的增加和抽放負(fù)壓的作用,抽放濃度在18d 以后迅速衰減。3號(hào)6號(hào)孔孔壁煤體裂隙封堵較未實(shí)現(xiàn)帶壓封孔的2號(hào)抽采孔效果顯著。其中1號(hào)孔平均瓦斯抽采濃度只有6號(hào)孔平均濃度的21.3%左右,2號(hào)孔平均瓦斯抽采濃

21、度只有6號(hào)孔平均濃度的47.6%左右,說明應(yīng)用帶壓封孔方法可提高瓦斯抽放濃度30% 55%,延長(zhǎng)了抽放時(shí)間40d 左右 。圖3封孔壓力與平均抽采瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系3號(hào)6號(hào)孔平均瓦斯抽采濃度與所實(shí)現(xiàn)帶壓封孔的壓力之間的關(guān)系,如圖3所示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論最大注漿壓力0.52MPa 。從圖3中擬合曲線可以看出在未達(dá)到設(shè)計(jì)理論注漿壓力時(shí),呈現(xiàn)的封孔注漿壓力與平均瓦斯抽采濃度之間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。這說明,孔壁周圍煤體內(nèi)擾動(dòng)裂隙分布也是呈近似二次多項(xiàng)式關(guān)系,即距離鉆孔中軸線越遠(yuǎn)的煤體內(nèi)擾動(dòng)裂隙發(fā)育程度越低,越是靠近中軸線,煤體裂隙越是發(fā)育。說明利用帶壓封孔可以實(shí)現(xiàn)改善瓦斯抽采鉆孔周圍孔壁內(nèi)裂隙環(huán)境的目的;也說明了在一定注漿壓力范圍內(nèi),隨著封孔壓力的增加,本煤層瓦斯抽采孔封孔效果將逐步得到提高。4結(jié)論介紹了本煤層瓦斯抽采帶壓封孔技術(shù)原理和工藝,即利用帶壓注漿封孔來實(shí)現(xiàn)封堵孔壁內(nèi)深部煤體瓦斯裂隙。該技術(shù)基于工作面煤巷集中應(yīng)力擾動(dòng)裂隙的客觀存在,利用帶壓注漿實(shí)現(xiàn)封堵瓦斯泄漏微孔、裂隙通道,漿液凝固后生成對(duì)煤體具有較高黏結(jié)性的有機(jī)塑性體,改善孔壁煤體裂隙環(huán)境,提高煤體完整、均一性,從而達(dá)到提高瓦斯抽放效果的目的?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同鉆孔參數(shù)及封孔參數(shù)條件下,實(shí)現(xiàn)帶壓封孔的本煤層鉆孔瓦斯抽采效果比未實(shí)現(xiàn)帶壓封孔效果提高瓦斯抽放濃度30% 55%,延長(zhǎng)抽