白龍山煤礦兩堵一注、帶壓封技術(shù)應用研究報告

1、-. z.兩堵一注帶壓封孔技術(shù)在白龍山煤礦的應用研究我國大局部煤與瓦斯突出礦井采用鉆孔預抽煤層瓦斯的區(qū)域綜合防突措施，但是目前我國瓦斯抽采鉆孔的預抽瓦斯體積分數(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，導致大多礦井瓦斯抽采量不達標。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)、煤的鞏固性系數(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)。煤層瓦斯抽采過程包括鉆孔設計、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，通過改良鉆孔封孔技術(shù)，選用合理的封孔工藝和封孔材料，可以提高鉆孔封孔

2、質(zhì)量，從而提高煤層瓦斯抽采效果。目前國內(nèi)外用于抽采鉆孔封孔的技術(shù)主要有機械注水泥砂漿封孔、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、封孔本錢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)場的要求。針對白龍山煤礦一井特有的地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯賦存、煤層構(gòu)造和構(gòu)造特點，為了提高封孔質(zhì)量，改善封孔效果，在對現(xiàn)有的高分子發(fā)泡材料和水泥砂漿封孔技術(shù)進展總結(jié)分析的根底上，提出了新型的兩堵一注帶壓封孔技術(shù)，并在*白龍山煤礦一井進展了現(xiàn)場試驗。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管兩端布置囊袋A和囊袋B，通過注漿管向兩個囊袋注入速凝膨

3、脹封孔注漿液，使囊袋膨脹后在封孔段兩端對孔壁形成壓力，當注漿壓力到達一定值后，使得中央爆破閥開啟，注漿液開場填充兩個囊袋中間封孔段空間，當排氣管返回注漿液時說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，最后到達帶壓封孔要求，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，因此在鉆孔封孔段充滿注漿液后，在注漿液的凝固過程中，封孔材料將不會收縮并繼續(xù)膨脹，充填封孔段周圍已有的裂隙，提高封孔質(zhì)量，從而到達密封鉆孔的目的。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速凝膨脹封孔材料；9排氣

4、管；10抽采管實管圖1 兩堵一注帶壓封孔原理示意圖2 兩堵一注帶壓封孔過程兩堵一注帶壓封孔技術(shù)封孔過程如圖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，啟動風動注漿泵通過注漿管向兩端囊袋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孔壁形成壓力，到達密封鉆孔封孔段兩端的作用。封孔段注漿當注漿壓力到達0.60.8MPa后，注漿管的中央爆破閥門自動開啟，速凝膨脹封孔注漿液開場填充囊袋A和囊袋B中間的封孔段空間，當排氣管返回注漿液時說

5、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圍裂隙，對已有的裂隙進展封堵。封孔完成當注漿壓力到達1.5MPa，說明鉆孔孔壁周圍裂隙已得到充分填充，到達密封鉆孔的要求，此時停頓注漿，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程示意圖3 地面試驗及結(jié)果分析在進展煤礦井下封孔比照試驗前，在地面進展了帶壓封孔模擬試驗：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程進展注漿封孔12h后，將鐵管沿截面切開，可以得到模擬鉆孔的剖面，如圖3所示。圖3 兩

6、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12h后封孔材料已完全凝固，沒有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，同時瓦斯抽采管無受壓變形現(xiàn)象，說明該封孔材料能夠有效的密封鉆孔。4 井下試驗及應用效果分析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C2煤層煤巷掘進運輸順槽和回風順槽及兩幫15m*圍內(nèi)提前進展卸壓瓦斯條帶預抽。底板穿層鉆孔抽采半徑設計為2.5m，鉆孔沿煤層走向每間隔5m設計施工一排，沿煤層傾向成扇形布置，

7、每排設計7個鉆孔。由于C8+1煤層底抽巷距離C2煤層距離較長，平均5070m，中間依次穿過C7+8、C4、C3三層松軟突出煤層，且煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)構(gòu)造復雜，斷層較多、裂隙較為發(fā)育，對抽采鉆孔的封孔質(zhì)量要求較高。本次井下封孔試驗地點選擇在巖層賦存條件穩(wěn)定、無構(gòu)造影響的一采區(qū)C7+8煤層底板巖石回風大巷，沿煤層走向每間隔5m設計施工7排抽采鉆孔，鉆孔排號為166172排，每排設計7個鉆孔。抽采鉆孔直徑為108mm，鉆孔長度設計平均為5070m，抽采管直徑為50mm。由于C8+1煤層上距C7+8煤層610m，且C7+8煤層厚度達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C2煤層抽采

8、的影響，設計鉆孔封孔段需將C7+8煤層段全部封實，因此設計抽采管總長度22m，其中實管16m，篩孔管6m，封孔段長度到達15m。兩堵一注帶壓封孔鉆孔布置如圖4所示。抽采鉆孔采用兩堵一注進展帶壓封孔注漿3h后，將抽采管連接礦井抽采系統(tǒng)進展瓦斯抽采，并連續(xù)觀測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 封孔效果分析通過對采用兩堵一注帶壓封孔工藝進展封孔的C7+8煤層底板巖石回風大巷166172排共7排抽采鉆孔進展連續(xù)觀測，從中選取第166排和169排抽采鉆孔具體進展研究，第166排抽采鉆孔單孔瓦斯抽采濃度見表1，第169排抽采鉆孔單孔瓦斯抽采濃度見表2。表1 166排鉆孔單孔瓦

9、斯抽采濃度統(tǒng)計表單位：%抽采時間d鉆孔編號1#2#3#4#5#6#7#072.481.084.555.076.838.072.03067.289.062.436.079.341.064.04071.480.050.253.072.840.073.05050.450.667.437.871.047.066.06065.363.458.862.4-41.074.07049.850.067.479.6-60.854.38047.436.842.435.6-51.246.812081.046.855.455.2-72.485.614052.060.856.272.0-56.456.219070.078

10、.070.067.5-72.870.4表2 169排鉆孔單孔瓦斯抽采濃度統(tǒng)計表單位：%抽采時間d鉆孔編號1#2#3#4#5#6#7#045.060.052.057.060.062.060.03046.270.038.462.062.059.075.04078.082.076.075.076.058.070.05078.474.642.073.662.458.066.26033.465.070.461.663.858.463.07041.337.049.052.468.043.667.38063.449.663.048.554.051.072.512086.085.083.081.083.086

11、.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比照鉆孔相比擬，抽采鉆孔的單孔瓦斯抽采濃度提高30%。在抽采負壓達32kPa的條件下，經(jīng)過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。通過對采用兩堵一注帶壓封孔工藝進展封孔的C7+8煤層底板巖石回風大巷166172排共7排抽采鉆孔進展連續(xù)觀測，在抽采負壓達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

12、5可以看出，采用原有封孔工藝進展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展封孔的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166-172排鉆孔在190d的連續(xù)抽采下，抽采濃度未見明顯衰減，說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)時間得到大大增加。a166167排鉆孔b168169排鉆孔c170172排鉆孔圖5 166172排鉆孔平均抽采濃度變化規(guī)律C7+8煤層底板巖石回風大巷抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度在連續(xù)抽采后下降相對較為緩慢，沒有隨著抽采時間的延長而逐漸降低，這與抽采鉆孔的封孔質(zhì)量得到大大提高有

13、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，同時普通水泥漿在凝固后會干裂、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鉆孔孔壁產(chǎn)生壓力，同時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，不易隨著抽采時間的增長而形成再生裂隙，從而提高鉆孔的封孔質(zhì)量，進而大大增加抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度。4.3 封孔技術(shù)推廣應用通過井下C7+8煤層底板巖石回風大巷進展兩堵一注帶壓封孔試驗獲得很好的抽采效果后，繼續(xù)在C7+8煤層底板巖石回風大巷、C7+8煤層底板膠運大巷及輔運大巷等地點進展大面積推廣使用。礦井目前采用兩堵一注帶壓封孔工

14、藝進展抽采鉆孔封孔的數(shù)量已經(jīng)到達960個，在抽采負壓達20kPa的條件下，進展90d的連續(xù)抽采，鉆孔的平均抽采濃度均到達50%以上。由于白龍山煤礦一井C2煤層為3號無煙煤，煤質(zhì)松軟、破碎，煤層透氣性低且吸附性極強，抽采鉆孔的單孔流量相對較低11.3L/min，鉆孔瓦斯衰減不明顯，有利于煤層瓦斯的長時間連續(xù)抽采，礦井將進一步研究先進的松軟低透氣性煤層瓦斯抽采增透措施，在此根底上進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孔壁形成壓力，當注漿壓力到達一定值后開場填充兩個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，使得鉆孔孔壁周圍裂隙能夠得到有效封堵，進而到達