厚煤層順層長鉆孔封孔新工藝瓦斯抽采技術(shù)

曹學(xué)軍，李軍艦，趙勇

(淮南礦業(yè)集團潘三礦辦公室，安徽淮南232096)

摘要：為解決潘三煤礦順層鉆孔封孔不嚴(yán)造成消突效果差和CO超標(biāo)的問題，結(jié)合礦井煤層實際情況，提出了一種新封孔工藝瓦斯抽采技術(shù)，此項技術(shù)包括選擇初凝時間可調(diào)、流動性強的速凝膨脹封孔劑，帶壓封孔以及增加封孔長度等措施。經(jīng)1762(3)綜采工作面現(xiàn)場實踐證明，順層鉆孔抽采濃度大幅增加，CO超標(biāo)現(xiàn)象明顯減少，封孔效果良好。

關(guān)鍵詞：順層鉆孔；封孔；瓦斯抽采

中圖分類號：TD712.6文獻標(biāo)志碼：B

收稿日期：2013-07-28

作者簡介：曹學(xué)軍(1970-)，男，安徽壽縣人，工程師，學(xué)士，研究方向：煤礦安全工程。

Gas Drainage Technique with New Sealing Method of

In-seam Long Boreholes in Thick Coal Seam

CAO Xue-jun, LI Jun-jian, ZHAO Yong

(Administration Department of Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Anhui 232096, China)

Abstract:In order to solve the problem in Pansan Coal Mine that in-seam borehole poorly sealed leads to bad effect of outburst elimination and carbon monoxide exceeding the critical value, according to the conditions of coal seam in Pansan Coal Mine, a new sealing technique was proposed, using a new sealing material with good fluidity and rapid distensibility, and injecting material into the boreholes with high pressure and increasing sealing length. According to the field practice in Panel 1762(3), the drained out gas concentration increased dramatically, and the cases of carbon monoxide exceeding the critical value decreased. The effect of borehole sealing is good.

Key words:in-seam borehole; borehole sealing; gas drainage

潘三礦的13煤、11煤等突出危險區(qū)綜采工作面回采前均采用順層鉆孔預(yù)抽消突，因抽采濃度低，合茬抽采后單孔濃度普遍在15%以下，而且衰減后，下降到5%～10%，還經(jīng)常出現(xiàn)CO達(dá)到或超過24×10-6，造成90%以上鉆孔間歇性抽采。為盡早實現(xiàn)工作面預(yù)抽達(dá)標(biāo)，我礦采取將順層鉆孔施工間距由10 m加密為5 m，甚至2.5 m，靠增加鉆孔量或延長抽采時間提高抽采量。不僅費時費力費財，還因為抽采出現(xiàn)CO存在自然發(fā)火重大安全隱患，不能實現(xiàn)快速安全消突。

經(jīng)分析順層長鉆孔停抽原因，主要是封孔不嚴(yán)，封孔工藝不過關(guān)造成鉆孔漏氣，鉆孔在煤層中施工，周圍煤體相對比較松軟，裂隙發(fā)育程度較高，傳統(tǒng)封孔工藝很難解決抽采漏氣問題[1]。鉆孔漏氣導(dǎo)致單孔瓦斯?jié)舛人p快[2]，而且強抽易引起煤體提前氧化，出現(xiàn)CO。為了達(dá)到抽采濃度最大化、抽采時間持續(xù)化，最終實現(xiàn)采煤工作面快速消突，在1762(3)綜采工作面順層鉆孔實施新工藝封孔抽采技術(shù)。

1工作面概況

1762(3)工作面標(biāo)高-640～-584 m，處于13煤突出危險區(qū)域，瓦斯原始壓力2.5 MPa，瓦斯含量8.2 m3/t。軌道順槽及切眼采用底板巷穿層鉆孔掩護，運輸順槽為沿空掘進。工作面走向長度為870 m，傾斜長度為242 m，煤層平均厚度為4m， 工作面內(nèi)煤層角度6°～11°， 平均為7°。 工作面回采前， 采用順層長鉆孔預(yù)抽消突， 分別在軌、 運順垂直巷幫開孔， 相向施工， 間距10 m，軌順設(shè)計81個，長110 m，為下向順層孔。運順設(shè)計80個，長140 m，為上向順層孔(見圖1)。

選擇1792(3)工作面為比對面，主要是1762(3) 工作面與1792(3)工作面屬于同采區(qū)同煤層，工作面消突措施相同。

2創(chuàng)新順層長鉆孔封孔新工藝

封孔新工藝主要特點：選擇初凝時間可調(diào)，流動性強的速凝膨脹封孔劑；實現(xiàn)帶壓封孔，注漿壓力達(dá)到2 MPa，對鉆孔周邊松散的煤體和裂隙加強密封；增加封孔長度，由12 m加長為14 m，以減少穿層鉆孔影響；加強現(xiàn)場組織管理，確保封孔質(zhì)量。

2.1封孔材料選擇

以往潘三礦順層長鉆孔，采用聚氨酯有機發(fā)泡材料作為封孔劑進行封孔。應(yīng)用實踐中發(fā)現(xiàn)，抽采效果不夠理想。主要表現(xiàn)在，一方面，抽采瓦斯?jié)舛鹊?，抽采效果差，影響了消突效果；另一方面，抽采鉆孔CO超標(biāo)，甚至出現(xiàn)過鉆孔發(fā)火的現(xiàn)象。

出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因在于，封孔效果差，出現(xiàn)抽采鉆孔漏氣。而造成聚氨酯封孔漏氣的原因在于以下兩個方面：一方面，順層鉆孔的孔口段處在巷道的塑性破壞范圍內(nèi)，煤體完整性差，裂隙和節(jié)理發(fā)育，具有一定的滲透性；另一方面，聚氨酯封孔劑，初凝時間難以調(diào)節(jié)，封孔長度不易控制，聚氨酯反應(yīng)速度太快，不能使鉆孔周邊松散煤體和縫隙得到充分密封[3]。

為了提高順層鉆孔的密封性，需要找到一種新型的封孔材料。新型的封孔材料必須具備以下特點：初凝時間可調(diào)，封孔長度容易控制，材料的流動性強，能夠滲流到鉆孔周圍的裂隙中，充分密封鉆孔。通過比較多種具有類似這種特性的材料，并經(jīng)過多次密封試驗，最后確定選用JD-WFK-2型速凝膨脹水泥封孔劑，作為新的封孔材料。

該速凝膨脹封孔劑外觀為灰色粉末，無毒、無污染、無腐蝕性。將材料按比例1：1兌水施工，制料過程中發(fā)生單純的物理絡(luò)合反應(yīng)，反應(yīng)不劇烈，無明顯熱量放出，無有毒有害氣體生成。該封孔劑初凝時間可調(diào)，封孔長度容易控制，流動性強。該封孔劑的膨脹系數(shù)為0.8%～1.2%，凝固膨脹后不析水，密實性好。在封孔時，采用帶壓注射，封孔劑能夠滲流到鉆孔周圍煤體的裂隙內(nèi)，能夠顯著提高鉆孔的封孔質(zhì)量。

2.2封孔工序

2.2.1掃孔下套管前，利用壓風(fēng)，通過鉆桿，將封孔段內(nèi)的煤粉全程清掃干凈。

2.2.2下套管及堵孔采用2 m花管、12 m實心雙抗管和2 m實心鐵管，連接成抽采管?；ü芊胖迷阢@孔前段，雙抗管與花管連接。雙抗管前端2 m包裹棉紗與聚氨酯混合物，并用鐵絲固定。將底部敷設(shè)棉紗的雙抗管送至孔中預(yù)定深度后，反復(fù)抽動雙抗管路，使底部棉紗與孔壁充分接觸，形成前端封堵段。在前端封堵段后，鋪設(shè)兩路鋼管，分別做為注漿管和返漿管，兩路鋼管在孔口處外露0.3 m。注漿管長度4.0 m；若為上向鉆孔，則返漿管長12 m；若為下向鉆孔，則返漿管長度為4.0 m。在孔口段，采用速凝膨脹封孔材料或聚氨酯進行封堵，封堵深度1.5 m，凝固時間10 min。封孔段配置兩路鐵管，在孔口安設(shè)球閥，外露300 mm，分別做為注漿管和返漿管，注漿管長4 m，返漿管上向孔長12 m，下向孔長4 m(見圖2)。

2.2.3壓注封孔材料采用型號OZB-50-6風(fēng)動注漿泵注漿，將速凝膨脹封孔劑與水按1∶1比例混合后注入孔中，當(dāng)預(yù)埋返漿管有漿液流出時，鉆孔內(nèi)漿液已滿， 此時關(guān)閉返漿管路球閥繼續(xù)注漿。經(jīng)過反復(fù)試驗，確定了帶壓注漿的壓力和時間最佳值，即注漿泵壓力達(dá)到2 MPa，保持注漿5 min后停止注漿并關(guān)閉注漿管，此時鉆孔內(nèi)裂隙已經(jīng)充分封堵。由于速凝膨脹封孔劑具有凝固膨脹后不析水，膨脹系數(shù)高的特點，因此在停泵后，漿液凝固過程中，材料將繼續(xù)膨脹，充填裂隙，達(dá)到密封鉆孔的目的(見圖3)。

2.2.4合茬抽采待注漿4 h后，封孔材料完全凝固，即可連接抽采管路進行瓦斯抽采，抽采負(fù)壓保持在13～15 kPa。

3抽采效果分析

在1762(3)工作面已成功使用新的封孔工藝封孔139個。封孔后瓦斯抽采數(shù)據(jù)與1792(3)順層孔抽采數(shù)據(jù)對比如表1所示，單孔濃度對比如圖4所示，單孔抽采純量對比如圖5所示。

注：抽放負(fù)壓13 kPa

由表1、圖4及圖5可看出，新的封孔工藝與老的封孔工藝對比，在相同負(fù)壓(13 kPa)下鉆孔的抽采效果有了很大程度提高，一個月后的抽采濃度由原來10%，提高到25%，增幅達(dá)到150%。不僅如此，新的封孔工藝的應(yīng)用，提高了鉆孔的密封性，鉆孔因抽采漏氣出現(xiàn)CO氣體的幾率大大降低(見圖6)，延長了鉆孔抽采壽命(見圖7)。

目前1762(3)順層鉆孔平均抽采時間已持續(xù)達(dá)兩個月以上，單孔平均抽采量0.05 m3/min，相比1792(3)工作面順層孔抽采壽命而言，提高了9倍以上。

4結(jié)論

通過改進封孔工藝與加強現(xiàn)場管理相結(jié)合，潘三礦在1762(3)順層長鉆孔瓦斯抽采濃度和連續(xù)抽采時間，相對于以前封孔工藝，兩個月后單孔平均抽采濃度，由原來不到10%，提高到25%，增幅達(dá)到150%，鉆孔因CO濃度大于24×10-6而停抽率由原來74%降為2%，降低了近37倍。

參考文獻：

[1]WANG LIANG，CHENG YUAN-PING，LI FENG-RONG，et al.Fracture evolution and pressure relief gas drainage from distant protected coal seams under an extremely thick key stratum [J].Journal of China University o f Mining & Technology，2008，18 (2)：182-186.

[2]王兆豐. 我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討[J]. 焦作工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版， 2003， 22(4)：241-246.

[3]周福寶， 李金海， 昃璽， 等.煤層瓦斯抽采鉆孔的二次封孔方法研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2009， 38(6)： 64-67.

(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)