劉 春 宋小林 周福寶 劉應(yīng)科

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

帶壓定向注漿封孔技術(shù)在比德煤礦的應(yīng)用

劉 春 宋小林 周福寶 劉應(yīng)科

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

論述了煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)原理,結(jié)合定向控制技術(shù),研究了“定長(zhǎng)度、定深度”條件下的帶壓封孔技術(shù)。在貴州六枝工礦集團(tuán)比德煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究,結(jié)果表明,帶壓定向注漿工藝單孔瓦斯高濃度抽采天數(shù)得到提高,單孔平均抽采周期延長(zhǎng)了10.3天,表明該工藝具有顯著的封堵裂隙特性;帶壓定向注漿封孔工藝單孔瓦斯抽采量增加了2026.53 m3,煤層瓦斯抽采率增加24.2%,效果顯著。

瓦斯抽采 帶壓封孔 定向控制 注漿 比德煤礦

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本性措施。我國(guó)煤礦瓦斯抽采量大幅度增長(zhǎng),但是決定瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素——封孔技術(shù)仍存在一些問(wèn)題。目前我國(guó)煤礦瓦斯抽采鉆孔的封孔技術(shù)主要有:風(fēng)動(dòng)注水泥砂漿封孔、發(fā)泡聚合材料粘合棉紗封孔和 KFB型礦用封孔器封孔等。在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的瓦斯抽采后,大量瓦斯被抽出,煤層收縮變形,水泥砂漿封孔后封孔段抵抗變形能力差,容易生成裂隙,形成漏風(fēng)通道,降低抽采濃度;由于反應(yīng)時(shí)間限制,發(fā)泡聚合材料粘合棉紗封孔存在封孔長(zhǎng)度達(dá)不到要求、材料用量高、操作過(guò)程中容易造成材料浪費(fèi)等問(wèn)題;KFB型礦用封孔器也存在操作復(fù)雜、可重復(fù)利用率低的缺陷。

針對(duì)以上問(wèn)題,結(jié)合貴州六枝工礦集團(tuán)比德礦煤層特定條件,提出了帶壓定向注漿封孔技術(shù),取得了顯著效果。

1 技術(shù)原理

開(kāi)采煤層進(jìn)、回風(fēng)巷道在掘進(jìn)后,巷道周邊圍巖徑向產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓縮變形,而切向?qū)a(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形,由于巖石抗拉強(qiáng)度很差,當(dāng)拉伸應(yīng)變超過(guò)破壞應(yīng)變時(shí),徑向?qū)a(chǎn)生裂隙,形成裂隙圈。抽采鉆孔封孔以后,如果巷道掘進(jìn)后形成裂隙圈的深度超過(guò)封孔的深度,裂隙圈內(nèi)裂隙將會(huì)與抽采鉆孔溝通,構(gòu)成了鉆孔短路風(fēng)流的通道,這些通道影響了抽采鉆孔的氣密性,導(dǎo)致抽采濃度下降。因此,在確定抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度時(shí),應(yīng)堅(jiān)持“保證不吸入空氣,又使封孔長(zhǎng)度盡量短”的原則。瓦斯抽采鉆孔的封孔長(zhǎng)度,必須超過(guò)巷道周圍裂隙圈范圍,才能避免空氣通過(guò)這些裂隙被吸入鉆孔和抽采系統(tǒng)。

帶壓定向注漿封孔技術(shù)的指導(dǎo)思想為:(1)利用定向控制技術(shù)構(gòu)造定向空間,保證發(fā)泡漿液的長(zhǎng)度和深度,實(shí)現(xiàn)“定長(zhǎng)度”和“定深度”;(2)通過(guò)帶壓注漿泵,把聚合發(fā)泡漿液送入定向空間;(3)聚合發(fā)泡漿液被注入到定向空間后,在外界持續(xù)壓力作用下,易于向鉆孔周圍煤層裂隙滲透,聚合漿液發(fā)泡后,煤層裂隙即被封堵,從而減少漏風(fēng)通道。

1.1 定向控制漿液發(fā)泡原理

圖1 定向控制漿液發(fā)泡工藝示意圖

定向控制漿液發(fā)泡技術(shù)的原理在于構(gòu)造一個(gè)漿液發(fā)泡的定向空間:首先讓漿液在固定空間里發(fā)泡并充滿該空間,其次控制發(fā)泡深度超出松動(dòng)圈深度,從而達(dá)到密閉的效果。操作工藝如圖1所示,具體為如下4步。

(1)定深度。在距離抽采管上端L3長(zhǎng)度處纏繞長(zhǎng)度為500mm的棉紗,保證L1+L2的長(zhǎng)度超出巷道松動(dòng)圈的深度1～2 m。

(2)定長(zhǎng)度。在距離抽采管上端L2+L3長(zhǎng)度處纏繞長(zhǎng)度為500mm的棉紗并把注漿PVC管固定,之后分別澆蓋適量聚合發(fā)泡漿液,快速推入抽采鉆孔中,待聚合漿液發(fā)泡凝固后即形成長(zhǎng)度為L(zhǎng)2+L3的定向控制空間,如圖1(a)所示。根據(jù)不同巷道條件,為保障瓦斯抽采量,應(yīng)控制注漿段L2長(zhǎng)度不小于4 m。

(3)向控制空間內(nèi)注入計(jì)量的聚合發(fā)泡漿液,發(fā)泡后效果如圖1(b)所示。注漿量的確定可用式(1)計(jì)算。

注漿量計(jì)算公式:

式中:W——注漿量,l;

D——鉆孔直徑,m;

d——瓦斯抽采管直徑,m;

L——注漿段L2長(zhǎng)度,m;

a——聚合材料發(fā)泡倍數(shù),常數(shù)。

(4)密封注漿PVC管尾端管口。

1.2 帶壓注漿原理與設(shè)備

針對(duì)棉紗粘料封孔技術(shù)存在的缺點(diǎn),帶壓注漿工藝采用自主研發(fā)的礦用手動(dòng)注漿泵(專利號(hào):CN200610096242.0,見(jiàn)圖2),使聚合材料A料和B料在機(jī)械壓力下邊注入邊混合,通過(guò)注漿PVC管流入定向控制空間內(nèi)。利用二者的反應(yīng)延遲時(shí)間,把混合漿液的發(fā)泡過(guò)程控制在定向控制空間內(nèi)。

該設(shè)備通過(guò)兩個(gè)真空泵將A、B料混合并壓出,具有重量小、便于在井下攜帶與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 礦用手動(dòng)帶壓注漿封孔泵示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

比德井田位于威水煤田比德向斜西南冀北中段范圍,分屬貴州納雍縣陽(yáng)長(zhǎng)鎮(zhèn)和水城縣比德鄉(xiāng)管轄。礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量120萬(wàn)t/a,服務(wù)年限24.5 a。試驗(yàn)煤層6#煤層上距5#煤層6.43～18.05 m,平均11.8 m。煤層厚度 0.61～4.52 m,平均厚1.7 m。煤層傾角12～21°,平均15°,屬于穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。6#煤層瓦斯壓力2.37 MPa,埋深264 m,瓦斯含量 7.27 m3/t,透氣性系數(shù)為0.1045 m2/MPa2·d,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.1889 d-1。

比德礦現(xiàn)采用棉紗粘合聚合發(fā)泡材料封孔,瓦斯抽采管為單根長(zhǎng)度8 m、直徑52mm的PE管,抽采鉆孔直徑約為75mm。由于巷道條件限制,實(shí)際操作中塞入棉紗深度較小,棉紗纏繞長(zhǎng)度為2～3 m,但單孔平均抽采濃度不足20%,且抽采周期短,嚴(yán)重影響了回采工作的安全。

2.1 方案設(shè)計(jì)

對(duì)照組采用棉紗粘合發(fā)泡材料封孔工藝封孔10個(gè)(1#～10#),試驗(yàn)組采用帶壓定向注漿封孔工藝封孔10個(gè)(21#～30#)。封孔時(shí)間同步,濃度觀測(cè)同步。經(jīng)過(guò)查閱大量資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,巷道周圍形成的裂隙圈半徑約為3～5 m,考慮到一些其他影響因素,封孔位置應(yīng)避開(kāi)裂隙圈,因此封孔位置應(yīng)在距孔口5～7 m處,封孔長(zhǎng)度4～5 m。鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)表

2.2 封孔效果分析

選擇在1061巷道施工順層瓦斯抽采鉆孔20個(gè),1#～10#為礦方工藝所封對(duì)照孔,21#～30#為帶壓定向注漿工藝所封試驗(yàn)孔。為保障抽采瓦斯發(fā)電要求,當(dāng)單孔抽采瓦斯?jié)舛冗B續(xù)3天低于10%時(shí),就應(yīng)停止該孔的抽采工作,由此定義從接入抽采系統(tǒng)時(shí)起到該時(shí)的持續(xù)天數(shù)即為該孔的“抽采周期”。表2和表3分別為對(duì)照孔和試驗(yàn)孔瓦斯抽采濃度周期分布表。

表2 對(duì)照孔抽采瓦斯?jié)舛戎芷诜植急韉

表3 試驗(yàn)孔抽采瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)天數(shù)分布表 d

分析表2和表3得出:

(1)對(duì)照孔單孔平均抽采周期為27.5 d,試驗(yàn)孔單孔平均抽采周期為37.8 d。抽采周期的提高,保證了抽采瓦斯總流量;

(2)試驗(yàn)孔高瓦斯天數(shù)大幅提升,對(duì)應(yīng)鉆孔抽采濃度高于60%的天數(shù),對(duì)照孔和試驗(yàn)孔平均分別為0.7 d和11.4 d。結(jié)果表明,帶壓定向注漿封孔工藝密閉性能良好,帶壓注漿封堵裂隙效果得到體現(xiàn)。單孔瓦斯抽采量對(duì)比見(jiàn)圖3,瓦斯抽采參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 單孔瓦斯抽采量對(duì)比圖

表4 瓦斯抽采參數(shù)表

由圖3和表4可知,帶壓定向注漿封孔工藝單孔多抽出瓦斯2026.53m3,煤層瓦斯抽采率增加24.2%,單孔可實(shí)現(xiàn)瓦斯利用效益701.1元。

3 結(jié)論

(1)與對(duì)照孔相比,帶壓定向注漿工藝單孔高濃度抽采天數(shù)得到提高,單孔平均抽采周期可延長(zhǎng)10.3天,表明該技術(shù)密閉性能良好,驗(yàn)證了帶壓注漿封孔工藝具有顯著的封堵裂隙特性。

(2)在比德煤礦應(yīng)用表明:帶壓定向注漿封孔工藝單孔平均多抽出瓦斯2026.53m3,且瓦斯抽采率大幅提高,有效減少了工作面瓦斯超限頻率,短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)煤更多,間接效益明顯。

[1]程遠(yuǎn)平,俞啟香.中國(guó)煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(4)

[2]趙正均,郭勝均.KFB型礦用水泥稠漿封孔泵的研制[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,1999(2)

[3]于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[K].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004

[4]魏勝田.高位鉆場(chǎng)穿層鉆孔預(yù)抽上覆被保護(hù)層瓦斯技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(6)

[5]李波,李長(zhǎng)松,魏建平等.套管帶壓固結(jié)封孔技術(shù)在瓦斯壓力測(cè)定中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009(3)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Research and application of directional grouting sealing under pressure technology in Bide coalmine

Liu Chun,Song Xiaolin,Zhou Fubao,Liu Yingke
(Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

The principle of grouting sealing under pressure has been discussed.Associated with directional control,the grouting sealing under pressure was researched under conditions of fixed length and depth.The field application has been carried out in Bidemine of Liuzhi coal industry group in Guizhou.The results show that the average drainage period of high concentration gas in single hole is 10.3 days longer than which by directional grouting sealing under pressure,the gas drainage increases 2026.53 m3with the increase of 24.2%,suggesting good advantages in crack sealing.

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TD713

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劉春(1986-),男,山東濟(jì)寧人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院在讀研究生,研究方向?yàn)槊旱V瓦斯治理技術(shù)。