带压定向注浆封孔技术在比德煤矿的应用

刘 春 宋小林 周福宝 刘应科

(中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221008)

带压定向注浆封孔技术在比德煤矿的应用

刘 春 宋小林 周福宝 刘应科

(中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221008)

论述了煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术原理,结合定向控制技术,研究了“定长度、定深度”条件下的带压封孔技术。在贵州六枝工矿集团比德煤矿进行了现场应用研究,结果表明,带压定向注浆工艺单孔瓦斯高浓度抽采天数得到提高,单孔平均抽采周期延长了10.3天,表明该工艺具有显著的封堵裂隙特性;带压定向注浆封孔工艺单孔瓦斯抽采量增加了2026.53 m3,煤层瓦斯抽采率增加24.2%,效果显著。

瓦斯抽采 带压封孔 定向控制 注浆 比德煤矿

瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本性措施。我国煤矿瓦斯抽采量大幅度增长,但是决定瓦斯抽采效果的关键因素——封孔技术仍存在一些问题。目前我国煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔技术主要有:风动注水泥砂浆封孔、发泡聚合材料粘合棉纱封孔和 KFB型矿用封孔器封孔等。在经过一定时间的瓦斯抽采后,大量瓦斯被抽出,煤层收缩变形,水泥砂浆封孔后封孔段抵抗变形能力差,容易生成裂隙,形成漏风通道,降低抽采浓度;由于反应时间限制,发泡聚合材料粘合棉纱封孔存在封孔长度达不到要求、材料用量高、操作过程中容易造成材料浪费等问题;KFB型矿用封孔器也存在操作复杂、可重复利用率低的缺陷。

针对以上问题,结合贵州六枝工矿集团比德矿煤层特定条件,提出了带压定向注浆封孔技术,取得了显著效果。

1 技术原理

开采煤层进、回风巷道在掘进后,巷道周边围岩径向产生压应力和压缩变形,而切向将产生拉应力和拉伸变形,由于岩石抗拉强度很差,当拉伸应变超过破坏应变时,径向将产生裂隙,形成裂隙圈。抽采钻孔封孔以后,如果巷道掘进后形成裂隙圈的深度超过封孔的深度,裂隙圈内裂隙将会与抽采钻孔沟通,构成了钻孔短路风流的通道,这些通道影响了抽采钻孔的气密性,导致抽采浓度下降。因此,在确定抽采钻孔封孔长度时,应坚持“保证不吸入空气,又使封孔长度尽量短”的原则。瓦斯抽采钻孔的封孔长度,必须超过巷道周围裂隙圈范围,才能避免空气通过这些裂隙被吸入钻孔和抽采系统。

带压定向注浆封孔技术的指导思想为:(1)利用定向控制技术构造定向空间,保证发泡浆液的长度和深度,实现“定长度”和“定深度”;(2)通过带压注浆泵,把聚合发泡浆液送入定向空间;(3)聚合发泡浆液被注入到定向空间后,在外界持续压力作用下,易于向钻孔周围煤层裂隙渗透,聚合浆液发泡后,煤层裂隙即被封堵,从而减少漏风通道。

1.1 定向控制浆液发泡原理

图1 定向控制浆液发泡工艺示意图

定向控制浆液发泡技术的原理在于构造一个浆液发泡的定向空间:首先让浆液在固定空间里发泡并充满该空间,其次控制发泡深度超出松动圈深度,从而达到密闭的效果。操作工艺如图1所示,具体为如下4步。

(1)定深度。在距离抽采管上端L3长度处缠绕长度为500mm的棉纱,保证L1+L2的长度超出巷道松动圈的深度1～2 m。

(2)定长度。在距离抽采管上端L2+L3长度处缠绕长度为500mm的棉纱并把注浆PVC管固定,之后分别浇盖适量聚合发泡浆液,快速推入抽采钻孔中,待聚合浆液发泡凝固后即形成长度为L2+L3的定向控制空间,如图1(a)所示。根据不同巷道条件,为保障瓦斯抽采量,应控制注浆段L2长度不小于4 m。

(3)向控制空间内注入计量的聚合发泡浆液,发泡后效果如图1(b)所示。注浆量的确定可用式(1)计算。

注浆量计算公式:

式中:W——注浆量,l;

D——钻孔直径,m;

d——瓦斯抽采管直径,m;

L——注浆段L2长度,m;

a——聚合材料发泡倍数,常数。

(4)密封注浆PVC管尾端管口。

1.2 带压注浆原理与设备

针对棉纱粘料封孔技术存在的缺点,带压注浆工艺采用自主研发的矿用手动注浆泵(专利号:CN200610096242.0,见图2),使聚合材料A料和B料在机械压力下边注入边混合,通过注浆PVC管流入定向控制空间内。利用二者的反应延迟时间,把混合浆液的发泡过程控制在定向控制空间内。

该设备通过两个真空泵将A、B料混合并压出,具有重量小、便于在井下携带与维护等优点。

图2 矿用手动带压注浆封孔泵示意图

2 现场应用

比德井田位于威水煤田比德向斜西南冀北中段范围,分属贵州纳雍县阳长镇和水城县比德乡管辖。矿井设计产量120万t/a,服务年限24.5 a。试验煤层6#煤层上距5#煤层6.43～18.05 m,平均11.8 m。煤层厚度 0.61～4.52 m,平均厚1.7 m。煤层倾角12～21°,平均15°,属于稳定全区可采煤层。6#煤层瓦斯压力2.37 MPa,埋深264 m,瓦斯含量 7.27 m3/t,透气性系数为0.1045 m2/MPa2·d,钻孔瓦斯流量衰减系数0.1889 d-1。

比德矿现采用棉纱粘合聚合发泡材料封孔,瓦斯抽采管为单根长度8 m、直径52mm的PE管,抽采钻孔直径约为75mm。由于巷道条件限制,实际操作中塞入棉纱深度较小,棉纱缠绕长度为2～3 m,但单孔平均抽采浓度不足20%,且抽采周期短,严重影响了回采工作的安全。

2.1 方案设计

对照组采用棉纱粘合发泡材料封孔工艺封孔10个(1#～10#),试验组采用带压定向注浆封孔工艺封孔10个(21#～30#)。封孔时间同步,浓度观测同步。经过查阅大量资料和现场实践,巷道周围形成的裂隙圈半径约为3～5 m,考虑到一些其他影响因素,封孔位置应避开裂隙圈,因此封孔位置应在距孔口5～7 m处,封孔长度4～5 m。钻孔参数设计见表1。

表1 钻孔参数设计表

2.2 封孔效果分析

选择在1061巷道施工顺层瓦斯抽采钻孔20个,1#～10#为矿方工艺所封对照孔,21#～30#为带压定向注浆工艺所封试验孔。为保障抽采瓦斯发电要求,当单孔抽采瓦斯浓度连续3天低于10%时,就应停止该孔的抽采工作,由此定义从接入抽采系统时起到该时的持续天数即为该孔的“抽采周期”。表2和表3分别为对照孔和试验孔瓦斯抽采浓度周期分布表。

表2 对照孔抽采瓦斯浓度周期分布表d

表3 试验孔抽采瓦斯浓度持续天数分布表 d

分析表2和表3得出:

(1)对照孔单孔平均抽采周期为27.5 d,试验孔单孔平均抽采周期为37.8 d。抽采周期的提高,保证了抽采瓦斯总流量;

(2)试验孔高瓦斯天数大幅提升,对应钻孔抽采浓度高于60%的天数,对照孔和试验孔平均分别为0.7 d和11.4 d。结果表明,带压定向注浆封孔工艺密闭性能良好,带压注浆封堵裂隙效果得到体现。单孔瓦斯抽采量对比见图3,瓦斯抽采参数见表4。

图3 单孔瓦斯抽采量对比图

表4 瓦斯抽采参数表

由图3和表4可知,带压定向注浆封孔工艺单孔多抽出瓦斯2026.53m3,煤层瓦斯抽采率增加24.2%,单孔可实现瓦斯利用效益701.1元。

3 结论

(1)与对照孔相比,带压定向注浆工艺单孔高浓度抽采天数得到提高,单孔平均抽采周期可延长10.3天,表明该技术密闭性能良好,验证了带压注浆封孔工艺具有显著的封堵裂隙特性。

(2)在比德煤矿应用表明:带压定向注浆封孔工艺单孔平均多抽出瓦斯2026.53m3,且瓦斯抽采率大幅提高,有效减少了工作面瓦斯超限频率,短时间内产煤更多,间接效益明显。

[1]程远平,俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2007(4)

[2]赵正均,郭胜均.KFB型矿用水泥稠浆封孔泵的研制[J].矿业安全与环保,1999(2)

[3]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[K].北京:煤炭工业出版社,2004

[4]魏胜田.高位钻场穿层钻孔预抽上覆被保护层瓦斯技术[J].煤炭科学技术,2007(6)

[5]李波,李长松,魏建平等.套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术,2009(3)

(责任编辑 梁子荣)

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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刘春(1986-),男,山东济宁人,中国矿业大学安全工程学院在读研究生,研究方向为煤矿瓦斯治理技术。