黄陵二号煤矿抽采钻孔新型封孔技术研究.pdf

黄陵二号煤矿抽采钻孔新型封孔技术研究张佳龙（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 ）摘要：为了确定囊式新型两堵一注一体化封孔器对瓦斯抽采钻孔的封孔效果，以黄陵二号煤矿为工程背景，工作面胶带巷本煤层抽采钻孔为试验对象，开展封孔现场试验及封孔效果考察。结果表明，钻孔孔口抽采负压对钻孔单孔浓度影响较大，但随着孔口负压增大，钻孔抽采浓度降低比较明显，选择最优的抽采负压为 ，可实现瓦斯抽采最大化。经过封孔技术指导，掘进准备队自行封孔，单孔浓度均有较大提升，之前钻孔封孔反馈的瓦斯浓度在 ，分析瓦斯浓度低的原因都归结于钻孔封孔质量不达标，新型囊袋封孔器不仅简化了封孔工艺，同时钻孔平均瓦斯浓度达到 ，钻孔抽采效果大幅度提高。关键词：两堵一注；封孔器；抽采效果；抽采钻孔中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；第 期张佳龙黄陵二号煤矿抽采钻孔新型封孔技术研究袋收稿日期：作者简介：张佳龙（），男，陕西大荔人，助理工程师，现从事煤矿技术管理工作。引言中国煤炭资源开采主要依靠井工开采 。煤层因其赋存条件伴生煤层气（瓦斯），瓦斯既是一种能源资源亦是导致煤矿灾害的主要诱因之一。现阶段治理瓦斯的主要办法是瓦斯抽采 。瓦斯抽采效果是评价瓦斯治理的主要指标 ，瓦斯抽采效果受多因素支配，其中抽采钻孔封孔质量占比最高，而封孔不严，封孔质量差会造成抽采钻孔漏气、浓度低、流量小、抽不出瓦斯等一系列导致抽采效果差、瓦斯治理效果差的问题 。因此，抽采钻孔封孔质量问题必须引起重视，从以前的聚氨酯封孔，水泥砂浆单堵头封孔方式，到现阶段的“两堵一注”。目前两堵一注很盛行，但依然存在很多问题，如堵头在注浆时发生脱落、注浆压力不确定、爆破阀是否打开等问题仍然导致瓦斯抽采钻孔封孔质量差，瓦斯治理效果不好。许多学者根据“两堵一注”工艺及原理不断改进，形成了多种新型的封孔方式和设备 ，文中采用囊袋式新型两堵一注一体化封孔器进行封孔，并考察其效果。概况黄陵二号煤矿 工作面主采 号煤层，平均厚度 ，属侏罗系中统延安组。煤层为黑色块状，条痕黑色，弱沥青光泽，参差状断口，以暗煤为主，亮煤次之，丝炭少量，属半暗型煤，内生裂隙发育，煤层无结构，煤层厚度 ，煤层下部局部含夹矸。地质构造总体构造格架是一个具有波状起伏的倾向北西的单斜构造，地层倾角一般为 。从切眼向停采线煤层底板标高逐渐上升。胶带巷掘进工作面位于井田二盘区东北部，西南至 工作面，南到北一 辅运大巷，东北部为未采区，工作面走向方位为 ，煤层顶底板情况见表。表 煤层顶底板情况 顶底板名称岩石名称厚度 岩性特征老顶细粒砂岩 浅灰色，成分以石英、长石为主，含云母碎片及暗色矿物，条带状结构明显，分选中等，泥钙质胶结，局部有油迹显示直接顶细粒砂岩 灰白色、浅灰色，条带状，成分以石英长石炭屑为主，次为暗色矿物，云母，泥质胶结，斜层理及缓波状层理，富含碳质泥岩，含植物化石碎片，黄铁矿薄膜及煤屑，夹薄层泥岩及煤线直接底泥岩 灰黑色、深灰色，团块状，松软，滑面较发育，含植物根化石老底中粒砂岩 深灰色，成分以石英、长石为主，含大量云母碎片及暗色矿物，泥钙质胶结，不显层理，斑块状含油为提高黄陵二号煤矿瓦斯抽采效率，降低生产成本，提升矿井瓦斯治理水平，黄陵二号煤矿引进囊袋式新型两堵一注封孔器进行封孔试验，试验地点位于矿井北一采区 胶带机巷，试验段共施工钻孔 个，均使用两堵一注囊袋封孔器进行封孔。囊袋式新型两堵一注封孔器结构及原理 结构原理 型两堵一注封孔器由注浆管、返浆管，囊袋，单向阀及爆破阀组成，封孔器原理如图 所示。?图 封孔器封孔原理 封孔工艺封孔过程中，只需将囊袋固定在抽放管上，缓慢送入钻孔即可。使用时先将封孔器固定在抽放管上推入钻孔，注浆时，浆液首先注满囊袋，注浆压力达到 时，爆破阀打开，开始中间注浆段注浆，直至浆液完全注满空间，返浆管开始返浆；关闭返浆管，观察注浆泵压力表，达到指定注浆压力时停止注浆。封孔器实物如图 所示。?图 封孔器实物 新型封孔材料该产品具有膨胀性好、高强度、凝固时间可调、无收缩等技术优势。型无机封孔材料（膨胀型）、型无机封孔材料（快凝型）及 型无机封孔材料（快凝高膨胀型）如图 所示。图 黄陵二号煤矿采用的封孔注浆材料 陕西煤炭 年封孔材料的优点：操作简便，只需将封孔器固定在抽采管上，推入钻孔即可；适用于瓦斯抽采钻孔，不同用途钻孔的封堵，同时适用于上行孔、顺层孔、下行孔的封堵；爆破阀压力可调，囊袋耐压强度高，封孔质量好，可满足钻孔长期高效封堵的需要。钻孔带压注浆，材料的高膨胀性可进一步密封钻孔周围裂隙，持续性提高钻孔的密封效果，提高单孔抽采浓度。缺点：各流程需严格把关，对管理要求高。现场经验掌握及封孔人员业务素质把关，对操作者要求高。封孔要求：煤层钻孔封孔长度 ；高位、顶板钻孔封孔长度 ；底板钻孔封孔长度 。封孔材料与普通 水泥性能对比见表。表 封孔材料与普通 水泥性能对比 性能 普通 水泥水灰比 起膨时间 无膨胀性膨胀终止 无膨胀性终凝时间 膨胀倍率 分层，收缩抗压强度 产品包装 封孔步骤将安装有封孔器的抽采管按顺序送入钻孔内，封孔器总长为 ，分为 节，前后两节各固定有囊袋，孔口囊袋距孔口约 。注浆过程中，需要注意将封孔材料加入水中，边加入边搅拌浆液，水灰比控制在 （质量比），现场可根据经验用手捞出浆液，不漏出皮肤即可。注浆泵连接注浆管开始注浆，起始阶段缓慢注浆（注浆泵阀门开到 ），此时浆液注入 个囊袋内，浆液内的水分通过囊袋过滤排出，缓慢注浆可保证囊袋内的水分充分过滤排出。爆破阀打开后，可加快注浆速度（完全打开注浆泵阀门），返浆管返浆后，对折关闭返浆管，继续注浆（注浆泵阀门开 ），注浆泵压力达到 时（憋压状态）停止注浆。注浆泵使用后，用清水洗净外表及其内部，清洗干净为止；整理现场，将各管路和设备合理归置保存，没用完的材料要放置在干燥通风处，防止失效。工程试验效果分析 钻孔设计煤层施工区域为 胶带巷切眼至停采线区域，共 ，切眼向外 段每 施工 个煤 层 预 抽 钻 孔，设 计 钻 孔 个；切 眼 向 外 至切眼向外 段每 施工 个煤层预抽钻孔，设计钻孔 个；切眼向外 至停采线段每 施工 个煤层预抽钻孔，共施工 个本煤层预抽钻孔，所有钻孔孔深均为 ，钻孔与巷道中线夹角 ，考虑到施工时钻头下沉，施工倾角为 。钻孔孔口位置距巷道底板 。工程试验选用其中的 个钻，分成 组试验对象，主要为囊袋式新型两堵一注封孔、普通两堵一注封孔方式、水泥砂浆单堵头封孔方式，如图 所示。?图 对比试验钻孔布置示意 配套装备及工艺技术钻机采用 型履带式钻机和 履带式钻机，型往复式泥浆泵，钻头为 三翼内凸钻头，钻杆为 刻槽钻杆，当钻孔施工 后，安装防喷孔装置、连接抽采系统后正常施工钻孔。封孔效果分析黄陵二号煤矿 胶带机巷煤层钻孔有试验孔 个，封孔长度 ，孔号（、）为囊袋式新型两堵一注封孔方式，孔号（、）为普通两堵一注封孔方式；孔号（、）为水泥砂浆单堵封孔方式；经过 个月抽采，分析在不同负压下瓦斯抽采浓度，结果见表 。钻孔抽采浓度对应的点线图如图 所示。由图 可以看出，当钻孔抽采负压为 时，钻孔抽采 个月后，浓度大于 的有 个，平均浓度在 。当钻孔抽采负压为 时，试验钻孔瓦斯浓度普遍高于 时的瓦斯抽采浓度，抽采负压在 和 时浓度普遍较 和 低，也说明最优抽采负压为 。当钻孔抽采负压为 时，钻孔抽采 个月后，钻孔 单孔浓度普遍在 左右。钻第 期张佳龙黄陵二号煤矿抽采钻孔新型封孔技术研究孔 由于在钻场前进行施工的钻孔，钻孔受原钻场串孔的影响，钻孔浓度普遍较低。表 封孔试验钻孔参数 孔号 初始浓度 封孔长度 注浆量 袋瓦斯浓度 负压 负压 负压 负压?从图 、图 中可以看出，钻孔孔口抽采负压对钻孔单孔浓度影响较大。随着孔口负压增大，钻孔抽采浓度降低比较明显。经现场钻孔封孔技术指导后，掘进准备队自行封孔，收集 个封孔观测浓度见表 。由表 可以看出，经过 个月的瓦斯抽采，新型封孔方式浓度大于 的有 个，平均浓度在 ，采用普通的封孔后，瓦斯浓度大于 的有 个，平均浓度在 。分析可知，试验对比孔的预抽浓度都随着抽采时间呈波动上升趋势，浓度变化趋势也不同，新型封孔方式下瓦斯抽采钻孔浓度明显高于普通封孔和水泥砂浆封孔。在采用新型封孔方式后，巷道的试验孔预抽瓦斯抽采浓度都有明显的提升，钻孔抽采浓度是钻孔封孔效果的主要评价指标，试验孔平均瓦斯抽采浓度明显高于对比孔，说明在采用改变封孔材料等措施，优化封孔工艺后，封孔效果明显提升，新型囊袋式封孔器效果更好，同时实现带压注浆，有效保证了整体封孔效果，较好地解决了当前瓦斯抽采钻孔封孔存在的问题。表 试验钻孔封孔后瓦斯浓度变化情况 施工地点孔号 初始浓度 封孔长度 瓦斯浓度 新型封孔普通封孔 黄陵二号煤矿 胶带机巷本煤层钻孔 结论（）新型囊袋封孔器不仅简化了封孔工艺，同时提高了钻孔的抽采浓度，钻孔平均浓度达到 ，大大提高了钻孔抽采效果。（下转第 页）陕西煤炭 年图 试验钻孔抽采浓度变化情况?并稳定。由此表明巷道补强支护后取得了良好的支护效果。表 各监测位置与工作面关系 测点原监测位置 天后监测位置 结论（）根据存在极限自稳隐形拱和通过自稳隐形拱的理论确定出选用长 的锚杆和长 的锚索。（）补强支护在原支护的基础上，巷道顶板保证每排有 个锚索锚固点；采面侧和煤柱侧分别采用玻璃钢锚杆、金属锚杆。（）通过对补强支护进行监测，发现工作面超前最大、最小位移量分别为 和 ，巷道补强支护后取得了良好的支护效果。参考文献：李世平 岩石力学简明教程 徐州：中国矿业学院出版社，中国矿业学院 井巷工程 北京：煤炭工业出版社，董方庭，宋宏伟，郭志宏，等 巷道围岩松动圈支护理论 煤炭学报，（）：康红普 巷道围岩的关键圈理论 力学与实践，（）：黄庆享，刘玉卫 巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论 采矿与安全工程学报，（）：康红普 煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望 煤炭科学技术，（）：黄庆享，郑超 巷道支护的自稳平衡圈理论 岩土力学，（）：王军平 浅谈复杂地质条件下巷道支护技术 陕西煤炭，（）：，马振虎 浅埋煤层孤岛工作面回采巷道支护实践 陕西煤炭，（）：刘海东，刘向忠，刘伟冬 顶板破碎围岩巷道“锚护喷注”一体化支护技术研究 煤炭工程，（）：彭泓，刘亚飞 基于光纤光栅技术的巷道支护锚杆受力监测 煤炭科学技术，（）：高鹏 深部综采工作面巷道二次支护实践 陕西煤炭，（）：，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）（）工程试验可以看出，钻孔抽采负压增大容易导致钻孔抽采浓度降低，建议预抽钻孔抽采负压按照 进行控制。（）在封孔工艺优化后，封孔接抽后钻孔平均瓦斯抽采浓度在 ，改进封孔工艺后的封孔效果明显提升。参考文献：陈晓奇 煤矿井工开采引起地表变形问题探究 矿业装备，（）：王舒菲，高鹏“双碳”目标下煤炭行业转型必要性及路径探究 中国煤炭，（）：白克新，李伟，李举东 综采工作面瓦斯抽采技术研究 能源与环保，（）：刘锋 晋平煤业高瓦斯综放工作面瓦斯抽采技术体系 山东煤炭科技，（）：连东东 五阳煤矿煤层瓦斯抽采实践与效果评判探讨 煤，（）：，王雨生 工作面高位巷瓦斯抽采分析 煤炭科技，（）：董恺 影响本煤层瓦斯抽采效果的因素及对策 陕西煤炭，（）：，付天河 黄陵一号煤矿瓦斯抽采参数探索与应用 陕西煤炭，（）：党利鹏 黄陵二号煤矿顺层预抽钻孔合理封孔深度探讨 陕西煤炭，（）：赵杰 水力压裂钻孔最优封孔区间的快速设计方法 陕西煤炭，（）：王敏“两堵一注”带压注浆封孔工艺在上社煤矿的试验应用 煤炭与化工，（）：孙守靖 煤层瓦斯抽采钻孔强弱强新型密封技术研究 煤，（）：尚延龙，谢雄刚，马瑞帅，等 顺层钻孔瓦斯抽采合理封孔深度 矿业工程研究，（）：第 期白云虎谢涛刘涛涛等袁大滩煤矿超长巷道补强支护技术实践