第29卷第2期 矿业工程研究 VoI.29 No.2 2014年 6月 Mineral Engineering Research Jun.2014 doi:10.13582/j.cnki.1674—5876.2014.02.0O4 煤矿底抽钻场瓦斯抽采浓度低的原因分析 陈凯 ,秦汝祥 ' (1.安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南232001; 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南232001) 摘要:针对平顶山煤矿底抽巷穿层钻孔封孔工艺复杂,抽采瓦斯浓度低等问题,提出了“两堵一注”封孔新工艺,并对 该装置封孔原理和封孔工艺进行了较为详细介绍.指出了该方法能够在瓦斯抽采方面取得很好的效果,但在平煤十三矿底 抽巷的D23钻场得不到预期的效果,为此展开了各方面的研究.通过测量D23钻场每组平均瓦斯浓度,得出每组钻孔平均 瓦斯浓度低于30%,达不到瓦斯抽采的预期效果,为此结合现场实际地质资料和分析钻场周围水的原因,得出了钻场周围 断层较为发育,沟通了底抽巷的空气进入钻孔中,同时水也对瓦斯抽采浓度造成一定程度的影响.为此提出了3点技术措 施:合理布置抽采钻场位置;降低水的影响;封孔质量标准化. 关键词:瓦斯抽采;封孔;钻场;地质资料 中图分类号:TD712.6 文献标志码:A 文章编号:1672—9102(2014)02—0015—04 Analysis of the causes of low concentration of the gas extraction in a low drilled field of coal mine CHEN kai ,QIN Ruxiang t (1.School of Energy and Safety,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 2.Provice and MOE Joint Established Key lab of Mine safety and High Efifcient Mining, Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China) Abstract:According to the problems of complicated hole sealing processes and low gas concentration in bottom pumping alley of Pingdingshan coal mine,this paper proposes a new sealing technology,i.e.“two stuck and a grouting”,and describes the principle of the device sealing and sealing process in detail.This paper laso points out that in gas drainage this method can achieve good results,but the drilling field of D23 of coal bottom pumping alley at the thirteenth mine in Pingdingshan cannot get the desired effect,SO the research of lal aspects must be discussed.By measuring the average gas concentration of each group of D23 drilling field,it concludes that each group borehole gas average concentrations are less than 30%,not reaching the expected effect of gas extraction,SO we consider the actual geological data and the water around this drill field.It also concludes that the fault around the drilling ifeld is developing and communicating air of bottom laley into hte drilling hole,water can also make effects on the concentration of the gas extraction.At lsat,this paper puts forward three technical measures to make them better,that is suitable extraction drilling position,reduce the influence of the water,and developing hole sealing quality. Key words:gas extraction;hole sealing;drilling field;geological data 随着我国煤矿开采的延深和开采强度的增大,瓦 来严重的灾难,同时瓦斯也是一种洁净的能源.目前 斯问题制约着矿井安全高效生产.瓦斯能够给矿井带 煤矿在瓦斯治理的过程中,瓦斯抽采是必不可少的一 收稿日期:2013—12—30 通信作者:秦汝祥(1975一),男,江苏高邮人,副教授,研究方向:煤矿安全.E—mail:rxqin@aust.edu.ca 16 矿业工程研究 2014年第29卷 个重要环节,瓦斯抽采也是预防煤与瓦斯突出最有效 的途径之一….抽采效果的好坏主要取决于钻孔的封 一体化囊袋式“两堵一注”封孔装置能够抽采 高浓度的瓦斯,说明其封孔质量较好,为了进一步 孔质量.钻孔封孔质量受制于封孔方法和封孔工艺. 推广应用,却发现此种方法在河南平煤十三矿底抽 目前我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔主要有“一堵一注” 巷D23钻场取得不了预期的抽采浓度,为此展开 和“两堵一注”2种封孔工艺.为了实现高效瓦斯治 了原因分析和研究. 理,抽采大量高浓度瓦斯,平煤勘探处于2012年开展 了一体化囊袋式“两堵一注”封孔装置的研制项目,并 1 “两堵一注”封孔原理 在河南八矿试验中获得成功,封孔抽采46 d后仍能保 “两堵一注”封孔装置主要由1根注浆管、2个 证抽采浓度在30%左右,同时在其他矿井的部分地点 囊袋、2个单向阀和1个爆破阀组成,其结构如图1 的试验钻孔中抽采了高浓度瓦斯. 所示. 瓦斯抽采管 囊袋 接头 爆破阀 单向阀 抽采花管 图1 封孔装置结构示意图 囊袋起到在设计封孔段形成堵头的作用;单向 采套管与封孔装置相连,瓦斯抽采套管一般3 m长 阀起到控制浆液进入囊袋而不发生回流的作用;爆 的1根,根据煤层厚度及钻孔仰角,确定花管数量; 破阀能实现在囊袋充满浆液达一定压力形成有效 岩孔段采用实管,抽采管之间连接后涂抹密封胶,防 封孔空间后,向封孔段注浆的作用. 止漏气.(3)下抽采套管及封孔装置.将连接封孔装 一体化囊袋式“两堵一注”封孔中不设返浆 置的抽采管送入钻孔,要求里端囊袋尽量送入煤层 管,利用1根注浆管先形成钻孔密封空间后进行密 底板以下0.5 m位置.外囊袋距离里囊袋8 m,也就 封空间的封孔工艺.其封孔是利用注浆泵形成的压 是封孔长度采用8 m封孔段.抽采套管进入钻孔设 力打开囊袋的单向阀,浆液进入(图1中)封孔的 定位置后,可利用聚氨酯固定抽采套管与孔壁. 前后2个囊袋,当囊袋充满浆液后,注浆泵持续注 (4)注浆封孔.向搅拌桶装入一定量的水后,水泥材 浆进入囊袋,囊袋内及注浆管内压力必然升高,于 料采用该勘探处自行研制的新型封孔材料,按水灰 此同时2个囊袋之问的钻孔形成了密封空间. 比1.2:1的比例加入专用封孔材料,搅拌均匀. 当压力升高至一定值时,2个囊袋之间的注浆管上 利用专用接口将注浆泵出口与封孔装置注浆 的爆破阀(图1)打开,浆液进入囊袋之间的密闭钻 管相连,启动注浆泵开始注浆.采用带压封孔工艺, 孔空间,充填该段钻孔.这一过程中受单向阀的控 注浆过程中风压表保持在0.4 MPa,注浆压力保持 制作用,即便注浆管内压力有轻微的下降,囊袋中 在1.8 MPa以上.注浆过程中,2个囊袋被浆液填 的浆液也不会出现逆流,且能保持高压充满状态. 充,8 m段形成了相对封闭的空间,等到2个囊袋 当注浆泵继续注浆时,2囊袋间钻孔内浆液压力升 充分展开以后,2个囊袋中间的爆破阀自动打开, 高,以致浆液进入钻孔周边裂隙.随着浆液进入裂 于是浆液填充到2个囊袋之间封闭的空间,带压封 隙范围扩散,注浆管内压力继续升高,当浆液压力 孔的原理就是采用固体封液体,液体封气体,随着 达到注浆泵设定的高压后,注浆泵自动停泵,注浆 浆液的进一步增多,钻孔的裂隙会被浆液填充,能 过程完成. 够取得较好的封孔效果.从实验成功的矿井便可以 2 “两堵一注”封孔工艺 看出此方法的优越性. 本次封孔里囊袋的位置在岩煤的结合处,抽采 “两堵一注”封孔工艺如下:(1)扫孔.钻孔成孔 花管完全贯穿了煤层,而抽采直管接在花管后面, 后,退出钻杆,采用压风清扫钻孔,排除钻孔中残余 封孔时,根据打钻的实际情况,将里囊袋放在至少 煤(岩)细屑.(2)连接抽采套管.在巷道中将瓦斯抽 离煤层0.5 113.,且囊袋捆绑在直管上.根据巷道的 第2期 陈凯,等:煤矿底抽钻场瓦斯抽采浓度低的原因分析 17 松动圈理论,封孔段完全摆脱了在巷道的松动范围 内.事实证明这种封孔工艺效果较为理想. 3底抽巷地质概况 新试验的矿井为高瓦斯突出矿井.试验地点为 工作面机巷底抽巷,机巷底抽巷开口标高: 一515.2 m,终点标高:一627.43 m,机巷底抽巷 1 071.867 m.该采面回采煤层较为稳定,厚度在 4.35~6.2 m之间,平均5.8 m,煤层倾角10。~ 26。.底抽巷巷道平均高度3.5 m(中心高度),平均 巷宽在4.5 m左右,巷道采用锚网支护.根据该采 面实际揭露资料,该采面构造相对较为复杂,已开 采的采面机巷揭露的H=2.0,1.6,1.5,3.5 m断 层都将发育到该采面,其中物探的F17,H=24 m 正断层由于落差较大,且几乎贯穿整个采面,对生 产影响极大. 煤层直接顶为0.6—2.6 m砂质泥岩,老顶为 1.2~8.1 m细中粒砂岩;直接底为0.2~3.5 m砂 质泥岩,老底为4.7~9.4 m细砂岩与砂泥岩互层. 该采面的机巷底抽巷施工层位石炭系太原群泥灰 岩层中,距煤层底板l2~19 m.原施工巷道在穿越 该煤层时发生了煤与瓦斯大型突出,且原巷道突出 点走向水平距离D23钻场为296 m,倾向垂直距离 为57 m,巷道上下垂直距离为18 m,底抽巷在下, 原施工巷道在上.发生突出后,原巷道封闭死.上一 个煤层采面的泄水巷距离1323钻场走向垂直距离 为145 m,空间垂直距离为70 m.D23钻场外口的 D12,D13,D14,D15,D16钻场部分钻孔发生了喷 孔和喷煤现象,D17一D22钻场均未打钻,且距离 D23钻场长度为275 m. 4 钻场瓦斯抽采浓度不高原因分析 4.1 钻场穿层钻孔设计 D23钻场共布置9组钻孔,每组共13个钻孔. 按照编号:1 ~13 .钻孔孔径94 mm,钻孔的终孔 位置为煤层顶板0.5 m处,钻孔设计角度,1 ~13 分别为123。,120。,l15。,l10。,103。,98。,95。,90。, 86。,76。,66。,56。,47。. 4.2钻孔联网后瓦斯浓度 为了便于说明问题,取每组钻孔的平均瓦斯浓 度代表该组的瓦斯浓度,钻孔联网后抽采一周后的 瓦斯浓度.D23—1~D23—9分别为6.2%,28%, 23.7%,14.2%,15.9%,8.3%,6.0%,5.9%, 19.8%. 可以看出,抽采1周后瓦斯浓度都低于30%, 这说明封孔质量不高,直接影响了瓦斯抽采效果, 为此展开了钻场抽采瓦斯浓度低的原因分析. 钻孔联网后抽采1个月的钻孔瓦斯浓度: D23—1~D23—9分另0为5.1%,22.4%,30.9%, 22.9%,21.3%,15.6%,18.6%,11.5%,20.4%. 可知,抽采1个月以后的瓦斯浓度整体上比抽 采1周时测得浓度要高,尤其是D23—3~D23—7 较为明显,但是总体钻孔的平均瓦斯浓度依然低 于3O%. 4.3钻场瓦斯抽采浓度低原因分析 根据成功试验的矿井抽采效果分析,“两堵一 注”能够取得较好的封孔效果,抽采一周后浓度都 能达到60%以上,为什么在该矿井的底抽巷的 D23钻场瓦斯浓度恰恰比较低呢?根据矿井的实 际情况,进行了如下几种情况的原因分析. 1)断层影响.根据现有的地质资料,知底抽巷 受到大断层的影响比较大,断层落差24 m,而且在 D23钻场周围的岩层中小断层比较多,断层的存在 直接影响了钻孔的封孔效果.断层的存在沟通了巷 道裂隙,由于抽采钻孔所提供的负压,加上该煤层 透气性比较低,所以大量的空气直接进人抽采管 道,进而影响了瓦斯浓度的提高. 2)水的影响.该煤层的上一个采面的机巷有 一专门排水的泄水巷道,且泄水巷距离D23钻场 走向垂直距离为145 m,空间垂直距离为70 in.现 场发现,钻孔内渗水严重,部分钻孔甚至在浓度测 试时,能从钻孔的浓度测试孔中直接流水.D23钻 场测点附近,往往若干个钻孔测试完,高浓度光学 瓦斯机的干燥剂基本失去作用.观察巷道顶板可见 到顶板岩层的层状裂隙中一道道黑色水泽线,这是 典型的岩层少量渗水特征.D23位置是小向斜接近 向斜轴部位置.该位置钻孔抽采瓦斯浓度低推测的 原因与煤层含水有关,水分进入煤层,充填煤体裂 隙,尤其是煤层透气性很低的情况下,水在裂隙中 表面张力作用下,渗入裂隙内部,包裹煤体,再加之 该区域瓦斯压力降低,瓦斯不易从煤体中得到释 放.之所以能够从钻孔中流出大量的水,主要原因 是:有裂隙沟通了水源,也就是泄水巷道,地质勘探 知,除了泄水巷道含有大量的水以外,没有老窑水 18 矿业工程研究 2014年第29卷 的存在.另外一种可能就是煤层本身含有大量的 水,但是底抽巷其他钻场位置钻孔没有像D23钻 场的钻孑L中流出大量的水,故此猜想不正确.唯一 的一种可能性就是,断层的影响产生了多条裂隙通 道,沟通了泄水巷道,故D23钻场的钻孔中流出了 大量的水. 3)人员封孔操作不当.该矿实行了质量标准 化,施工现场配备有专门的人员来指导工人的打 钻、封孔和注浆.根据现场的具体记录,工人的操作 完全能够满足质量标准化的要求. 4)抽采管连接问题.钻孔瓦斯抽采管采用的 是PVC材料,该材料具有一定的抗压强度,且本身 也具有一定的柔软性,煤矿大多数采用此种材料. 瓦斯抽采浓度低有可能是联网接在总管路的管子 与瓦斯抽采管接触不严,导致有空气从管道进入瓦 斯抽采管路,但在实际操作过程中,在2个管子接 头处采用了具有一定粘性的液态胶水,保证了抽采 管连接的气密性. 5 提高瓦斯抽采浓度采取的措施 为了有效提高平煤十三矿D23底抽巷瓦斯抽 采浓度,拟采取以下一系列的措施. 1)合理布置抽采钻场位置.断层的存在增加 了底抽巷钻孔的裂隙通道,要达到好的抽采效果必 须合理布置钻场,使得钻场尽量远离断层.如果避 免不了断层的影响,则可以采取注浆的方法,将断 层产生的裂隙通道封堵上,如此可以增加空气在裂 隙中流动的阻力,强化了瓦斯抽采效果. 2)降低水的影响.水的存在也对瓦斯抽采浓 度产生一定的影响,如果排尽泄水巷道中的水,则 可以降低水渗入到钻孔的裂隙当中,降低了钻孔的 出水量.可以用风动排水设备将泄水巷道中的水排 尽.也可以采用注浆的方式进行防水,将裂隙水通 道用浆液封堵住,这样可以大大降低水的影响. 3)封孑L质量标准化.质量标准化就是要求工 人按照一定的操作规范进行现场施工.为了提高质 量标准化的进行,采用现场派遣1名技术人员进行 跟班的方法.这样做有2个好处:一是,能够很好监 督操作人员按照规范进行施工;二是,技术人员能 够提供一定的技术指导. 6 结论 1)在封孔工艺满足封孔严密性要求的情况 下,若钻场周围的地质条件比较复杂,断层裂隙比 较多,则能够大大降低钻孔瓦斯抽采浓度. 2)瓦斯抽采效果受到水的影响.取2个时间 段的抽采浓度统计可以看出,1个月以后钻孔的水 流量没有以前这么大,而相应的瓦斯浓度也不同程 度地提高了. 3)改进措施为有效提高煤矿底抽巷瓦斯抽采 浓度提供一定的技术指导. 参考文献: [1]李敏,程五一,王建斌.煤矿聚氨酯压注法封孔效果的 实验研究[J].煤,2013,22(2):12—14. 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