帶壓定向注漿封孔技術在比德煤礦的應用

劉 春 宋小林 周福寶 劉應科

(中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221008)

帶壓定向注漿封孔技術在比德煤礦的應用

劉 春 宋小林 周福寶 劉應科

(中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221008)

論述了煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術原理,結合定向控制技術,研究了“定長度、定深度”條件下的帶壓封孔技術。在貴州六枝工礦集團比德煤礦進行了現場應用研究,結果表明,帶壓定向注漿工藝單孔瓦斯高濃度抽采天數得到提高,單孔平均抽采周期延長了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害事故的根本性措施。我國煤礦瓦斯抽采量大幅度增長,但是決定瓦斯抽采效果的關鍵因素——封孔技術仍存在一些問題。目前我國煤礦瓦斯抽采鉆孔的封孔技術主要有:風動注水泥砂漿封孔、發泡聚合材料粘合棉紗封孔和 KFB型礦用封孔器封孔等。在經過一定時間的瓦斯抽采后,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,形成漏風通道,降低抽采濃度;由于反應時間限制,發泡聚合材料粘合棉紗封孔存在封孔長度達不到要求、材料用量高、操作過程中容易造成材料浪費等問題;KFB型礦用封孔器也存在操作復雜、可重復利用率低的缺陷。

針對以上問題,結合貴州六枝工礦集團比德礦煤層特定條件,提出了帶壓定向注漿封孔技術,取得了顯著效果。

1 技術原理

開采煤層進、回風巷道在掘進后,巷道周邊圍巖徑向產生壓應力和壓縮變形,而切向將產生拉應力和拉伸變形,由于巖石抗拉強度很差,當拉伸應變超過破壞應變時,徑向將產生裂隙,形成裂隙圈。抽采鉆孔封孔以后,如果巷道掘進后形成裂隙圈的深度超過封孔的深度,裂隙圈內裂隙將會與抽采鉆孔溝通,構成了鉆孔短路風流的通道,這些通道影響了抽采鉆孔的氣密性,導致抽采濃度下降。因此,在確定抽采鉆孔封孔長度時,應堅持“保證不吸入空氣,又使封孔長度盡量短”的原則。瓦斯抽采鉆孔的封孔長度,必須超過巷道周圍裂隙圈范圍,才能避免空氣通過這些裂隙被吸入鉆孔和抽采系統。

帶壓定向注漿封孔技術的指導思想為:(1)利用定向控制技術構造定向空間,保證發泡漿液的長度和深度,實現“定長度”和“定深度”;(2)通過帶壓注漿泵,把聚合發泡漿液送入定向空間;(3)聚合發泡漿液被注入到定向空間后,在外界持續壓力作用下,易于向鉆孔周圍煤層裂隙滲透,聚合漿液發泡后,煤層裂隙即被封堵,從而減少漏風通道。

1.1 定向控制漿液發泡原理

圖1 定向控制漿液發泡工藝示意圖

定向控制漿液發泡技術的原理在于構造一個漿液發泡的定向空間:首先讓漿液在固定空間里發泡并充滿該空間,其次控制發泡深度超出松動圈深度,從而達到密閉的效果。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長度處纏繞長度為500mm的棉紗,保證L1+L2的長度超出巷道松動圈的深度1～2 m。

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

(3)向控制空間內注入計量的聚合發泡漿液,發泡后效果如圖1(b)所示。注漿量的確定可用式(1)計算。

注漿量計算公式:

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長度,m;

a——聚合材料發泡倍數,常數。

(4)密封注漿PVC管尾端管口。

1.2 帶壓注漿原理與設備

針對棉紗粘料封孔技術存在的缺點,帶壓注漿工藝采用自主研發的礦用手動注漿泵(專利號:CN200610096242.0,見圖2),使聚合材料A料和B料在機械壓力下邊注入邊混合,通過注漿PVC管流入定向控制空間內。利用二者的反應延遲時間,把混合漿液的發泡過程控制在定向控制空間內。

該設備通過兩個真空泵將A、B料混合并壓出,具有重量小、便于在井下攜帶與維護等優點。

圖2 礦用手動帶壓注漿封孔泵示意圖

2 現場應用

比德井田位于威水煤田比德向斜西南冀北中段范圍,分屬貴州納雍縣陽長鎮和水城縣比德鄉管轄。礦井設計產量120萬t/a,服務年限24.5 a。試驗煤層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°,屬于穩定全區可采煤層。6#煤層瓦斯壓力2.37 MPa,埋深264 m,瓦斯含量 7.27 m3/t,透氣性系數為0.1045 m2/MPa2·d,鉆孔瓦斯流量衰減系數0.1889 d-1。

比德礦現采用棉紗粘合聚合發泡材料封孔,瓦斯抽采管為單根長度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,實際操作中塞入棉紗深度較小,棉紗纏繞長度為2～3 m,但單孔平均抽采濃度不足20%,且抽采周期短,嚴重影響了回采工作的安全。

2.1 方案設計

對照組采用棉紗粘合發泡材料封孔工藝封孔10個(1#～10#),試驗組采用帶壓定向注漿封孔工藝封孔10個(21#～30#)。封孔時間同步,濃度觀測同步。經過查閱大量資料和現場實踐,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,封孔位置應避開裂隙圈,因此封孔位置應在距孔口5～7 m處,封孔長度4～5 m。鉆孔參數設計見表1。

表1 鉆孔參數設計表

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,1#～10#為礦方工藝所封對照孔,21#～30#為帶壓定向注漿工藝所封試驗孔。為保障抽采瓦斯發電要求,當單孔抽采瓦斯濃度連續3天低于10%時,就應停止該孔的抽采工作,由此定義從接入抽采系統時起到該時的持續天數即為該孔的“抽采周期”。表2和表3分別為對照孔和試驗孔瓦斯抽采濃度周期分布表。

表2 對照孔抽采瓦斯濃度周期分布表d

表3 試驗孔抽采瓦斯濃度持續天數分布表 d

分析表2和表3得出:

(1)對照孔單孔平均抽采周期為27.5 d,試驗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)試驗孔高瓦斯天數大幅提升,對應鉆孔抽采濃度高于60%的天數,對照孔和試驗孔平均分別為0.7 d和11.4 d。結果表明,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。單孔瓦斯抽采量對比見圖3,瓦斯抽采參數見表4。

圖3 單孔瓦斯抽采量對比圖

表4 瓦斯抽采參數表

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%,單孔可實現瓦斯利用效益701.1元。

3 結論

(1)與對照孔相比,帶壓定向注漿工藝單孔高濃度抽采天數得到提高,單孔平均抽采周期可延長10.3天,表明該技術密閉性能良好,驗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,短時間內產煤更多,間接效益明顯。

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

[3]于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[K].北京:煤炭工業出版社,2004

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[5]李波,李長松,魏建平等.套管帶壓固結封孔技術在瓦斯壓力測定中的應用[J].煤炭科學技術,2009(3)

(責任編輯 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

B

劉春(1986-),男,山東濟寧人,中國礦業大學安全工程學院在讀研究生,研究方向為煤礦瓦斯治理技術。