隱伏突出煤層順層鉆孔20m長距離帶壓封孔技術(shù)

梁銀權(quán) 張書波 郭敬遠(yuǎn)

（永貴能源新田煤礦，貴州畢節(jié) 551500）

隱伏突出煤層順層鉆孔20m長距離帶壓封孔技術(shù)

梁銀權(quán) 張書波 郭敬遠(yuǎn)

（永貴能源新田煤礦，貴州畢節(jié) 551500）

本文介紹的該礦隱伏突出煤層順層鉆孔20m長距離帶壓封孔成套技術(shù)，提高了鉆孔的抽采濃度，減小了鉆孔的廢孔率，增加了鉆孔瓦斯抽采量，更縮短了回采工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，保證回采工作面不受瓦斯制約能夠快速推進(jìn)。該礦通過實(shí)踐應(yīng)用，建立了一整套的適用于貴州地區(qū)隱伏突出煤層順層鉆孔20長距離帶壓封孔成套技術(shù)管理體系。

隱伏突出煤層；順層鉆孔；帶壓封孔

1 項(xiàng)目研究的背景

順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是突出煤層回采工作面一種重要的區(qū)域防突措施。采用常規(guī)的封孔技術(shù)，封孔質(zhì)量難以保證，瓦斯抽采濃度一般偏低，鉆孔合格率也較低，嚴(yán)重影響工作面瓦斯抽采和防突效果，延長瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，制約采面的推進(jìn)速度。如何提高抽采濃度和防突效果，是順層鉆孔亟待解決的關(guān)鍵問題。新田煤礦從鉆孔封孔著手，研究順層鉆孔長距離帶壓封孔技術(shù)，大大提高了鉆孔的抽采和防突效果。

2 項(xiàng)目研究的必要性和重要性

據(jù)調(diào)查，目前我國約有70%的回采工作面的預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，這充分反映了瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量差的現(xiàn)狀。封孔質(zhì)量好壞直接影響到瓦斯抽采和防突效果，而封孔質(zhì)量又由封孔材料的性能以及封孔技術(shù)決定，因此研究鉆孔封孔技術(shù)具有一定的必要性和重要性。

2.1 封孔材料及封孔技術(shù)

目前瓦斯抽采鉆孔封孔材料主要有黃泥、水泥砂漿、速凝膨脹水泥或聚氨酯等，封孔種類包括黃泥和水泥砂漿混合封孔、水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔、封孔器封孔和膠泥封孔等。采用黃泥、水泥封孔鉆孔封孔密封質(zhì)量差、作業(yè)時(shí)間長朗動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)場(chǎng)已很少采用。單純采用水泥砂漿封孔時(shí)，水泥砂漿凝固后有一定的收縮，降低了鉆孔的封孔質(zhì)量，進(jìn)而降低抽采負(fù)壓。采用聚氨酯封孔時(shí)，由于初凝時(shí)間不好調(diào)，封孔長度也不易控制，不適宜于封孔要求較深的鉆孔。由于聚氨酯反映速度太快，不能使鉆孔周邊松散煤體和縫隙充分密封，且封孔后隨著抽采時(shí)間的延長，聚氨酯材料宜出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致鉆孔漏氣，降低抽采效率，這種方法也正在被淘汰。封孔器封孔僅適用于抽采時(shí)間較短的局部抽放鉆適用。膠泥封孔一般適用于穿層鉆孔。

2.2 封孔注漿設(shè)備選型

目前大多數(shù)煤礦封孔注漿采用電動(dòng)式，該注漿泵體積大，重量重，搬運(yùn)不方便，不但需要較多的人力而且影響巷道運(yùn)輸，注漿效率低，不能達(dá)到及時(shí)封孔的目的。以電為動(dòng)力進(jìn)行注漿既消耗電量又不安全。針對(duì)以上電動(dòng)式注漿泵的缺點(diǎn)，新田煤礦積極探尋更好的設(shè)備，經(jīng)過對(duì)比、選型，采購了煤礦用氣動(dòng)注漿泵。該注漿泵重量輕，體積小，便攜式易搬運(yùn)，注漿效率高且安全性能好，方便可靠，風(fēng)動(dòng)能力非常強(qiáng)，注漿非常牢固等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 順層鉆孔封孔長度

目前大多數(shù)煤礦都是按照《防突規(guī)定》要求順層鉆孔封孔段長度不得低于8m進(jìn)行封孔，封孔后鉆孔瓦斯抽采和防突效果出現(xiàn)不理想狀況，不得不讓人考慮是否增加封孔段長度。增加多少合適呢？考慮到底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔控制煤巷條帶15m范圍，此范圍之內(nèi)已消突且實(shí)體煤遭到破壞，如果該段封孔處理不好會(huì)造成漏氣。所以新田煤礦決定將順層鉆孔封孔段深度由8m增加到20m,試驗(yàn)順層鉆孔長距離帶壓封孔技術(shù)。

3 項(xiàng)目實(shí)施步驟

3.1 鉆孔終孔撤鉆前必須采取措施進(jìn)行洗孔，將孔內(nèi)的煤渣等全部清理干凈，避免影響馬麗散或聚氨酯膨脹效果及鉆孔封孔長度。

3.2 鉆孔施工完成本班必須進(jìn)行送管封孔，PVC實(shí)管封孔段長度不少于20米（見圖1），其余采用PVC篩管送至孔底進(jìn)行全程封孔。在送入封孔最后剩余20m處，用毛巾或棉布等把PVC管纏上3～5圈，并做成筒狀。配制聚氨酯或馬麗散混合液并倒入筒狀的毛巾或棉布內(nèi)，兩端用捆扎牢固防止聚氨酯或馬麗散流出，之后快速度送入孔內(nèi)。

圖1 順層鉆孔20m長距離帶壓封孔示意圖

3.3 隨后在孔內(nèi)送入2道4分鐵管，一道為注漿管一道為返漿管，返漿管可作排氣孔用（鉆孔為上向孔時(shí)注漿管長度為2m，返漿管長度為19m；鉆孔為下向孔時(shí)注漿管和返漿管長度超過孔口封孔段即可）。每道4分鐵管在鉆孔孔口處全部安裝上4分球閥。

3.4 再次配制聚氨酯或馬麗散，并迅速攪拌均勻，然后把配好的藥水用少量棉紗蘸取，并送入孔內(nèi)約1m處，依次送入3～5個(gè)蘸有聚氨酯的棉紗團(tuán)，最后孔口用干棉紗堵嚴(yán)實(shí)。

3.5 聚氨酯或馬麗散膨脹后不低于15min，在大容器（可用油桶制作）內(nèi)按水：水泥比為1∶1的體積比進(jìn)行配制水泥漿，攪拌均勻后用注漿泵接在注漿管上進(jìn)行注漿，當(dāng)水泥漿從返漿管內(nèi)流出時(shí)，關(guān)閉返漿管球閥，接著再進(jìn)行注漿并觀察返漿管上的壓力表，壓力達(dá)到0.6Mpa時(shí)停止注漿，并關(guān)閉注漿管球閥，說明本孔封孔已結(jié)束。

4 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)參數(shù)

4.1 水泥漿的配比

由于水泥既能保證強(qiáng)度又具有很好的氣密性，因此新田煤礦選用水泥與水進(jìn)行配比來作為封孔材料；為了找出最佳的水與水泥的配比，新田煤礦在底抽巷施工穿層鉆孔以及在煤巷施工順層鉆孔時(shí)均做了數(shù)百次試驗(yàn)，相同抽采負(fù)壓條件下的以鉆孔封孔是否漏氣、鉆孔抽采濃度大小、瓦斯抽采濃度衰減速度作為評(píng)判指標(biāo)，最終得出水、水泥的以1∶1配比時(shí)效果最佳。

4.2封孔混合水泥用量計(jì)算

Ф94mm孔徑鉆孔水泥用量，水泥封孔長度L=20m（管長）-0.5m（封孔段長）-0.5m（封孔管末端預(yù)留及聚氨酯或馬麗散膨脹長度）=19m，φ94mm鉆孔封孔半徑R=0.047m，φ50mm封孔管所占半徑（外徑）r=0.025m，普通硅酸鹽水泥密度ρ=2 400kg/m3，注漿段水泥用量（水泥一般密度2 400Kg/m3）為W，W=ρ·L·π·(R2-r2)=2 400×19×3.14×(0.0 472-0.0 252)=226.8kg。

由于鉆孔受采掘擾動(dòng)的影響，在鉆孔孔壁周圍會(huì)出現(xiàn)一定的微小裂隙，單單地將封孔材料充填至孔內(nèi)不能有效地填充裂隙，進(jìn)而不能有效地將鉆孔封孔嚴(yán)密，因此需要進(jìn)行帶壓注漿。在進(jìn)行帶壓注漿的過程中需用聚氨酯將鉆孔封孔段兩端封閉嚴(yán)密，并保證注漿壓力在聚氨酯封孔段所能承受的壓力范圍內(nèi)。根據(jù)聚氨酯的額定承受壓力及反復(fù)試驗(yàn)，確定將鉆孔封孔注漿壓力定為0.6MPa，小于0.6MPa不能最大限度地保證封孔的嚴(yán)密性，大于1MPa可能會(huì)使聚氨酯封孔段漲破。

4.4 注意事項(xiàng)

4.4.1 鉆孔施工完后，必須立即進(jìn)行封孔注漿，從撤完鉆到封孔時(shí)間不得超過8小時(shí)。

4.4.2 注漿時(shí)若水泥漿自返漿管內(nèi)流出時(shí)，必須立即停止注漿防止浪費(fèi)，并安裝壓力表。

4.4.3 所有工具及材料必須準(zhǔn)備充分，以免影響操作時(shí)間。

4.4.4 根據(jù)封孔數(shù)量的多少配制封孔材料，嚴(yán)禁浪費(fèi)。

4.4.5 使用聚氨酯或馬麗散封孔必須動(dòng)作迅速，從藥劑攪拌至送入鉆孔必須在2分鐘內(nèi)完成。

4.4.6 注漿管連接必須用正規(guī)的U型卡，嚴(yán)禁用鐵絲代替，防止膠管脫落傷人。

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4.4.7 配制藥劑時(shí)必須通風(fēng)良好，必須站在上風(fēng)側(cè)操作，嚴(yán)禁用口、鼻嗅聞藥品，攪拌藥品時(shí)必須戴好橡膠手套，嚴(yán)禁人體皮膚直接接觸藥品；封孔時(shí)必須戴好防護(hù)眼鏡且嚴(yán)禁站在鉆孔正下方操作，以免藥品濺入眼睛內(nèi)。

4.5 項(xiàng)目中重點(diǎn)環(huán)節(jié)

順層鉆孔20m長距離帶壓封孔技術(shù)成敗的關(guān)鍵在孔內(nèi)第一道、孔口的聚氨酯封孔段封孔質(zhì)量，只有兩端聚氨酯有效反應(yīng)后方可進(jìn)行帶壓注漿封孔。

順層鉆孔20m長距離帶壓封孔技術(shù)保障措施：

（1）成立專業(yè)封孔小組，確保封孔質(zhì)量。封孔小組成員必須熟練掌握以下操作步驟：1）如何配置聚氨酯或馬麗散攪拌液；2）如何將20米PVC實(shí)管在2分鐘內(nèi)送入鉆孔內(nèi)；3）如何將蘸有聚氨酯的棉紗封堵孔口；4）如何使用煤礦用氣動(dòng)注漿泵；5）如何根據(jù)壓力表讀數(shù)判斷注漿是否完成。

（2）對(duì)專門負(fù)責(zé)順層鉆孔的封孔工序人員提高薪金待遇，保障封孔隊(duì)伍人員的穩(wěn)定，確保封孔質(zhì)量的高合格率。

5 項(xiàng)目取得的成果

瓦斯抽采效果不僅取決于煤層瓦斯生成及賦存條件，而且決定于瓦斯抽采工程質(zhì)量，瓦斯抽采工程質(zhì)量又決定于鉆孔封孔質(zhì)量。該礦之前順層鉆孔采用封孔段為8m進(jìn)行封孔，但瓦斯抽采和防突效果并不理想，單孔平均濃度僅在40%左右；鉆孔合格率也較低，僅為77.14%；另外考慮到底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔控制煤巷條帶15m范圍，此范圍之內(nèi)已消突且實(shí)體煤遭到破壞，如果該段封孔處理不好會(huì)造成漏氣。

在采用20m長距離帶壓封孔技術(shù)后，單孔平均抽采濃度在60%以上，與之前采單孔平均濃度40%相比有很大提高；鉆孔合格率也由77.14%提高到了91.43%，同時(shí)杜絕了順層鉆孔抽采時(shí)與穿層鉆孔之間存在的漏氣現(xiàn)象。

5.1 順層鉆孔8m帶壓封孔與20m長距離帶壓封孔效果分析

順層鉆孔8m帶壓封孔漏氣主要存在兩種途徑：一種是由于封孔短而導(dǎo)致巷道煤壁內(nèi)的裂隙未封堵產(chǎn)生漏氣；另一種鉆孔內(nèi)封孔材料與孔壁結(jié)合不緊密以及徑向裂隙未封堵導(dǎo)致漏氣。順層鉆孔采用8m帶壓封孔抽樣濃度如表1。

表1 順層鉆孔8m帶壓封孔抽樣濃度表

順層鉆孔20m長距離帶壓封孔增加了鉆孔封孔段深度，有效解決了煤壁內(nèi)的裂隙在高負(fù)壓作用下漏氣的現(xiàn)象。通過氣動(dòng)注漿泵將水泥漿注入到兩段聚氨酯封孔段之間，使?jié){液在壓力的作用下進(jìn)入鉆孔周圍裂隙內(nèi)，待孔口壓力表顯示值為0.6Mpa以上時(shí)停止注漿，漿液凝固后具有較強(qiáng)的抗壓性能及密封性能，從而達(dá)到密封鉆孔的目的。順層20m長距離帶壓封孔抽采濃度如表2。

表2 順層鉆孔20m帶壓封孔抽樣濃度表

為了檢驗(yàn)順層鉆孔20m長距離帶壓封孔在實(shí)際應(yīng)用中是否達(dá)到了較好效果，將順層鉆孔20m長距離帶壓封孔與8m傳統(tǒng)帶壓封孔鉆孔在相同負(fù)壓條件下抽采10天后所測(cè)得濃度進(jìn)行對(duì)比，以不同濃度段鉆孔所占的比例大小為衡量指標(biāo)。具體對(duì)比結(jié)果（見圖2）。

圖2 順層鉆孔20m帶壓封孔和8m傳統(tǒng)封孔抽樣濃度對(duì)比圖

按鉆孔單孔濃度超過30%為合格，從效果對(duì)比圖上可以看出，順層鉆孔8m傳統(tǒng)帶壓封孔鉆孔合格率為77.14%，而順層鉆孔20m長距離帶壓封孔的鉆孔合格率為91.43%。鉆孔單孔濃度與8m傳統(tǒng)帶壓封孔濃度相比也有了較大提高。

5.2 順層鉆孔20m長距離帶壓封孔效益分析

新田煤礦4號(hào)煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，煤層突出危險(xiǎn)程度高，防突措施工程量大，難度高。因此要嚴(yán)把工程施工質(zhì)量關(guān)，提高鉆孔成孔率以及鉆孔瓦斯抽采濃度。

5.2.1 安全效益：順層鉆孔通過實(shí)施20m長距離帶壓封孔技術(shù)，較大程度上提高了鉆孔抽采濃度，減小了鉆孔廢孔率，也相應(yīng)增大了瓦斯抽采量，進(jìn)而為礦井的安全生產(chǎn)帶來了無法評(píng)估的安全效益。

5.2.2 直接經(jīng)濟(jì)效益：鉆孔合格率的提高，降低了鉆孔的廢孔率，從而減小了鉆孔的投資成本。

潛在經(jīng)濟(jì)效益：順層鉆孔20m長距離帶壓封孔技術(shù)在表面上看是提高了鉆孔的抽采濃度，減小了鉆孔的廢孔率，提高了鉆孔瓦斯抽采量，更縮短了回采工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，保證回采工作面不受瓦斯制約能夠快速推進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)礦井安全、高效、快速達(dá)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，因此其潛在的經(jīng)濟(jì)效益更為巨大。

5.3 順層鉆孔20m長距離帶壓封孔創(chuàng)新點(diǎn)

5.3.1 大膽將順層鉆孔封孔段長度提高到20m，減小了鉆孔封孔漏氣的可能性。

5.3.2 提出了帶壓封孔概念，有效地保證封孔段封閉嚴(yán)密不漏氣，解決了因鉆孔周圍存在裂隙而導(dǎo)致鉆孔漏氣的難題。

5.3.3 成立了專業(yè)封孔小組，對(duì)封孔小組的每一位成員都進(jìn)行了嚴(yán)格的培訓(xùn)，確保封孔質(zhì)量得到保障。

將專業(yè)封孔小組視為特殊工種，提高其薪金待遇，保障封孔隊(duì)伍人員的穩(wěn)定；確保封孔質(zhì)量的高合格率。

[1]王圣程.抽采鉆孔帶壓注漿封孔技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭安全.

[2]黃鑫業(yè).本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，10.

梁銀權(quán)（1987.2—），男，漢族，河南省永城市人，助理工程師，本科學(xué)歷，現(xiàn)主要從事于礦井一通三防技術(shù)管理工作。

TD713

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1003-5168(2014)04-0043-03