厚煤层顺层长钻孔封孔新工艺瓦斯抽采技术

厚煤层顺层长钻孔封孔新工艺瓦斯抽采技术

曹学军，李军舰，赵勇

(淮南矿业集团潘三矿办公室，安徽淮南232096)

摘要：为解决潘三煤矿顺层钻孔封孔不严造成消突效果差和CO超标的问题，结合矿井煤层实际情况，提出了一种新封孔工艺瓦斯抽采技术，此项技术包括选择初凝时间可调、流动性强的速凝膨胀封孔剂，带压封孔以及增加封孔长度等措施。经1762(3)综采工作面现场实践证明，顺层钻孔抽采浓度大幅增加，CO超标现象明显减少，封孔效果良好。

关键词：顺层钻孔；封孔；瓦斯抽采

中图分类号：TD712.6文献标志码：B

收稿日期：2013-07-28

作者简介：曹学军(1970-)，男，安徽寿县人，工程师，学士，研究方向：煤矿安全工程。

Gas Drainage Technique with New Sealing Method of

In-seam Long Boreholes in Thick Coal Seam

CAO Xue-jun, LI Jun-jian, ZHAO Yong

(Administration Department of Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Anhui 232096, China)

Abstract:In order to solve the problem in Pansan Coal Mine that in-seam borehole poorly sealed leads to bad effect of outburst elimination and carbon monoxide exceeding the critical value, according to the conditions of coal seam in Pansan Coal Mine, a new sealing technique was proposed, using a new sealing material with good fluidity and rapid distensibility, and injecting material into the boreholes with high pressure and increasing sealing length. According to the field practice in Panel 1762(3), the drained out gas concentration increased dramatically, and the cases of carbon monoxide exceeding the critical value decreased. The effect of borehole sealing is good.

Key words:in-seam borehole; borehole sealing; gas drainage

潘三矿的13煤、11煤等突出危险区综采工作面回采前均采用顺层钻孔预抽消突，因抽采浓度低，合茬抽采后单孔浓度普遍在15%以下，而且衰减后，下降到5%～10%，还经常出现CO达到或超过24×10-6，造成90%以上钻孔间歇性抽采。为尽早实现工作面预抽达标，我矿采取将顺层钻孔施工间距由10 m加密为5 m，甚至2.5 m，靠增加钻孔量或延长抽采时间提高抽采量。不仅费时费力费财，还因为抽采出现CO存在自然发火重大安全隐患，不能实现快速安全消突。

经分析顺层长钻孔停抽原因，主要是封孔不严，封孔工艺不过关造成钻孔漏气，钻孔在煤层中施工，周围煤体相对比较松软，裂隙发育程度较高，传统封孔工艺很难解决抽采漏气问题[1]。钻孔漏气导致单孔瓦斯浓度衰减快[2]，而且强抽易引起煤体提前氧化，出现CO。为了达到抽采浓度最大化、抽采时间持续化，最终实现采煤工作面快速消突，在1762(3)综采工作面顺层钻孔实施新工艺封孔抽采技术。

1工作面概况

1762(3)工作面标高-640～-584 m，处于13煤突出危险区域，瓦斯原始压力2.5 MPa，瓦斯含量8.2 m3/t。轨道顺槽及切眼采用底板巷穿层钻孔掩护，运输顺槽为沿空掘进。工作面走向长度为870 m，倾斜长度为242 m，煤层平均厚度为4m， 工作面内煤层角度6°～11°， 平均为7°。 工作面回采前， 采用顺层长钻孔预抽消突， 分别在轨、 运顺垂直巷帮开孔， 相向施工， 间距10 m，轨顺设计81个，长110 m，为下向顺层孔。运顺设计80个，长140 m，为上向顺层孔(见图1)。

选择1792(3)工作面为比对面，主要是1762(3) 工作面与1792(3)工作面属于同采区同煤层，工作面消突措施相同。

2创新顺层长钻孔封孔新工艺

封孔新工艺主要特点：选择初凝时间可调，流动性强的速凝膨胀封孔剂；实现带压封孔，注浆压力达到2 MPa，对钻孔周边松散的煤体和裂隙加强密封；增加封孔长度，由12 m加长为14 m，以减少穿层钻孔影响；加强现场组织管理，确保封孔质量。

2.1封孔材料选择

以往潘三矿顺层长钻孔，采用聚氨酯有机发泡材料作为封孔剂进行封孔。应用实践中发现，抽采效果不够理想。主要表现在，一方面，抽采瓦斯浓度低，抽采效果差，影响了消突效果；另一方面，抽采钻孔CO超标，甚至出现过钻孔发火的现象。

出现这些现象的原因在于，封孔效果差，出现抽采钻孔漏气。而造成聚氨酯封孔漏气的原因在于以下两个方面：一方面，顺层钻孔的孔口段处在巷道的塑性破坏范围内，煤体完整性差，裂隙和节理发育，具有一定的渗透性；另一方面，聚氨酯封孔剂，初凝时间难以调节，封孔长度不易控制，聚氨酯反应速度太快，不能使钻孔周边松散煤体和缝隙得到充分密封[3]。

为了提高顺层钻孔的密封性，需要找到一种新型的封孔材料。新型的封孔材料必须具备以下特点：初凝时间可调，封孔长度容易控制，材料的流动性强，能够渗流到钻孔周围的裂隙中，充分密封钻孔。通过比较多种具有类似这种特性的材料，并经过多次密封试验，最后确定选用JD-WFK-2型速凝膨胀水泥封孔剂，作为新的封孔材料。

该速凝膨胀封孔剂外观为灰色粉末，无毒、无污染、无腐蚀性。将材料按比例1：1兑水施工，制料过程中发生单纯的物理络合反应，反应不剧烈，无明显热量放出，无有毒有害气体生成。该封孔剂初凝时间可调，封孔长度容易控制，流动性强。该封孔剂的膨胀系数为0.8%～1.2%，凝固膨胀后不析水，密实性好。在封孔时，采用带压注射，封孔剂能够渗流到钻孔周围煤体的裂隙内，能够显著提高钻孔的封孔质量。

2.2封孔工序

2.2.1扫孔下套管前，利用压风，通过钻杆，将封孔段内的煤粉全程清扫干净。

2.2.2下套管及堵孔采用2 m花管、12 m实心双抗管和2 m实心铁管，连接成抽采管。花管放置在钻孔前段，双抗管与花管连接。双抗管前端2 m包裹棉纱与聚氨酯混合物，并用铁丝固定。将底部敷设棉纱的双抗管送至孔中预定深度后，反复抽动双抗管路，使底部棉纱与孔壁充分接触，形成前端封堵段。在前端封堵段后，铺设两路钢管，分别做为注浆管和返浆管，两路钢管在孔口处外露0.3 m。注浆管长度4.0 m；若为上向钻孔，则返浆管长12 m；若为下向钻孔，则返浆管长度为4.0 m。在孔口段，采用速凝膨胀封孔材料或聚氨酯进行封堵，封堵深度1.5 m，凝固时间10 min。封孔段配置两路铁管，在孔口安设球阀，外露300 mm，分别做为注浆管和返浆管，注浆管长4 m，返浆管上向孔长12 m，下向孔长4 m(见图2)。

2.2.3压注封孔材料采用型号OZB-50-6风动注浆泵注浆，将速凝膨胀封孔剂与水按1∶1比例混合后注入孔中，当预埋返浆管有浆液流出时，钻孔内浆液已满， 此时关闭返浆管路球阀继续注浆。经过反复试验，确定了带压注浆的压力和时间最佳值，即注浆泵压力达到2 MPa，保持注浆5 min后停止注浆并关闭注浆管，此时钻孔内裂隙已经充分封堵。由于速凝膨胀封孔剂具有凝固膨胀后不析水，膨胀系数高的特点，因此在停泵后，浆液凝固过程中，材料将继续膨胀，充填裂隙，达到密封钻孔的目的(见图3)。

2.2.4合茬抽采待注浆4 h后，封孔材料完全凝固，即可连接抽采管路进行瓦斯抽采，抽采负压保持在13～15 kPa。

3抽采效果分析

在1762(3)工作面已成功使用新的封孔工艺封孔139个。封孔后瓦斯抽采数据与1792(3)顺层孔抽采数据对比如表1所示，单孔浓度对比如图4所示，单孔抽采纯量对比如图5所示。

注：抽放负压13 kPa

由表1、图4及图5可看出，新的封孔工艺与老的封孔工艺对比，在相同负压(13 kPa)下钻孔的抽采效果有了很大程度提高，一个月后的抽采浓度由原来10%，提高到25%，增幅达到150%。不仅如此，新的封孔工艺的应用，提高了钻孔的密封性，钻孔因抽采漏气出现CO气体的几率大大降低(见图6)，延长了钻孔抽采寿命(见图7)。

目前1762(3)顺层钻孔平均抽采时间已持续达两个月以上，单孔平均抽采量0.05 m3/min，相比1792(3)工作面顺层孔抽采寿命而言，提高了9倍以上。

4结论

通过改进封孔工艺与加强现场管理相结合，潘三矿在1762(3)顺层长钻孔瓦斯抽采浓度和连续抽采时间，相对于以前封孔工艺，两个月后单孔平均抽采浓度，由原来不到10%，提高到25%，增幅达到150%，钻孔因CO浓度大于24×10-6而停抽率由原来74%降为2%，降低了近37倍。

参考文献：

[1]WANG LIANG，CHENG YUAN-PING，LI FENG-RONG，et al.Fracture evolution and pressure relief gas drainage from distant protected coal seams under an extremely thick key stratum [J].Journal of China University o f Mining & Technology，2008，18 (2)：182-186.

[2]王兆丰. 我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J]. 焦作工学院学报：自然科学版， 2003， 22(4)：241-246.

[3]周福宝， 李金海， 昃玺， 等.煤层瓦斯抽采钻孔的二次封孔方法研究[J].中国矿业大学学报， 2009， 38(6)： 64-67.

(责任编辑：何学华，吴晓红)