隐伏突出煤层顺层钻孔20m长距离带压封孔技术

2014-07-01梁银权张书波郭敬远

河南科技 2014年4期

关键词：防突顺层封孔

梁银权张书波郭敬远

（永贵能源新田煤矿，贵州毕节 551500）

隐伏突出煤层顺层钻孔20m长距离带压封孔技术

梁银权张书波郭敬远

（永贵能源新田煤矿，贵州毕节 551500）

本文介绍的该矿隐伏突出煤层顺层钻孔20m长距离带压封孔成套技术，提高了钻孔的抽采浓度，减小了钻孔的废孔率，增加了钻孔瓦斯抽采量，更缩短了回采工作面抽采达标时间，保证回采工作面不受瓦斯制约能够快速推进。该矿通过实践应用，建立了一整套的适用于贵州地区隐伏突出煤层顺层钻孔20长距离带压封孔成套技术管理体系。

隐伏突出煤层；顺层钻孔；带压封孔

1 项目研究的背景

顺层钻孔预抽煤层瓦斯是突出煤层回采工作面一种重要的区域防突措施。采用常规的封孔技术，封孔质量难以保证，瓦斯抽采浓度一般偏低，钻孔合格率也较低，严重影响工作面瓦斯抽采和防突效果，延长瓦斯抽采达标时间，制约采面的推进速度。如何提高抽采浓度和防突效果，是顺层钻孔亟待解决的关键问题。新田煤矿从钻孔封孔着手，研究顺层钻孔长距离带压封孔技术，大大提高了钻孔的抽采和防突效果。

2 项目研究的必要性和重要性

据调查，目前我国约有70%的回采工作面的预抽瓦斯浓度低于30%，这充分反映了瓦斯抽采钻孔封孔质量差的现状。封孔质量好坏直接影响到瓦斯抽采和防突效果，而封孔质量又由封孔材料的性能以及封孔技术决定，因此研究钻孔封孔技术具有一定的必要性和重要性。

2.1 封孔材料及封孔技术

目前瓦斯抽采钻孔封孔材料主要有黄泥、水泥砂浆、速凝膨胀水泥或聚氨酯等，封孔种类包括黄泥和水泥砂浆混合封孔、水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、封孔器封孔和胶泥封孔等。采用黄泥、水泥封孔钻孔封孔密封质量差、作业时间长朗动强度大，现场已很少采用。单纯采用水泥砂浆封孔时，水泥砂浆凝固后有一定的收缩，降低了钻孔的封孔质量，进而降低抽采负压。采用聚氨酯封孔时，由于初凝时间不好调，封孔长度也不易控制，不适宜于封孔要求较深的钻孔。由于聚氨酯反映速度太快，不能使钻孔周边松散煤体和缝隙充分密封，且封孔后随着抽采时间的延长，聚氨酯材料宜出现裂缝，导致钻孔漏气，降低抽采效率，这种方法也正在被淘汰。封孔器封孔仅适用于抽采时间较短的局部抽放钻适用。胶泥封孔一般适用于穿层钻孔。

2.2 封孔注浆设备选型

目前大多数煤矿封孔注浆采用电动式，该注浆泵体积大，重量重，搬运不方便，不但需要较多的人力而且影响巷道运输，注浆效率低，不能达到及时封孔的目的。以电为动力进行注浆既消耗电量又不安全。针对以上电动式注浆泵的缺点，新田煤矿积极探寻更好的设备，经过对比、选型，采购了煤矿用气动注浆泵。该注浆泵重量轻，体积小，便携式易搬运，注浆效率高且安全性能好，方便可靠，风动能力非常强，注浆非常牢固等优点。

2.3 顺层钻孔封孔长度

目前大多数煤矿都是按照《防突规定》要求顺层钻孔封孔段长度不得低于8m进行封孔，封孔后钻孔瓦斯抽采和防突效果出现不理想状况，不得不让人考虑是否增加封孔段长度。增加多少合适呢？考虑到底板瓦斯抽采巷穿层钻孔控制煤巷条带15m范围，此范围之内已消突且实体煤遭到破坏，如果该段封孔处理不好会造成漏气。所以新田煤矿决定将顺层钻孔封孔段深度由8m增加到20m,试验顺层钻孔长距离带压封孔技术。

3 项目实施步骤

3.1 钻孔终孔撤钻前必须采取措施进行洗孔，将孔内的煤渣等全部清理干净，避免影响马丽散或聚氨酯膨胀效果及钻孔封孔长度。

3.2 钻孔施工完成本班必须进行送管封孔，PVC实管封孔段长度不少于20米（见图1），其余采用PVC筛管送至孔底进行全程封孔。在送入封孔最后剩余20m处，用毛巾或棉布等把PVC管缠上3～5圈，并做成筒状。配制聚氨酯或马丽散混合液并倒入筒状的毛巾或棉布内，两端用捆扎牢固防止聚氨酯或马丽散流出，之后快速度送入孔内。

图1 顺层钻孔20m长距离带压封孔示意图

3.3 随后在孔内送入2道4分铁管，一道为注浆管一道为返浆管，返浆管可作排气孔用（钻孔为上向孔时注浆管长度为2m，返浆管长度为19m；钻孔为下向孔时注浆管和返浆管长度超过孔口封孔段即可）。每道4分铁管在钻孔孔口处全部安装上4分球阀。

3.4 再次配制聚氨酯或马丽散，并迅速搅拌均匀，然后把配好的药水用少量棉纱蘸取，并送入孔内约1m处，依次送入3～5个蘸有聚氨酯的棉纱团，最后孔口用干棉纱堵严实。

3.5 聚氨酯或马丽散膨胀后不低于15min，在大容器（可用油桶制作）内按水：水泥比为1∶1的体积比进行配制水泥浆，搅拌均匀后用注浆泵接在注浆管上进行注浆，当水泥浆从返浆管内流出时，关闭返浆管球阀，接着再进行注浆并观察返浆管上的压力表，压力达到0.6Mpa时停止注浆，并关闭注浆管球阀，说明本孔封孔已结束。

4 项目实施技术参数

4.1 水泥浆的配比

由于水泥既能保证强度又具有很好的气密性，因此新田煤矿选用水泥与水进行配比来作为封孔材料；为了找出最佳的水与水泥的配比，新田煤矿在底抽巷施工穿层钻孔以及在煤巷施工顺层钻孔时均做了数百次试验，相同抽采负压条件下的以钻孔封孔是否漏气、钻孔抽采浓度大小、瓦斯抽采浓度衰减速度作为评判指标，最终得出水、水泥的以1∶1配比时效果最佳。

4.2封孔混合水泥用量计算

Ф94mm孔径钻孔水泥用量，水泥封孔长度L=20m（管长）-0.5m（封孔段长）-0.5m（封孔管末端预留及聚氨酯或马丽散膨胀长度）=19m，φ94mm钻孔封孔半径R=0.047m，φ50mm封孔管所占半径（外径）r=0.025m，普通硅酸盐水泥密度ρ=2 400kg/m3，注浆段水泥用量（水泥一般密度2 400Kg/m3）为W，W=ρ·L·π·(R2-r2)=2 400×19×3.14×(0.0 472-0.0 252)=226.8kg。

由于钻孔受采掘扰动的影响，在钻孔孔壁周围会出现一定的微小裂隙，单单地将封孔材料充填至孔内不能有效地填充裂隙，进而不能有效地将钻孔封孔严密，因此需要进行带压注浆。在进行带压注浆的过程中需用聚氨酯将钻孔封孔段两端封闭严密，并保证注浆压力在聚氨酯封孔段所能承受的压力范围内。根据聚氨酯的额定承受压力及反复试验，确定将钻孔封孔注浆压力定为0.6MPa，小于0.6MPa不能最大限度地保证封孔的严密性，大于1MPa可能会使聚氨酯封孔段涨破。

4.4 注意事项

4.4.1 钻孔施工完后，必须立即进行封孔注浆，从撤完钻到封孔时间不得超过8小时。

4.4.2 注浆时若水泥浆自返浆管内流出时，必须立即停止注浆防止浪费，并安装压力表。

4.4.3 所有工具及材料必须准备充分，以免影响操作时间。

4.4.4 根据封孔数量的多少配制封孔材料，严禁浪费。

4.4.5 使用聚氨酯或马丽散封孔必须动作迅速，从药剂搅拌至送入钻孔必须在2分钟内完成。

4.4.6 注浆管连接必须用正规的U型卡，严禁用铁丝代替，防止胶管脱落伤人。

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4.4.7 配制药剂时必须通风良好，必须站在上风侧操作，严禁用口、鼻嗅闻药品，搅拌药品时必须戴好橡胶手套，严禁人体皮肤直接接触药品；封孔时必须戴好防护眼镜且严禁站在钻孔正下方操作，以免药品溅入眼睛内。

4.5 项目中重点环节

顺层钻孔20m长距离带压封孔技术成败的关键在孔内第一道、孔口的聚氨酯封孔段封孔质量，只有两端聚氨酯有效反应后方可进行带压注浆封孔。

顺层钻孔20m长距离带压封孔技术保障措施：

（1）成立专业封孔小组，确保封孔质量。封孔小组成员必须熟练掌握以下操作步骤：1）如何配置聚氨酯或马丽散搅拌液；2）如何将20米PVC实管在2分钟内送入钻孔内；3）如何将蘸有聚氨酯的棉纱封堵孔口；4）如何使用煤矿用气动注浆泵；5）如何根据压力表读数判断注浆是否完成。

（2）对专门负责顺层钻孔的封孔工序人员提高薪金待遇，保障封孔队伍人员的稳定，确保封孔质量的高合格率。

5 项目取得的成果

瓦斯抽采效果不仅取决于煤层瓦斯生成及赋存条件，而且决定于瓦斯抽采工程质量，瓦斯抽采工程质量又决定于钻孔封孔质量。该矿之前顺层钻孔采用封孔段为8m进行封孔，但瓦斯抽采和防突效果并不理想，单孔平均浓度仅在40%左右；钻孔合格率也较低，仅为77.14%；另外考虑到底板瓦斯抽采巷穿层钻孔控制煤巷条带15m范围，此范围之内已消突且实体煤遭到破坏，如果该段封孔处理不好会造成漏气。

在采用20m长距离带压封孔技术后，单孔平均抽采浓度在60%以上，与之前采单孔平均浓度40%相比有很大提高；钻孔合格率也由77.14%提高到了91.43%，同时杜绝了顺层钻孔抽采时与穿层钻孔之间存在的漏气现象。

5.1 顺层钻孔8m带压封孔与20m长距离带压封孔效果分析

顺层钻孔8m带压封孔漏气主要存在两种途径：一种是由于封孔短而导致巷道煤壁内的裂隙未封堵产生漏气；另一种钻孔内封孔材料与孔壁结合不紧密以及径向裂隙未封堵导致漏气。顺层钻孔采用8m带压封孔抽样浓度如表1。

表1 顺层钻孔8m带压封孔抽样浓度表

顺层钻孔20m长距离带压封孔增加了钻孔封孔段深度，有效解决了煤壁内的裂隙在高负压作用下漏气的现象。通过气动注浆泵将水泥浆注入到两段聚氨酯封孔段之间，使浆液在压力的作用下进入钻孔周围裂隙内，待孔口压力表显示值为0.6Mpa以上时停止注浆，浆液凝固后具有较强的抗压性能及密封性能，从而达到密封钻孔的目的。顺层20m长距离带压封孔抽采浓度如表2。