黄陵二号煤矿抽采钻孔新型封孔技术研究

2023-09-18张佳龙

陕西煤炭 2023年5期

张佳龙

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西延安 727307)

0 引言

中国煤炭资源开采主要依靠井工开采[1-2]。煤层因其赋存条件伴生煤层气(瓦斯),瓦斯既是一种能源资源亦是导致煤矿灾害的主要诱因之一。现阶段治理瓦斯的主要办法是瓦斯抽采[3-4]。瓦斯抽采效果是评价瓦斯治理的主要指标[5-7],瓦斯抽采效果受多因素支配,其中抽采钻孔封孔质量占比最高,而封孔不严,封孔质量差会造成抽采钻孔漏气、浓度低、流量小、抽不出瓦斯等一系列导致抽采效果差、瓦斯治理效果差的问题[8]。

因此,抽采钻孔封孔质量问题必须引起重视,从以前的聚氨酯封孔,水泥砂浆单堵头封孔方式,到现阶段的“两堵一注”[9-11]。目前两堵一注很盛行,但依然存在很多问题,如堵头在注浆时发生脱落、注浆压力不确定、爆破阀是否打开等问题仍然导致瓦斯抽采钻孔封孔质量差,瓦斯治理效果不好。许多学者根据“两堵一注”工艺及原理不断改进,形成了多种新型的封孔方式和设备[12-13],文中采用囊袋式新型两堵一注一体化封孔器进行封孔,并考察其效果。

1 概况

黄陵二号煤矿215工作面主采2号煤层,平均厚度2.8 m,属侏罗系中统延安组。煤层为黑色块状,条痕黑色,弱沥青光泽,参差状断口,以暗煤为主,亮煤次之,丝炭少量,属半暗型煤,内生裂隙发育,煤层无结构,煤层厚度2.1～3.1 m,煤层下部局部含夹矸。地质构造总体构造格架是一个具有波状起伏的倾向北西的单斜构造,地层倾角一般为1°～5°。从切眼向停采线煤层底板标高逐渐上升。215胶带巷掘进工作面位于井田二盘区东北部,西南至213工作面,南到北一1#辅运大巷,东北部为未采区,工作面走向方位为339°,煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

为提高黄陵二号煤矿瓦斯抽采效率,降低生产成本,提升矿井瓦斯治理水平,黄陵二号煤矿引进囊袋式新型两堵一注封孔器进行封孔试验,试验地点位于矿井北一采区215胶带机巷,试验段共施工钻孔15个,均使用两堵一注囊袋封孔器进行封孔。

2 囊袋式新型两堵一注封孔器结构及原理

2.1 结构原理

FKJW型两堵一注封孔器由注浆管、返浆管,囊袋,单向阀及爆破阀组成,封孔器原理如图1所示。

图1 封孔器封孔原理

2.2 封孔工艺

封孔过程中,只需将囊袋固定在抽放管上,缓慢送入钻孔即可。使用时先将封孔器固定在抽放管上推入钻孔,注浆时,浆液首先注满囊袋,注浆压力达到0.5 MPa时,爆破阀打开,开始中间注浆段注浆,直至浆液完全注满空间,返浆管开始返浆;关闭返浆管,观察注浆泵压力表,达到指定注浆压力时停止注浆。封孔器实物如图2所示。

2.3 新型封孔材料

该产品具有膨胀性好、高强度、凝固时间可调、无收缩等技术优势。SCFK-1型无机封孔材料(膨胀型)、 SCFK-2型无机封孔材料(快凝型)及SCFK-3型无机封孔材料(快凝高膨胀型)如图3所示。

图3 黄陵二号煤矿采用的封孔注浆材料

封孔材料的优点:操作简便,只需将封孔器固定在抽采管上,推入钻孔即可;适用于瓦斯抽采钻孔,不同用途钻孔的封堵,同时适用于上行孔、顺层孔、下行孔的封堵;爆破阀压力可调,囊袋耐压强度高,封孔质量好,可满足钻孔长期高效封堵的需要。钻孔带压注浆,材料的高膨胀性可进一步密封钻孔周围裂隙,持续性提高钻孔的密封效果,提高单孔抽采浓度。

缺点:各流程需严格把关,对管理要求高。现场经验掌握及封孔人员业务素质把关,对操作者要求高。封孔要求:煤层钻孔封孔长度20 m;高位、顶板钻孔封孔长度10 m;底板钻孔封孔长度10 m。

SCFK封孔材料与普通425水泥性能对比见表2。

表2 SCFK封孔材料与普通425水泥性能对比

2.4 封孔步骤

①将安装有封孔器的抽采管按顺序送入钻孔内,封孔器总长为14 m,分为4节,前后两节各固定有囊袋,孔口囊袋距孔口约500 mm。②注浆过程中,需要注意将封孔材料加入水中,边加入边搅拌浆液,水灰比控制在1∶1(质量比),现场可根据经验用手捞出浆液,不漏出皮肤即可。③注浆泵连接注浆管开始注浆,起始阶段缓慢注浆(注浆泵阀门开到1/4),此时浆液注入2个囊袋内,浆液内的水分通过囊袋过滤排出,缓慢注浆可保证囊袋内的水分充分过滤排出。④爆破阀打开后,可加快注浆速度(完全打开注浆泵阀门),返浆管返浆后,对折关闭返浆管,继续注浆(注浆泵阀门开1/4),注浆泵压力达到1.5 MPa时(憋压状态)停止注浆。⑤注浆泵使用后,用清水洗净外表及其内部,清洗干净为止;整理现场,将各管路和设备合理归置保存,没用完的材料要放置在干燥通风处,防止失效。

3 工程试验效果分析

3.1 钻孔设计

煤层施工区域为215胶带巷切眼至停采线区域,共3 000 m,切眼向外2 034 m段每6 m施工1个煤层预抽钻孔,设计钻孔340个;切眼向外2 034 m至切眼向外2 624 m段每10 m施工1个煤层预抽钻孔,设计钻孔59个;切眼向外2 624 m至停采线段每15 m施工1个煤层预抽钻孔,共施工27个本煤层预抽钻孔,所有钻孔孔深均为280 m,钻孔与巷道中线夹角90°,考虑到施工时钻头下沉,施工倾角为1°～3°。钻孔孔口位置距巷道底板1.5 m。工程试验选用其中的15个钻,分成3组试验对象,主要为囊袋式新型两堵一注封孔、普通两堵一注封孔方式、水泥砂浆单堵头封孔方式,如图4所示。

图4 对比试验钻孔布置示意

3.2 配套装备及工艺技术

钻机采用CMSI-6500/75型履带式钻机和ZDY6000LD履带式钻机,3NB-350/6-15型往复式泥浆泵,钻头为φ96 mm三翼内凸钻头,钻杆为φ73 mm刻槽钻杆,当钻孔施工3 m后,安装防喷孔装置、连接抽采系统后正常施工钻孔。

3.3 封孔效果分析

黄陵二号煤矿215胶带机巷煤层钻孔有试验孔15个,封孔长度14 m,孔号(314、313、312、311、310)为囊袋式新型两堵一注封孔方式,孔号(309、308、307、306、305)为普通两堵一注封孔方式;孔号(304、303、302、301、300)为水泥砂浆单堵封孔方式;经过2个月抽采,分析在不同负压下瓦斯抽采浓度,结果见表3。

钻孔抽采浓度对应的点线图如图5所示。

由图5可以看出,当钻孔抽采负压为26 kPa时,钻孔抽采2个月后,浓度大于80%的有2个,平均浓度在71%。当钻孔抽采负压为24 kPa时,试验钻孔瓦斯浓度普遍高于26 kPa时的瓦斯抽采浓度,抽采负压在15 kPa和30 kPa时浓度普遍较26 kPa和24 kPa低,也说明最优抽采负压为26 kPa。

当钻孔抽采负压为24 kPa时,钻孔抽采2个月后,钻孔309#～304#单孔浓度普遍在25%左右。钻孔300#～303#由于在钻场前进行施工的钻孔,钻孔受原钻场串孔的影响,钻孔浓度普遍较低。

从图4、图5中可以看出,钻孔孔口抽采负压对钻孔单孔浓度影响较大。随着孔口负压增大,钻孔抽采浓度降低比较明显。

经现场钻孔封孔技术指导后,掘进准备队自行封孔,收集8个封孔观测浓度见表4。

表4 试验钻孔封孔后瓦斯浓度变化情况

由表4可以看出,经过2个月的瓦斯抽采,新型封孔方式浓度大于70%的有4个,平均浓度在65%,采用普通的封孔后,瓦斯浓度大于70%的有3个,平均浓度在57%。分析可知,试验对比孔的预抽浓度都随着抽采时间呈波动上升趋势,浓度变化趋势也不同,新型封孔方式下瓦斯抽采钻孔浓度明显高于普通封孔和水泥砂浆封孔。

在采用新型封孔方式后,巷道的试验孔预抽瓦斯抽采浓度都有明显的提升,钻孔抽采浓度是钻孔封孔效果的主要评价指标,试验孔平均瓦斯抽采浓度明显高于对比孔,说明在采用改变封孔材料等措施,优化封孔工艺后,封孔效果明显提升,新型囊袋式封孔器效果更好,同时实现带压注浆,有效保证了整体封孔效果,较好地解决了当前瓦斯抽采钻孔封孔存在的问题。