囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔技术应用

囊袋式“两堵一注”带压注浆封孔技术应用
白杰
【摘要】对阳煤集团本部生产矿井3#煤本煤层瓦斯抽采钻孔原有“两堵一注”水泥砂浆封孔技术进行优化[”,在未采取任何增透技术的前提下,实现本煤层瓦斯高浓度高效抽采,有效缩短了矿井抽采达标时间.
【期刊名称】《江西煤炭科技》
【年(卷),期】2017(000)002
【总页数】4页(P114-117)
【关键词】低透气性煤层;瓦斯抽采;顺层钻孔;囊袋;封孔
【作者】白杰
【作者单位】阳泉煤业集团有限公司,山西阳泉045000
【正文语种】中文
【中图分类】TD712.6
阳煤集团在阳泉本部有27座生产矿井，其中突出矿井7座，主要可采煤层3#、
8#、9#、15#。

对于阳煤集团本部的矿井来说，3#煤地质构造复杂，瓦斯含量高，瓦斯压力大，地应力大，煤与瓦斯突出强度高。

煤层坚固性系数f：0.38～0.52，煤层透气性系数为0.0170～0.1377 m2/MPa2·d，煤层平均瓦斯含量为18.17
m3/t，瓦斯压力为1.3～2.26 MPa，钻孔百米流量衰减系数为0.0687～1.5942
d-1，属于较难抽采煤层。

1.1 顺层预抽钻孔技术现状
以阳煤集团下属的新景矿来说明，突出矿井3#煤层所采取的煤层区域防突措施部分为：在3414工作面（采长240 m）进回风顺槽施工130 m单排对穿顺层预抽钻孔进行瓦斯抽采（见图1）。

在以往的顺层预抽钻孔管理过程中，呈现出大投入小回报的显著特点，而且常发现钻孔抽采浓度低、抽采量小、抽采周期长、整体效果差等问题。

按照实际井下抽采观测数据显示，顺层预抽钻孔瓦斯浓度处于5%～20%区间，顺槽支管瓦斯抽采浓度仅为4%～15%。

长期的低浓度、低效率瓦斯抽采现状导致矿井出现采掘衔接紧张局面，给矿井消突工作造成巨大阻力。

1.2 顺层预抽钻孔抽采瓦斯浓度低原因分析
主要包括以下几个方面：
(1)钻孔卸压圈裂隙漏气（钻孔半径的5～10倍）；
(2)巷道卸压带裂隙漏气（巷道宽度的3～5倍）；
(3)煤层节理裂隙发育导流；
(4)封孔充填不实漏气；
(5)塌孔堵孔；
(6)煤尘或水堵塞抽放管。

由此可知，进一步优化本煤层顺层预抽钻孔封孔技术，是提升本煤层顺层预抽钻孔瓦斯浓度和抽采量的主要和根本途径。

之前本煤层顺层预抽钻孔采用的是A、B液“两堵一注”水泥砂浆封孔工艺，鉴于实际封孔效果不理想，难以满足高负压抽采气密性要求，故将其优化为囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔工艺，且进一步增加了钻孔的封孔深度及长度。

2.1 技术原理
囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔技术其原理基于煤壁内存在的应力扰动沟通裂隙，利用带压注浆方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密封微孔裂隙的目的。

该技术工作原理主要通过两个阶段的带压注浆完成钻孔封孔工作（见图2）。

第一阶段：首先利用封孔器及柔模式封堵囊袋，实现封孔环形空间端头封堵；第二阶段：利用注浆设备，将不低于2 MPa压力的浆液材料压注到封孔段环形空间及周围孔
壁煤体裂隙内部，浆液在注浆压力作用下，可以劈裂、扩展孔壁内煤体裂隙，充填孔隙和煤体凹凸面，并在大渗透压力梯度作用下深入煤体微裂隙内，并产生凝聚力，待浆液迅速固化后，形成膨胀树枝状分布，与煤体颗粒固结在一起，实现全面封堵。

2.2 封孔参数确定
（1）钻孔轴向应力分布分析
准备工作面进回风顺槽掘进过程中，巷道周围煤体由外向里沿钻孔钻进方向依次形成卸压破坏带、应力集中带和原始应力带。

在卸压带内,煤层得到较充分的卸压,同
时会形成大量的贯穿裂隙,巷道内的空气经卸压带的贯穿裂隙被抽入钻孔,会造成封
孔漏气导致瓦斯抽采浓度和抽采效果大打折扣。

（2）钻孔径向应力分布分析
钻孔周围煤体受到钻进破煤扰动，钻孔周围煤壁沿钻孔径向形成充分卸压区、非充分卸压区、卸压扩展区和原岩应力区，随着扰动半径的增加，钻孔周围煤体结构向深部遭到破坏的程度逐渐降低，煤体裂隙发育程度也随着扰动半径的增加逐渐降低。

（3）由于钻孔煤体应力变化会造成不同深度煤体的钻屑量变化,故通过向巷帮打钻测定不同深度煤体的钻屑量的方法，可以确定出巷道卸压带、应力集中带和原始应力带的分布深度,从而将合理的钻孔封孔深度延伸至原岩应力区范围内。

根据3#煤3414工作面所施工4个Ф42 mm钻屑量测试孔，描述钻屑量与钻孔
深度变化关系。

通过对比分析可知，钻屑量在10～16 m区间有递增趋势，在15～16 m区间达到极值，因此可推断出准备工作面煤体原始应力区至少在顺槽钻孔施工煤壁往里16 m以外区域。

由此确定出最终封孔深度在钻孔的9～17 m处，封孔段长度为8～9 m。

选取阳煤集团下属新元公司3108辅助进风和新景公司3216进风两个工作面作为试验地点。

3.1 管路系统
顺槽管路系统采用气密性优良的单趟直缝焊钢管，单节管路内径400 mm，壁厚
3 mm，长
4 m；法兰盘外径Φ48
5 mm，内径Φ395 mm,厚12 mm，螺栓孔直径及个数：Φ1
6 mm×16，螺栓组合:Φ14 mm×55 mm；能够满足试验地点瓦斯抽放负压不低于13 kPa的需求。

3.2 钻孔设计及施工工艺
（1）试验钻孔数量40个，钻孔深度为130 m，钻孔间距为2 m，孔径120 mm；钻孔施工采用ZDY4000L型钻机配套73 mm肋骨钻杆进行施工，距煤层底板
1.5～1.7 m处进行施工。

钻孔施工完毕后，执行全长下筛管措施。

（2）采用ZBQ-25/5型煤矿用气动注浆泵、FKL-1型封孔水泥（15 kg/袋）和3 m丝扣式囊袋封孔器进行本煤层顺层钻孔封孔，封孔深度在钻孔的9～18 m处，封孔段长度8～9 m，封孔材料水灰比1:1（注浆泵每桶可加45 kg水和45 kg水泥），完成注浆压力需稳压至2 MPa及以上。

（3）采用橡胶高压管联孔工艺，设有单孔测嘴。

3.3 封孔试验结果
40个试验孔全部按照新工艺进行封联孔并进行连续观测。

（1）新元公司3108辅助进风顺槽20个试验钻孔瓦斯抽采数据见图3。

① 浓度分析：试验钻孔瓦斯抽采浓度大体处于不稳定上升和下降阶段，基本维持
在60%以上水平，单孔瓦斯浓度最高100%，最低57%，在连续观测期间瓦斯抽
采浓度衰减速度缓慢，大部分试验钻孔可以保证高浓度瓦斯抽采。

② 流量分析：试验孔孔瓦斯抽采纯量大体趋于稳定并下降趋势，基本维持在0.5
m3/min水平;单孔纯量最大为0.082 m3/min，最小为0.019 m3/min，在连续
观测期间瓦斯抽采纯量随时间推移衰减较快，可保证高流量瓦斯抽采。

③ 理论抽放时间计算：试验孔区域内，实测平均瓦斯含量为11.8 m3/t，20个孔平均瓦斯抽放纯量为0.53 m3/min，20个孔日均抽放量为763 m3/d，瓦斯含量降至8 m3/t以下理论抽放时间需要102天。

（2）新景公司3216进风顺槽20个试验钻孔瓦斯数据见图4。

① 浓度分析：试验钻孔瓦斯抽采浓度大体趋于衰减趋势，基本维持在70%以上水平，单孔瓦斯浓度最高98%，最低25%，在连续观测期间瓦斯抽采浓度衰减速度缓慢，多数试验钻孔可以保证高浓度瓦斯抽采。

② 流量分析：试验钻孔瓦斯抽采纯量趋于快速衰减趋势，联抽初期基本维持在
0.56 m3/min水平；单孔纯量最大为0.1 m3/min，最小为0.026 m3/min，在连续观测期间瓦斯抽采纯量随时间推移衰减快，可保证高流量瓦斯抽采。

③ 理论抽放时间计算：试验钻孔区域内，实测平均瓦斯含量为14.2 m3/t，20个钻孔平均瓦斯抽放纯量为0.48 m3/min，20个钻孔日均抽放量为690 m3/d，瓦斯含量降至8 m3/t以下理论抽放时间需要180天。

试验表明，采用囊袋式“两堵一注”水泥带压封孔及高压管联孔工艺后，在3#煤层不同透气性系数区域，均可实现高浓度、高流量、高效瓦斯抽采。

在所试验两条顺槽掘进工作面推广应用后,抽采效果较好，单个钻孔瓦斯抽采浓度平均可达55%以上，单个钻孔瓦斯抽采纯量平均0.043 m3/min，大幅缩短准备工作面预抽达标时间，可有效促进矿井“抽、掘、采”平衡。

1）根据试验钻孔钻屑量与钻孔深度变化关系确定了3#煤煤层合理封孔深度在钻孔的9～18 m处和合理封孔段长度为8～9 m关键数据。

2）采用囊袋式“两堵一注”水泥带压注浆封孔及高压管联接工艺（钻孔平均抽采浓度为55%，单孔平均纯量为0.043 m3/min），较之前A、B液“两堵一注”水泥砂浆封孔工艺（钻孔平均抽采浓度为13.7%，平均纯量0.008 m3/min）顺
层瓦斯预抽钻孔单个钻孔瓦斯抽采浓度大幅提高约4～5倍，抽采纯量提高约5～6倍。

3）选择合理的封孔深度、长度及封联孔方式，在保障抽采负压的基础上保障钻孔气密性，可在不同透气性系数煤层区域实现高浓度、高纯量、高效瓦斯抽采，大幅缩短工作面瓦斯预抽达标时间。

【相关文献】
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