钻封一体化初探

科学技术报告抽采钻孔封孔新技术钻封一体化初探承担单位：荥经县五家田煤业有限公司协作单位：重庆煌庆矿山科技有限公司报告撰写：魏云完成时间：2012年2月28日目录1·引言......................................................................................12·施工地点概况......................................................................13·顺层钻孔受力分析.............................................................24·顺层孔封孔试验研究.........................................................34.1·试验钻孔设计及施工................................................44.2·封孔材料及工艺........................................................44.2.1·石膏水泥浆及封孔工艺...................................44.2.2·A-B胶封孔及封孔工艺....................................55·封孔效果考察......................................................................75.1·单孔浓度对比............................................................75.2·钻孔成孔率..............................................................125.3·经济效益分析..........................................................125.3.1·封孔成本.........................................................125.3.2·运行成本.........................................................125.3.3·经济比较.........................................................136·钻封一体化........................................................................137·结论....................................................................................1311·引言荥经县五家田煤业有限公司的五连炭煤层，透气性系数为0.99的高瓦斯煤层，煤层坚固性系数f值一般在3左右。目前矿井采用顺层钻孔进行本煤层瓦斯抽采。以前，荥经县五家田煤业有限公司抽采钻孔采用石膏水泥浆封孔，封孔工艺繁锁，需要材料和设备多，封孔耗时长，封堵效果不理想，造成钻孔瓦斯抽放浓度低，抽采量难以大幅提高。该问题一方面造成工作面抽采达标时间长，严重制约矿井生产部署；另一方面，钻、封时间间隔长，松软煤层中的钻孔易塌孔，成孔率低，影响抽放效果；再一方面，由于封堵效果差，钻孔抽放浓度低，抽采低浓度瓦斯难以利用，排空后造成资源浪费、大气污染。针对抽采钻孔的封孔难题，荥经县五家田煤业有限公司积极改进瓦斯抽采钻孔封孔工艺，试验新型封孔材料提高抽采钻孔瓦斯预抽浓度和矿井瓦斯抽采率。2012年矿井开始试验了新型A-B胶配套正安矿山专用封孔器的封孔材料和新工艺并对封孔效果进行对比考察。采用新的封孔工艺后，封孔时间比原来节省了三分之二，钻孔成孔率达100%，抽采钻孔抽采瓦斯浓度由60%提高至90%。取得了良好的抽采效果。2·施工地点概况本次试验地点选择在1256对拉采煤工作面新掘两条回风巷道内。1256对拉工作面属五连煤煤层，煤层分为四个分层,属复合煤层,下分层煤厚0.4～0.5m(顺层瓦斯抽采钻孔布置于该分层)，纯煤层平均厚为0.76m,煤层倾角1～5°,平均3°，煤层的硬度系数f=3～5。平均采高1.05m；五连煤以明镜煤和半亮煤为主，半暗煤次之，镜下观察以凝胶物质为主(45%以上)，可见镜煤和木质镜煤、结构镜煤凝2胶基质等。其次为丝炭物质(40%左右)，见木炭丝炭镜煤，丝炭基质等。煤岩类型为线质镜煤，光性测定变质程度属贫煤估。五连煤属无烟煤。表11256采面回风巷顶底板情况顶底板名称岩石名称厚度(m)岩性特征老顶细、粉砂岩3～5为灰色中厚层状砂岩和薄层状粉砂岩组成。直接顶粉砂岩0.42浅灰色，显水平层理，顶部含植物化石或煤线。直接底细砂岩2.3灰色，中厚层状砂岩组成。3·顺层钻孔受力分析顺层预抽钻孔实施完成后，主要受到上覆煤岩层垂直应力及水平向构造应力，钻孔设计长度80m，施工长度在70-85m之间，因此该问题可简化为平面应变问题。其中，上覆煤岩层垂直应力HP1，水平向构造应力12PP，上式中，H为煤层埋深，γ为岩石容重，λ为侧向系数，钻孔受力模型图见图1。图1顺层钻孔受力示意图钻孔周围由内到外依次分布为钻孔松动区、塑性区、弹性区，见3图2。由于受钻孔施工扰动影响，钻孔周围松动区分布大量发育裂隙，数值模拟及理论研究结果表明，该松动区范围为2.5～6倍钻孔直径，具体数值还与钻孔埋深、地质构造及煤岩层性质影响。图2顺层钻孔松动圈分布示意图由于该松动区的存在，常规水泥浆及石膏封孔方法难以取得较好封孔效果。主要是因为：①水泥砂浆封孔方法封孔后，水进入钻孔裂隙松动区，而水泥砂浆基质难以进入裂隙内部；②水泥砂浆由于收缩比大，固化后对孔壁产生径向拉力作用，进一步促进裂隙发展。③水泥浆凝固时间长，封孔工艺繁杂，耗时多，抽采达标时间长。针对以上情况，荥经县五家田煤业有限公司2011年底试验了A-B胶配套专用封孔器的封孔新工艺，并对试验结果进行深入考察。取得一定效果。4·顺层孔封孔试验研究试验选择两种封孔材料：A-B胶(聚氨酯)和石膏水泥浆。根据不同封孔材料性质、封孔工艺分别进行封孔施工，通过测定封孔后单孔瓦斯浓度、成孔率，对比封孔效果。44.1·试验钻孔设计及施工顺层钻孔封孔试验地点选择在1252采面两回风巷和1256采面两回风巷，钻孔间距均为6m，垂直煤壁沿煤层走向施工，钻孔设计深度80m。封孔试验选择两种不同封孔材料：水泥浆石膏与A-B胶。试验钻孔设计见图3。其中试验孔1256采面两回风巷1～58#(共58个)钻孔采用黑白胶封孔，与原1252采面两回风巷50～103#(共54个)钻孔采用水泥浆石膏原封孔工艺封孔作比较。1252机巷1252-2回风巷1252-1回风巷1252-11252-2505152537374757677787910210315～20m15～20m15m15m6m100m100m6m1256机巷1256-2回风巷1256-1回风巷1256-11256-258575642414015～20m15～20m15m15m6m100m100m6m20m(煤柱)1234563738397810110099图3封孔试验钻孔设计图4.2·封孔材料及工艺4.2.1·石膏水泥浆及封孔工艺(1)材料性质水泥浆：选用425#硅酸盐水泥作为主要材料的凝固剂，凝固后封堵钻孔。石膏：为膨胀剂，其作用是避免水泥浆凝固后收缩，钻孔出现缝隙。加石膏后水泥浆体积约为原来的1.1倍。配合比：水∶水泥∶石膏=100∶60∶12。5(2)石膏水泥浆封孔工艺石膏水泥浆封孔技术施工采用两道工序施工：钻孔按照设计要求施工(扩孔5～8m)完成后，将1.5寸抽放管、注浆管及排气管用棉纱按图4要求缠绕，面纱段长度各0.1m，捆绑固定后，插入扩孔段内8m处(孔口外预留0.3m)；用高标号水泥砂浆封堵孔口。待孔口水泥砂浆凝固后(24小时)，按比例配合好石膏水泥浆，待其充分反应硬化后(约10min)，通过注浆泵向预留注浆管内注浆，排气管口弯至孔口上1m，中间空间注满(排气管口有水泥浆溢出时)停止注浆，封孔完成。等72小时水泥浆凝固后，才能联结主管，投入抽放。Φ65mmΦ115mm8m绵纱石膏水泥浆水泥砂浆注浆管1.5′双抗塑料管2′双抗塑料管排气管筛管段图4石膏水泥浆封孔示意图4.2.2·A-B胶封孔及封孔工艺(1)材料性质A-B胶封孔材料采用“正安”牌矿山专用封孔剂和封孔器材料，主要成分：双组份聚氨酯。具有较强的渗透性和密封性能，封孔时间65-10min，主要技术指标见表3。表3A-B胶主要技术指标乳白时间S压缩强度KPa尺寸稳定性△%脱粘时间S与基材结合强度KPa自由泡密度Kg/m3闭孔率%阻燃性s50-90≥210≤1400-600≥15040-60≥95自熄为考察A-B胶材料的发泡效果，在地面取样进行模拟测试，试验采用Φ108mmPVC管材模拟钻孔，见图5。测试结果表明：A-B胶发泡直径0.5-1.0mm，质地均匀，相比石膏水泥浆发泡直径0.5-3mm要更加均匀。图5A-B胶(毛巾缠绕)硬化效果(2)封孔工艺A-B胶封孔技术施工采用一道工序施工：钻孔按照设计要求施工完成后，封孔器制作：UPVC抽放管前端0.5～0.8m范围内预先已钻直径为8mm的透气孔，间距50mm，前段留有不小于0.5m的抽放气室，封孔深度2-7.2m(可根据各自煤岩特性加接抽放管调整封孔深度)，1.5-7.2m处采用封孔剂进行封孔，为防止封孔剂径向膨胀，在封孔器内海绵两端各固定一个金属档圈，又起到抽放管对中而四周均匀膨胀的作用，在每段海绵部位外套塑料袋，便于AB胶在海绵上均匀分布，既不浪费AB胶，又可以将沾有AB胶的塑料袋拉至挡圈处，待其膨7胀后，增加密封效果。AB胶封堵钻孔工艺：将A、B胶分别取500~750毫升按1：1比例倒入指定容器中，搅拌均匀。将混合好的AB胶倒入正安矿山专用封孔器端头两段海绵体上，然后进行挤压，待胶料均匀吸进海绵内后，再反转塑料袋至挡板处。用一小块(0.1m左右)海绵，蘸取混合好的剩余AB胶，缠在孔口处的UPVC管上，迅速将UPVC胶管插入钻孔中。硬化2小时后就可接上主管，投入抽放。如下图所示：Ⅰ-Ⅰ剖面图ⅠⅠ600Φ50Φ75Φ5050015020060015004000挡圈黑白料PVC胶管纱布钻孔直接头不大于25mm150300残余黑白料挡圈(封孔口)煤壁煤壁挡圈挡圈图6A-B胶封孔示意图5·封孔效果考察5.1·单孔浓度对比各孔施工完成后按照封孔要求进行封孔，各孔实际施工深度及实际封孔深度见附表4、5。采用高浓度瓦检仪对采用不同封孔方法的单孔浓度进行测定，测定结果见下附表6、7。对各孔抽采浓度进行统计分析，考察采用A-B胶前后平均单孔浓度变化，见表8。8表4A-B胶与石膏水泥浆封孔平均单孔浓度变化考察日期累计考察时间(h)平均单孔浓度(%)抽采负压(KPa)A-B胶石膏水泥浆2月8日291602.72月10日396682.72月13日591702.72月15日786562.72月17日788582.7采用A-B胶封孔过程中，由于试验孔49#孔发生堵塞，封孔长度只有1.6m，但单孔瓦斯浓度也达到了73%。考察采用不同封孔方法的平均单孔浓度变化，绘制平均单孔浓度-时间关系图，见图5。2046810102030405060708090100考察时间(d)抽放瓦斯浓度(%)水泥浆AB胶图5两种封孔方法平均单孔浓度对比图由图可知，在考察前10天内，采用A-B胶封孔平均单孔瓦斯浓度在原来基础上提高了34.09%～42%，平均单孔抽放浓度达到85%～92%。9表4试验孔实际施工深度及封孔长度(1)孔号孔参数12345678