瓦斯抽采钻孔封孔效果考察及影响因素分析

8月

China Energy and Environmental Protection

能源与环保

Vol. 39 No. 8Aug. 2017

瓦斯抽采钻孔封孔效果考察及影响因素分析

(1.平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，河

王胜利、赵萌、秦汝祥2

南平顶山

467000; 2.安徽理工大学，安

徽淮南

232001)

摘要:针对平煤集团瓦斯预抽钻孔封孔质量差、钻孔抽采瓦斯浓度低的问题，提出了囊袋式带压封孔 方法。从封孔后钻孔抽采瓦斯浓度和钻孔封孔的操作快捷与方便两方面，对比分析了囊袋式带压封 孔方法和聚氨酯封孔方法的应用效果;在此基础上，探讨了瓦斯抽采钻孔密封的影响因素。结果表 明：囊袋式带压封孔装置密封的瓦斯抽采钻孔,抽采高浓度瓦斯持续时间长，无论是顺层钻孔还是穿

层钻孔，封孔抽采后，单孔浓度仍能超过;即便经历个月抽采后，干管瓦斯浓度基

60 ~80 d

本是原聚氨酯封孔时瓦斯浓度的倍以上。囊袋式带压封孔装置平均单孔封孔时间约果对实现煤矿钻孔快速高效抽采瓦斯具有重要的参考价值。关键词：瓦斯抽采;囊袋式带压封孔；封孔效率；影响因素；封孔材料

中图分类号

2

20% 3 ~4

25 min,封孔

操作效率高。封孔材料的致密性、合适的封孔参数和注浆压力是实现钻孔密封的关键参数。研究结

:TD712.6

文献标志码

:A

文章编号

= 1003 -0506(2017)08 -0092 -04

Analysis on sealing effect of gas extraction borehole and influencing factors

(1. Drilling Department of Pingdingshan Tian'an Coal Co. ,Ltd. ,Pingdingshan 467000, China ；

2. Anhui University of Science & Technology ,Huainan 232001, China)

Wang Shengli1 ,Zhao Meng1 ,Qin Ruxiang2

Abstract：For the poor quality of gas drainage borehole sealing problem in Pingdingshan Coal Company,capsular bag borehole sealing

method was proposed. And applicative effects of drainage gas volume fraction and borehole sealing operation were analyzed between the

borehole sealing methods of two capsular bag with one time grouting and polyurethane. Based on it,the influence factors of sealing bore­hole were discussed. The results showed that time of high drainage gas volume fraction is longer than polyurethane. Every along and cross seam boreholes，after 60 〜80 days drainage，gas volume fraction of single borehole is high than 20% . Even after 3 ~4 months lat- er,the gas volume fraction in main pipeline is over two times than polyurethane sealing method. Further more,borehole sealing operation time is about 25 min of two capsular bag with one time grouting,and the efficiency of boreholes sealing is high. And the key factors of sealing borehole were investigated including density of sealing material, right parameters and grouting pressure. The result is useful to re­alize quick and efficient borehole sealing for gas drainage.

Keywords：gas drainage；two capsular bag with one time grouting；borehole sealing efficiency；influencing factor；boreholes sealing mate­rial〇引言

钻孔抽采瓦斯是煤矿瓦斯治理的主要方法，封 孔质量是实现钻孔高效抽采瓦斯的关键[14]。围绕 提高钻孔封孔质量，研究者从封孔方法[58]、封孔位 置[94°]、封孔长度[1142]、封孔材料[1344]以及注浆压

力[15]，甚至经历一段时间抽采后的二次注浆[16 M]等 方面展开了系列研究,在指导煤矿钻孔抽采瓦斯技 术的应用方面发挥了重要的作用。平顶山矿区主采 的丁戊组和己组煤层，透气性低、地质条件复杂，借 鉴国内多种封孔方法后，达不到预想的现场应用效 果。后尝试采用囊袋式带压封孔方法，经现场应用

收稿日期：2017 -04 -06;责任编辑：陈鑫源 DOI:10.19389/j.cnki. 1003 -0506.2017.08.018 作者简介:王胜利（1968—），男，河南叶县人，工程师，现从事煤矿安全研究和管理工作。引用格式:王胜利，赵萌，秦汝祥•瓦斯抽采钻孔封孔效果考察及影响因素分析[J].能源与环保，2017，39(8):92-95.

Wang Shengli,Zhao Meng,Qin Ruxiang. Analysis on sealing effect of gas extraction borehole and influencing factors[J]. China Energy and En­

vironmental Protection ,2017,39( 8) ：92-95.

• 92 •

2017年第8期

王胜利，等：瓦斯抽采钻孔封孔效果考察及影响因素分析

第39卷

后取得了较好的效果。本文介绍了该方法在公司下

属3个矿井的应用情况，并探讨了影响瓦斯抽采钻 孔封孔的影响因素。

的联合作用，控制所注浆液向装置不同区域流动过 程中产生先后顺序而实现的封孔。根据装置使用地 点的煤岩体裂隙发育特征的不同，可以调节爆破阀 的启动压力，实现不同地质特征下的注浆封堵裂隙 的作用。其中，装置的囊袋作用是在钻孔内形成有 效封孔区域，爆破阀启动区域才是钻孔封孔的有效 段。

1囊袋式带压封孔装置及原理

囊袋式带压封孔装置结构如图1所示，包括2

个囊袋和1个注浆管，使用时，利用单向阀和爆破阀

2装置应用现场考察分析

囊袋式带压封孔装置在乎煤集团开展了大量的

带压封孔装置与聚氨酯封孔在平煤集团八矿、 十矿和十三矿应用效果对比试验统计结果见表1。

共计封孔3 617个钻孔（其中，穿层钻孔2 903个，顺 层钻孔714个）：八矿580个，十矿2 034个，十三矿 1 003 个0

表1

试验矿井囊袋式带压封孔统计结果

干管浓度/%

囊袋式 原封孔带压装置

应用试验，其应用情况对平煤矿区未来钻孔封孔模 式的确定有重要的指导意义a

Tab. 1 Statistical results of bag type pressure seal hole in test mine

试验矿

地点

钻孔

类型顺层

芽层

累计封孔

数/个统计起始日期

7 d浓度/ 29 31 69

戊9_1()-21030运输巷

八矿

十矿

十三矿

戊忉-20230运输巷gw-24080 底抽已15-24080运输巷戊94。-2mo运输巷1^6-21180运输巷戊8_9-20230风巷戊〇_1()-20200高位巷BM4rl3〇31机底抽

中抽

芑1[5_17-11111机底抽

e15-14140 底抽已15-〗4140运输巷

顺层

98371111

顺层穿层顺层顺层顺层顺层芽层

穿层层穿层穿

997581539332128771

2247:

6.21

5.196.80

%

单孔跟踪情况30d浓度/ 累计

%天数/d

现浓度

5.26

5.906.267.109.607.505.1955755052674076

27664

43

654248/3260

35

1465

2834408370107

10713989831381124

15

16

612533672349

61535

%

/

备注

7. 114.3

无17.334.81L7

7.5/

1.8

6.06.8

无

3.9

35.515.08.7/4.01.9

2.6

未测

39

从表1看出，使用囊袋式带压封孔工艺后，钻孔 的有效预抽时间明显延长;封孔抽采3〜4个月后， 巷道支管瓦斯浓度基本是原来的2倍以上，这一结 果充分体现了囊袋式带压封孔装置的优越性。2.1钻孔瓦斯浓度

就单孔瓦斯浓度看，应用囊袋式带压封孔工艺 钻孔的平均瓦斯浓度较聚氨酯封孔的平均瓦斯浓度 高，同时单孔IE斯浓度的衰减周期比采用聚氨酯封

孔大幅延长。虽然囊袋式带压封孔在3个矿井戊组 煤层、己组煤层的应用效果差别较大，但都达到了预 期要求。

例如，十矿抽采结果•丨己组煤层穿层孔7 d浓度 达到75%，30 d浓度达到65%左右|己组煤层顺层 孔7 d浓度达到50%，30 d浓度达到42% ;戊组煤 层穿层孔7 d浓度达fl] 76%，30 d浓度达到60% ; 戊组煤层：顺层孔7 d浓度超过40%，30 d浓度仍高

• 93 •

2017年第8期于 32%。2.2封孔操作

能源与环保

好的应用效果。

第39卷

3.3注浆压力

带压封孔要求注浆时两个囊袋之间必须保持一 定压力，将浆液压人孔壁周围煤、岩裂隙，以提高封 孔密封效果。经过广泛应用及验证，注浆压力保持 在

囊袋式带压封孔工艺操作简单，按25 mm。实际施工中，3〜5个钻孔统一注浆的情况 下，平均单孔封孔时间缩减至15 ~ 20 min。而聚氨酯封孔时，捆绑聚氨酯及配套注浆管耗 1. 8 MPa时可以认定浆液已填满裂隙。

囊袋式带压封孔装置通过优选微膨胀性封孔材

料，采用隔断钻孔一次性加压注浆方式，解决了上述 影响钻孔密封影响的主要因素，故能在瓦斯抽采过 时约30 min，下套管及注浆约60 min，实际耗时90

min左右。即便如此，若封孔操作过程中不能在聚

氨酯规定的发泡时间内完成，将会出现封孔参数不 符合设计要求的情况，导致钻孔质量下降，抽采瓦斯 效果不佳。

2. 3暴露的问题

囊袋式带压封孔装置应用过程中暴露2个问 题:①由于瓦斯抽采套管强度不足，注浆封孔过程中 发生了套管变形。如八矿和十三矿的瓦斯抽采套管 耐压强度达不到2 MPa要求，出现抽采管被所注浆 液挤扁现象。后采用高强度PVC套管再未出现套 管变形漏浆现象。②十三矿己1547-11111运输巷底 抽巷外口（D16以外）钻孔抽采浓度高，而里面D23 测点位置抽采瓦斯浓度较低。经排查分析，为区域 地质异常、瓦斯含量降低、煤岩体含水增大所致。

3钻孔密封影响因素

从囊袋式带压和聚氨酯封孔方式抽采瓦斯效果

看，钻孔密封效果影响因素较多，其中封孔材料、封 孔参数和注浆压力对钻孔的密封质量影响较大，是 影响瓦斯抽采钻孔密封的主要因素。3.1封孔材料的致密性

封孔材料的致密性是钻孔实现高效封孔的主要 因素。煤矿常用的封孔材料有聚氨酯、普通硅酸盐 水泥和快速膨胀水泥。其中聚氨酯的致密性相对低 些，膨胀水泥因其膨胀机理的不同，致密性也有差 异。此次试验采用快速微膨胀水泥，水泥膨胀率3.2封孔参数

封孔长度和封孔深度是最主要的封孔参数

。

一

般情况下，封孔注浆段长度达到一定阈值后，再增加 封孔长度无益于抽采浓度提高;受巷道破碎圈及松 动裂隙圈的影响，封孔深度要尽量位于影响范围之 外。现场采用8 m注浆段、封孔深度15 m取得了良 • 94 •

程中收到较好的效果。

4结论

(1)

采用两堵一注封孔装置密封的瓦斯抽孔，抽采高浓度瓦斯持续时间长，无论是顺层钻孔还 是穿层钻孔，封孔抽采60 ~ 80 d后，单孔浓度仍能

超过(220%。

)

两堵一注封孔方法密闭效果好，经历

个月抽采后，干管瓦斯浓度基本是原聚氨酯封孔时 瓦斯浓度的2倍以上。

(3)

采用囊袋式两堵一注封孔装置密封瓦采钻孔，能大大加快封孔操作效率。现场统计发现， 囊袋式两堵一注封孔的平均单孔封孔时间约25

min，远低于聚氨醋封孔时间。

(4)

对钻孔密封的影响因素分析表明，封料的致密性、合适的封孔参数和注浆压力是实现钻 孔密封的关键参数，而煤岩体裂隙和井下采掘作业 是影响钻孔密封的参数。

参考文献（

References):

[1] 程远平，付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].

采矿与安全工程学报,2009,26(2) :127-139.

Cheng Yuanping,Fu Jianhua,Yu Qixiang. Development of gas ex­traction technology in coal mines of China[ J]. Journal of Mining &Safety Engineering,2009 ,26(2) ：127-139.

[2] 张铁岗.矿井瓦斯综合防治技术[M].北京:煤炭工业出版社，

2001.

[3] 俞启香•矿井瓦斯防治[M]•徐州：中国矿业大学出版1992.

[4] 于不凡，王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及技术手册[M].北京:煤

炭工业出版社，2000.[5] 范付恒，张福旺，秦汝祥.瓦斯抽采顺层钻孔新型封孔装置研

究[J] •煤炭科学技术，2013，41 (10) :73-75，80.

Fan Fuheng,Zhang Fuwang,Qin Ruxiang. Study on new borehole sealing device of gas drainage borehole alone seam [ J ]. Coal Sci­ence and Technology ,2013 ,41(10) ：73-75 ,80.[6] 王振锋，周英，孙玉宁.新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方法及封

采

3

斯

孔

社

2017年第8期

王胜利,等：瓦斯抽采钻孔封孔效果考察及影响因素分析

第39卷

堵机理[】].煤炭学报,2015,40(3):588-595.研究进展[J].洁净煤技术,2〇W,2〇(2) :94_98,l〇3.

Wang Zhenfeng, Zhou Ying, Sun Yuning. Novel gas extraction

borehole grouting sealing method and sealing mechanism[ J]. Jour­

588-595.nal of China Coal Society ,2015 ,40(3) ：

[7] 徐彦明，翟成，仲超•长距离上向瓦斯压力测试钻孔逐级注浆

封孔技术[】].煤炭科学技术，2015,43(7):78-82.

Xu Yanming,Zhai Cheng,Zhong Chao. Study on long distance up­ward sectional grouting borehole sealing technology of gas pressure test borehole [ J]. Coal Science and Technology ,2015,43 (7) ：78- 82.

[8] 王兆丰，武炜.煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析[J].煤炭

科学技术，2014,42(6):31-34，103.

Wang Zhaofeng, Wu Wei. Analysis on major borehole sealing meth­od of mine gas drainage borehole [J]. Coal Science and Technolo­gy ,2014 ,42(6) ：31-34,103.

[9] 杨继东.顺层钻孔封孔深度确定及封孔工艺改进[J].中州煤

炭，2014(8) :59-61.

Yang Jidong. Determination of drilling holes along seam's depth and improvement of hole sealing technics [ J ]. Zhongzhou Coal， 2014(8) ：59-61.[10] 周福宝，孙玉宁，李海监.煤层瓦斯抽采钻孔密封理论模型与

工程技术研究[J] •中国矿业大学学报，2016，45 (3) :433439. Zhou Fubao,Sun Yuning, Li Haijian. Research on the theoretical model and engineering technology of the coal seam gas drainage hole sealing[ J]. Journal of China University of Mining & Technol­ogy ,2016 ,45 (3) ：433439.[11] 魏风清，连少朋，张川.孟津煤矿顺层抽采钻孔合理封孔深度

[J] •河南理工大学学报（自然科学版），2013,32(6) :686-690. Wei Fengqing, Lian Shaopeng, Zhang Chuan. Study on reasonable hole-sealing-depth down the seam of Mengjin mine[ J]. Journal of Henan Polytechnic University ( Natural Science ) , 2013,32 ( 6 )： 686-690.[12] 张超，林柏泉，周延.本煤层近水平瓦斯抽采钻孔强弱强带压

封孔技术研究[】].2013,30(6):935-939.

Zhang Chao,Lin Baiquan,Zhou Yan. Strong-weak-strong borehole pressurized sealing technology for horizontal gas drainage borehole in coal seam[ J]. Journal of Mining & Safety Engineering ,2013 ,30 (6) ：935-939.[13] 李国法，郑化安，付东升.煤矿瓦斯抽采钻孔封孔聚氨酯材料

(上接第91页）

Li Guofa, Zheng Huaan, Fu Dongsheng. Research progress of poly­

urethane for coal mining bore-hole sealing engineer[ J]. Clean Coal Technology,2014,20(2) ：94-98,103.[14] 翟成，向贤伟，余旭.瓦斯抽采钻孔柔性膏体封孔材料封孔性

能研究[J].中国矿业大学学报，2013，42(6) :982-988.

Zhai Cheng, Xiang Xianwei,Yu Xu. Sealing performance of flexible gas sealing material of gas drainage borehole [J]. Journal of China University of Mining & Technology ,2013 ,42(6) ：982-988.[15] 武炜，王兆丰•钻孔封孔注浆压力及封孔深度数值模拟研究

[】].煤炭科学技术，2015,43(11):68-72.

Wu Wei,Wang Zhaofeng. Numerical simulation study on grouting pressure and borehole sealing depth of borehole sealing [ J ]. Coal Science and Technology ,2015 ,43 (11) ：68-72.[16] 周福宝，李金海，昃玺.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研

究[J].中国矿业大学学报，2〇〇9,38(6) :764-768.

Zhou Fubao, Li Jinhai, Ze Xi. Study of the second hole sealing method to improve gas drainage in coal seams [J]. Journal of China University of Mining & Technology ,2009 ,38 (6) ：764-768.[17] 李孜军，陈艳丽，朱壮观.顺煤层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺

[J] •煤田地质与勘探，2015,43(3):115-117.

Li Zijun, Chen Yanli, Zhu Zhuangguan. Hole sealing method of bedding gas drainage borehole [ J ]. Coal Geology & Exploration, 2015,43(3) ：115-117.

[IS]吴水平.囊袋式注浆封孔法在煤矿瓦斯抽采封孔中的应用

[J]•中国煤炭，2〇1〇,36(6) :98-103.

Wu Shuiping. Application of bag type grouting for hole sealing in sealing of coal mine gas extraction holes[ J]. China Coal ,2010,36 (6) ：98-103.[19 ]黄鑫业，蒋承林•本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究[JL

煤炭科学技术，2011，39(10):4548.

Huang Xinye,Jiang Chenglin. Study on borehole pressurized seal­ing technology for gas drainage borehole in mining seam[ J]. Coal Science and Technology,2011,39( 10) ：45-48.

[20]潘峰.囊袋式注浆和聚氨酯2种封孔方式的抽放效果对比分

析[J] •煤矿安全，2012,43(9) :178-179.

Pan Feng. Contrastive analysis of drainage effects of two kinds of hole sealing ways between capsule bag grouting and polyurethane [J], Safety in Coal Mines,2012,43(9) ：178-179.[29] 胡运兵，吴燕清，宋劲.薄层状介质中反射地震超前探测的特 性分析[J] •河南理工大学学报（自然科学版），2006,25(6): 469473.

Hu Yunbing,Wu Yanqing,Song Jin. Characteristic analysis of re­flected earthquake advance detection in thin layer media[ J]. Jour­nal of Henan Polytechnic University ( Natural Science) ,2006,25 (6) ：469473.

[30] 贾靖.煤矿槽波地震反射法偏移成像技术在霍宝干河矿的应

用研究[J]•中国煤炭，2016,42(11):34-38.

Jia Jing. Study on application of deviation imaging technology of coal mine slot wave seismic reflection method in Huobao dry river [J], China Coal,2016,42(11) ：34-38.

[27]卢韶帅，李杰.“岩一煤一岩”结构中SH型槽波特性研究[J].

中州煤炭,2016(12) :163-167.

Lu Shaoshuai,Li Jie. Study on the characteristics of SH-type groove in \" rock-coal-rock\" structure [ J]. Zhongzhou Coal, 2016 (12 )： 163-167.[28 ]崔焕玉，朱建民.槽波地震技术探测煤矿地质构造[J].煤炭与

化工，2013，36(5) :79-81.

Cui Huanyu, Zhu Jianmin. Detection of geological structure in coal mine by slot wave seismic technology [ J]. Coal and Chemical In­dustry ,2013 ,36 (5) ：79-81.

• 95 •