开元煤矿顺层钻孔高水膨胀材料封孔试验研究.pdf

总第2 11期2023年第8 期试（实）验研究开元煤矿顺层钻孔高水膨胀材料封孔试验研究史晋平（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西晋中0 30 6 0 0）摘要：针对我国瓦斯抽采钻孔封孔质量差、漏气严重问题，提出了高水膨胀材料封孔方法。对高水膨胀浆液固结体进行了单轴抗压实验，结果表明：随着水灰比的减小，高水膨胀浆液固结体的强度和弹性模量增大，在进行封孔浆液配置时可参考8:1的水灰比。在开元煤矿39 0 8 回风巷进行了水泥砂浆、高水膨胀材料及聚氨酯封孔效果对比试验，试验结果表明，高水膨胀材料封孔技术所封钻孔的初始自然瓦斯涌出量平均值为对比钻孔的48.7 倍，衰减系数为对比钻孔的2 0%，闭气压力为对比钻孔的10 0 余倍，瓦斯浓度为对比钻孔的1.5 3倍。高水膨胀材料封孔具有的瓦斯流量大、衰减慢、浓度高的优势，提高了顺层钻孔的密闭性，保证了超前卸压区钻孔的抽采负压，取得了较好的瓦斯抽采效果。关键词：开元煤矿；顺层钻孔；高水膨胀材料；瓦斯抽采中图分类号：TD-720引言随着我国煤层开采深度的增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力不断增大,严重威胁着我国高瓦斯矿井的安全生产。煤层瓦斯是煤矿安全面临的致灾因子，但也是一种清洁高效的绿色能源。然而，我国煤矿约有60%的回采工作面预抽瓦斯浓度（体积分数，下同低于30%11,严重限制了煤层瓦斯的开发与利用2-5。预抽钻孔的封孔质量是保证瓦斯抽采浓度的关键，若封孔材料选择不合理，将会导致新鲜空气漏人，孔口负压下降，管路瓦斯浓度降低,将严重削弱本煤层瓦斯的预抽效果。目前,国内外传统的封孔方法主要有水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔和封孔器封孔等。然而,水泥砂浆固结后具有干缩性，且普通水泥难以封堵细小裂隙，难以抵抗巷道持续变形，导致封孔质量下降；聚氨酯材料遇水易发生软化现象，流动性差，难以有效封堵钻孔周围裂隙；封孔器封孔成本高，操作程序复杂，钻孔封孔效果难以保证。由此可见，传统的封孔材料由于材料特性不理想、浆液流动性差、封孔成本高等原因，都不能很好地满足煤矿瓦斯抽采的要求。为此,提出了高水膨胀材料封孔方法，并在开元煤矿进行了不同封孔材料的现场对比试验，高水膨胀材料取得了非常理想的应用效果，为提高封孔质量、提高瓦斯抽采浓度提供了新的技术手段。1高水膨胀封孔材料力学特性将高水材料与一定体积的水混合生成高水浆液，其水化产物主要是钙矾石，分子式为Ca.Al2（O H)12 24H2O1（SO 4)2H2O。钙矾石溶于水后具有很强的结晶能力,结晶后形成针状并交织成网状结构6 。高水收稿日期：2 0 2 3-0 4-12作者简介：史晋平（19 8 4一），男，山西阳泉人，毕业于中国矿业大学应用技术学院，通风工程师，现任阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司总工程师，从事煤矿瓦斯防治工作。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A膨胀材料是在高水材料的基础上添加料混合制成，C料作为辅助原料添加到高水材料中。C料的添加使高水材料浆液在固化的过程中具有膨胀的特性,增强了对瓦斯抽采钻孔周围煤岩裂隙的封堵性能。将高水膨胀材料与水以不同质量比（7：1、8：1、9：1）混合成浆液，制作成不同水灰比的固结试样，在20恒温条件下养护1周，并在MTS试验机上进行压缩实验，如图1所示。1-1实验前1-3实验后图1高水膨胀浆液固结体单轴抗压实验图2 为高水膨胀浆液固结体在加载过程中的应力应变曲线。图中曲线1、2、3分别是水灰质量比为9：1、8：1、7：1的高水膨胀浆液固结体试样。从图2 可知，曲线1、2、3在峰前的斜率依次由小到大，说明随着水灰比的减小，高水膨胀浆液固结体试件的弹性模量增大,抵抗变形的能力增大。另外，曲线Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.026文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 6 3-0 41-2实验中山西冶金64E-mail:第46 卷1、2、3的峰值依次增大，说明随着水灰比的减小,高水膨胀浆液固结体试件的强度增大，三条曲线的最大强度分别为2.15MPa、3.42 M P、4.2 6 M P。当高水膨胀浆液的水灰质量比小于8：1时，固结体的弹性模量和单轴抗压强度比较大。因此，在进行封孔浆液配置时,可参考8：1的水灰质量比。5.0-9:14.0-8:1.7:13.02.01.00.00.000图2 高水膨胀浆液固结体的应力应变曲线2高水膨胀材料封孔现场试验2.1试验工作面概况为了对比不同封孔材料的封孔效果，在开元煤矿3908工作面回风巷进行了水泥砂浆、高水膨胀材料及聚氨酯封孔效果的对比试验。39 0 8 工作面所采煤层为3号煤，煤层厚度一般在2.0 2 2.43m之间，平均为2.34m，属简单结构。工作面标高为7 0 2 7 49 m，地面标高为110 9 117 2 m；走向长约146 9 m，倾斜长为2 2 0 m，面积为32 318 0 m。煤层倾角为16，平均为4，39 0 8 工作面布置情况如图3所示。瓦斯含量为6.0 6.9 m/t，瓦斯压力为0.47 0.56 MPa左右。3908瓦斯抽采巷3908回风巷3908切巷3908工作面图3开元煤矿39 0 8 工作面布置图3908工作面在掘进中主要受3号煤层顶板砂岩及K8砂岩裂隙含水层水的影响，含水层属弱含水层，含水呈不均一性。掘进期间当局部顶板破碎区通过构造裂隙沟通含水层水时，会出现淋头水现象，预计正常涌水量为1 1.5m/h，最大涌水量为3m/h左右。3908工作面本煤层抽放钻孔沿工作面进、回风顺槽布置，所有钻孔均平行于切巷、垂直于工作面顺槽、沿煤层倾角布置。所有钻孔从停采线开始每隔1.5m布置一个钻孔，直至工作面切巷。本煤层钻孔水平长度均为12 0 m，孔径为12 0 mm，深人工作面长度12 0 m。本煤层抽采钻孔沿工作面进、回风顺槽布置，所有钻孔均平行于切巷、垂直于工作面顺槽、沿煤层倾角布置。39 0 8 工作面所有钻孔从停采线开始每隔1.5m布置一个,直至工作面切巷。本煤层钻孔水平长度均为12 0 m,孔径为120mm，深人工作面长度为120m。2.2试验方案2.2.1圭封孔工艺在开元煤矿39 0 8 回风巷进行了水泥砂浆、高水膨胀材料及聚氨酯封孔效果对比试验,对3种封孔工艺条件下的瓦斯抽采量和瓦斯抽采浓度进行了观测。3种封孔技术方案如图4所示。封孔前0.12m0.0040.0060.002应变3908进风巷3909进风巷测压管0.008注浆口里段囊袋爆破阀中段囊袋外段囊袋封口后0.12m4-1水泥砂浆和高水膨胀材料封孔封孔前0.12m封孔后.0.12m水泥砂浆和高水材料封孔技术采用专用的封孔器囊袋，封孔器上有3个囊袋，如图5所示，在实际操作过程中，封孔材料注人里段和中段囊袋之间的8 m范围,中段囊袋和外段囊袋之间的8 m距离未注人封孔材料，外段囊袋充满后仅起到支撑作用；聚氨酯封九采区西回风巷孔技术采用棉纱缠绕封孔内管，然后将聚氨酯涂抹至设计停采线棉纱上，将封孔管深人抽采孔进行封孔，仅将孔口5m范围内进行了密封。图5本煤层顺层钻孔封孔器2.2.2试验地点水泥砂浆和高水材料封孔效果对比试验在开元煤矿39 0 8 回风巷进行，在距离切眼319 m布置观测站。在观测站内选择6 个钻孔,其中左1孔、左2 孔采用水泥砂浆封孔，测1孔、测2 孔采用高水膨胀材料,右1孔、右2 孔采用聚氨酯,观测站钻孔布置情况如图6所示。上述6 个钻孔长度均为12 0 m，钻孔间距2 m。测压管注浆口8m12m4-2聚氨酯封孔图4封孔技术方案抽采管棉纱+聚氨酯抽采管5.ml2023年第8 期史晋平：开元煤矿顺层钻孔高水膨胀材料封孔试验研究650.0200.016(P/)/鲁2319折区地高水照然材料风州售路图6观测站钻孔布置情况2.3试验结果观测站内6 个观测孔施工完毕后即开始封孔，对钻孔自然瓦斯涌出量、浓度及密封性进行了现场实测。2.3.1钻孔自然瓦斯涌出量对比由图7 可知，测1孔和测2 孔初始自然瓦斯涌出量分别为0.5451m/d、0.46 7 4m/d 左1孔、右1孔和右2 孔初始自然瓦斯涌出量分别为0.0 134m/d、0.0103m/d和0.0 0 7 5m/d，测1孔和测2 孔初始自然瓦斯涌出量平均值为左1孔、右1孔和右2 孔的48.7倍。测1孔和测2 孔瓦斯流量衰减系数分别为0.029、0.10 5,左1孔、右1孔和右2 孔瓦斯流量衰减系数分别为0.2 12、0.46 4和0.352，测1孔和测2 孔衰减系数平均值为左1孔、右1孔和右2 孔的2 0%。由上述观测数据的分析结果可知,与水泥砂浆和聚氨酯材料相比，高水膨胀材料封孔的初始瓦斯流量大、衰减速度慢。2.3.2钻孔密封性对比为了考察试验点顺层钻孔的气密性，将单孔抽采管路上的阀门关闭,并通过管路上的测嘴对密闭后的钻孔正压进行观测，观测结果如8 所示。通过图8 可以看出，测1、测2 孔的正压要明显高于左1、左2、右1和右2 孔。测1、测2 孔正压0.56(P/)/鲁420.520.480.440.4010.60.60.50.30.210.0120.0080.0040.00010.0100.008(P/)/鲁f210.0060.0040.0020.00010.0100.008(P/)/鲁0.0060.0040.0020.0001图7顺层钻孔自然瓦斯涌出衰减曲线180.0测1孔测2 孔左1孔左2 孔右1孔右2 孔150.0120.090.060.030.00.06月11日6月13日6月15日日期图：顺层钻孔气密性对比图平均值为139.5mmHg和116 mmHg，而左1、左2、右y=0.5451e-00.029x23时间/测1孔7-1y-0.467 4e-l05x口23时间/d7-2测2 孔y=0.013.4e-021223时间/d7-3左1孔y=0.0103e0.6423时间/d7-4右1孔y-0.0075e0.2x口23时间/d7-5右2 孔1和右2 孔正压平均值为31mmHg、6 2.3mmH g、2.3mmHg和1.0 mmHg,高水膨胀材料所封钻孔的正45454446压是聚氨酯封钻孔的10 0 多倍。由此可见,高水膨胀材料能够更好地封堵抽采管和孔壁之间的空隙，高水膨胀浆液在终凝后具有一定的膨胀性，克服了水泥砂浆凝固后的干缩缺陷，更好地封堵了钻孔周围的空隙。2.3.3钻孔瓦斯抽采效果对比观测站内6 个抽采钻孔接入抽采主管路进行瓦斯抽采，分别在6 个钻孔上安装孔板流量计，对单孔6抽采负压、流量及瓦斯浓度进行了观测，观测结果如图9 所示。5556月17 日666山西冶金E-mail:66第46 卷0.0100.0080.0060.0040.0020.0006月17 日 6月2 1日6月2 5日6月2 9 日7月3日日期9-1瓦斯抽采纯量变化规律1009080%7060504030201006月17 日6月2 1日6月2 5日 6月2 9 日7月3日日期9-2瓦斯浓度变化规律图9 顺层钻孔瓦斯抽采效果对比图由图9-1可知，测1和测2 孔瓦斯抽采纯量明显高于左1、左2、右1、右2 孔，但是测1和测2 孔的瓦斯抽采量衰减速度高于左1、左2 和右2 孔。这说明较大的抽采负压能够迅速将钻孔附近的瓦斯抽走，但是由于开元煤矿3号煤层渗透率极低，瓦斯渗流速度慢,远离钻孔区域的瓦斯不能迅速补给，造成瓦斯抽采量迅速衰减。从图9-2 可以看出，测1和测2 孔的瓦斯浓度较高，平均瓦斯浓度在9 0%以上,而左1、左2 孔瓦斯平均浓度在6 0%左右，右1、右2 孔瓦斯平均浓度在30%左右，由此可见，高水膨胀材料封孔效果优于水泥砂浆和聚氨酯封孔效果。Experimental Study on Sealing of High Water Swelling Materials in Bedding Drilling of(Shouyang Kaiyuan Mining Co.,Ltd.,Yangquan Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 030600,Abstract:In response to the problems of poor sealing quality and serious gas leakage in gas extraction drilling holes in China,a high waterexpansion material sealing method has been proposed.Uniaxial compression test was carried out on the consolidated body of high waterexpansion grout.The results show that the strength and elastic modulus of the consolidated body of high water expansion grout increase withthe decrease of water cement ratio.When the sealing grout is configured,the water cement ratio of 8:1 can be referred to.The comparativetest of sealing effect of cement mortar,high water expansion material and polyurethane was carried out in 3908 return air lane of KaiyuanCoal Mine.The test results show that the average value of initial natural gas emission of the holes sealed by the high water expansion materialsealing technology is 48.7 times of the comparison holes,the attenuation coefficient is 20%of the comparison holes,the gas closing pressureis more than 100 times of the comparison holes,and the gas concentration is 1.53 times of the comparison holes.The sealing of high waterexpansion materials has the advantages of high gas flow rate,slow attenuation,and high concentration,which improves the sealing of thedrilling along the layer,ensures the negative pressure of the drilling in the advance pressure relief zone,and achieves good gas extractionresults.Key words:Kaiyuan Coal Mine;drilling along layers;high water expansion material;gas extraction3结论1)采用不同水灰比的高水膨胀浆液固结体进行了单轴抗压实验,结果表明，随着水灰比的减小,高水膨胀浆液固结体的强度和弹性模量增大，,抵抗变形的一测1孔测2 孔左1孔一左2 孔右1孔右孔测1孔一测2 孔左孔一左2 式能力也增大，在进行封孔浆液配置时可参考8：1的水灰质量比。2)在开元煤矿39 0 8 回风巷进行了水泥砂浆、高水膨胀材料及聚氨酯封孔效果对比试验,试验结果表明,高水膨胀材料封孔技术所封钻孔的初始自然瓦斯涌出量平均值为对比钻孔的48.7 倍，衰减系数为对比钻孔的2 0%，闭气压力为对比钻孔的10 0 余倍，瓦斯浓度为对比钻孔的1.5 3倍。综上所述，高水膨胀材料封孔具有的瓦斯流量大、衰减慢、浓度高的优势，提高了顺层钻孔的密闭性，保证了超前卸压区钻孔的抽采负压，取得了较好的瓦斯抽采效果。参考文献1王兆丰,刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨J.煤矿安全,2 0 0 5,36(3)：2 9-32.2 Bibler C J,Marshall J S,Pilcher R C.Status of worldwide coal minemethane emissions and useJ.International Journal of Coal Geology,1998,35(4):283-310.3彭成.我国煤矿瓦斯抽采与利用的现状及问题J.中国煤炭，2007,33(2):60-62.4Palchik V.Use of Gaussian distribution for estimation ofgob gasdrainage well productivityJJ.Mathematical Geology,2002,34(6):743-765.5 乔卫国，张玉侠，宋晓辉，等.水泥浆液在岩体裂隙中的流动沉积机理J.岩土力学,2 0 0 4,2 5(s1)：14-16.6Zhou F B,Jin-Hai L I,Xi Z E,et al.A Study of the Second HoleSealing Method to Improve Gas Drainage in Coal SeamsJJ.Journalof China University of Mining&Technology,2009,38(6):764-768.(编辑：杨光辉）Kaiyuan Coal MineShi JinpingChina)