不同封孔工艺参数下抽采钻孔评价试验研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.039不同封孔工艺参数下抽采钻孔评价试验研究（1.山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿抽采部，山西 长治 046000；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013）摘要 为了分析封孔材料和封孔方式对钻孔瓦斯抽采效果的影响，以古城煤矿S1306胶带运输巷作为本次抽采钻孔封孔方式应用效果对比试验的施工地点，通过对6种不同封孔方式和封孔材料进行不同搭配组合，对平均单孔封孔材料、单孔浓度和汇流组抽采量等关键参数进行对比分析。研究结果表明，封孔方式和封孔材料是影响瓦斯抽采效果的关键因素，如果要实现钻孔的高效瓦斯抽采，必定要针对不同煤层条件选择不同的封孔工艺和材料，实现抽采钻孔精细化密封。关键词 瓦斯抽采；封孔方式；封孔材料；关键参数中图分类号 TD712文献标识码 B文章编号 1672蛳9943（2023）05蛳0123蛳030引言煤层瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理、预防煤矿安全事故和减少环境污染的重要途径和手段。目前，我国大部分矿井存在瓦斯抽采钻孔封孔不严密的问题，导致抽采率低和瓦斯抽采浓度不达标，而封孔方式和封孔材料直接影响到瓦斯抽采效果。为提升钻孔封孔质量，工程技术人员围绕封孔方式咱员原猿暂、封孔位置咱源原缘暂和封孔材料咱远原苑暂进行了系统的研究，研究成果在指导煤层瓦斯抽采技术和应用方面发挥了重要作用。本文以潞安古城煤矿 S1306 胶带运输巷作为本次抽采钻孔封孔方式应用效果对比试验的应用点，以期实现抽采钻孔精细化密封和钻孔的高效瓦斯抽采。1试验地点情况S1306 胶带运输巷位于古城煤矿南一盘区东北侧，工作面西侧为南翼开拓大巷，东侧和南侧为实体煤，北侧为中华断层及其伴生的地质构造区域。其支护方式采用分台阶法，帮下部留煤作为打顶锚杆的平台，打设顶板锚杆、锚索和巷帮顶角锚杆，标定顶、帮锚杆位置；打顶锚杆先打设中部顶锚杆联好顶网，再依次向两帮打设，帮顶锚杆可平行作业。帮部支护可滞后顶部支护 5 排。该区域 3#煤层属稳定性煤层，位于山西组下部，暗淡光泽，含镜条煤条带，半亮型，结构均一；煤层厚 3.359.75 m，含 0.2 m 厚泥岩夹矸；煤层倾角 1毅10毅。巷道附近的地勘钻孔瓦斯含量为 9.611.21 m3/t，绝对瓦斯涌出量为 5 m3/min；坚固性系数为 0.41，煤体相对破碎，以类煤和类煤为主。2实施方案2.1钻孔布置情况按照 煤矿安全规程 规定，结合古城煤矿实际情况，选取 S1306 胶带运输巷作为试验区域。本次研究中，采用 6 种不同类型的抽采钻孔封孔方式和材料进行了试验。具体钻孔信息如表 1 所示。每种类型的抽采钻孔封孔方式和材料分别施工 2 组钻孔，共施工 12 组钻孔，合计 80 个钻孔，间距按 2 m计算，煤孔累积进尺 7 943 m。分组钻孔总数/个平均材料用量/（kg/孔）封孔方式12 组1278.91一体式囊袋封孔，封孔长度为 8 m太原青科河南萱泽河南萱泽34 组1496.43两堵一注封孔，封孔长度为 15.5 m太原青科苏州晋祥发苏州晋祥发56 组1475.00一体式囊袋封孔，封孔长度为 8.5 m太原青科山西晋祥发潞安晋安78 组1463.21两堵一注封孔，封孔长度为 8 m太原青科河南中矿景安河南中矿景安910 组1475.89一体式囊袋封孔，封孔长度为 8 m太原青科山西晋祥发潞安晋安1112 组1253.75一体式囊袋封孔，封孔长度为 8 m太原青科江苏坤发潞安晋安封孔材料厂家PVC 管封孔器封孔水泥表 1钻孔信息安全生产与检测评价能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51232023 年 10 月Oct.,2023项目汇流组抽采纯量/（m3/min）1 组2 组3 组4 组5 组6 组7 组8 组9 组10 组11 组12 组抽采 14 d0.4500.2600.2500.3800.2300.2000.1100.3300.1800.1900.1500.140抽采 21 d0.4100.3400.3000.1700.0900.1300.2200.2300.0600.3200.0400.100抽采 28 d0.3900.2700.2600.1800.1800.1200.2400.2400.2100.3400.070.08最小值0.3900.2600.2500.1700.0900.1200.1100.2300.0600.1900.0400.080最大值0.4500.3400.3000.3800.2300.2000.2400.3300.2100.3400.1500.1400.4170.2900.2700.2430.1670.1500.1900.2670.1500.2830.0870.107平均值李磊，等不同封孔工艺参数下抽采钻孔评价试验研究测试钻孔布置如图 1 所示。抽采钻孔的施工参数均与古城煤矿日常施工的平行孔完全相同，即设计钻孔长度为 190 m、孔径为 94 mm、钻孔方位角垂直巷道煤壁、倾角随煤层倾角变化。图 1测试钻孔布置2.2抽采钻孔并网连接方法及计量办法钻孔的封孔与并网整体上采用打一孔封一孔并一孔的方式进行。施工好的抽采钻孔需要及时连入抽采支管中。抽采孔口管路部分包括从支管下来，至钻孔口的连接管路及其附属设备，再由汇流管接到放水器和孔板流量计，之后连到支管上。同时，在试验段的抽采支管上安装流量计量装置，用于测试试验段的整体瓦斯抽采数据。2.3数据监测本次测试主要采用 U 型压差计、膜盒真空压力表、光干涉式甲烷测定器等仪器对抽采钻孔的负压、浓度及流量进行监测。仪器具体情况如表 2 所示。在试验过程中，共需对 12 组抽采钻孔的抽采流量和抽采浓度数据进行观测。对于同一组钻孔，当组中第 1 个钻孔施工完毕封孔并网抽采后，就开始进行观测。每次观测都包括单孔参数测试和汇流管参数测试，通过钻孔封孔管上的气嘴对单孔浓度和单孔负压进行观测；通过汇流管上的孔板流量计对汇流管的孔组抽采混流、孔组抽采浓度和孔组负压进行监测。每组钻孔施工完毕 1 周之内，每天观测1 次抽采数据；施工完毕 1 周之后每 15 d 观测 1 次抽采数据。根据汇流管抽采混量和浓度计算出每组钻孔的整体抽采纯量，并将汇流管的整体抽采纯量除以钻孔数量，得到每组钻孔的单孔平均抽采纯量。利用不同封孔方式钻孔的抽采数据对其应用效果进行分析。表 2测试仪器参数3试验结果与分析3.1平均单孔封孔材料用量根据表 1 可以看出，12 组试验钻孔平均单孔封孔材料用量为 78.91 kg/孔；34 组钻孔平均单孔封孔材料用量为 96.43 kg/孔；56 组试验钻孔平均单孔封孔材料用量为 75.00 kg/孔；78 组试验钻孔平均单孔封孔材料用量为 63.21 kg/孔；910 组试验钻孔平均单孔封孔材料用量为 75.89 kg/孔；1112组试验钻孔平均单孔封孔材料用量为 53.75 kg/孔。其中，1112 组试验钻孔由于 PVC 封孔管破裂进行了换管二次封孔。换管后钻孔中残留了较多水泥块和旧 PVC 管材料，导致孔内空间缩小，所以二次封孔中所用水泥相对较少，因此不对 1112 组试验钻孔的水泥用量进行比较。根据上述数据，各试验钻孔按平均单孔封孔材料用量从少到多排列顺序为：78 组56 组910 组12 组34 组。3.2汇流组抽采量考虑到抽采流量在抽采初期波动较大，本次分别对抽采时间 28 d 内的汇流组抽采量进行分析，如表 3 所示。根据表 3 数据，按汇流组抽采量平均值从大到小的顺序对各组钻孔进行排序：1 组2组10 组3 组8 组4 组7 组5 组6 组和 9 组12 组11 组。根据上述排序，初步判断各组封孔方式的抽采效果具有如下排序：12 组34 组78 组910 组56 组1112 组。仪器名称型号量程精度U 型压差计3 000 Pa-3 000+3 000 Pa10 Pa膜盒真空压力表YE60/060 kPa0-60 kPa1 MPa光干涉式甲烷测定器CJG1000100%0.2%光干涉式甲烷测定器CJG10010%0.02%表 3汇流组抽采量统计3.3万米钻孔抽采量在抽采时间 28 d 内，对各组试验钻孔的万米钻孔抽采纯量数据进行分析，如表 4 所示。根据表 4中数据，按万米钻孔抽采纯量平均值从大到小的顺第 1 组钻孔第 12 组钻孔2 mS1306 胶带运输巷2 m1242023 年 10 月Oct.,2023序对各组钻孔进行排序：2 组1 组8 组10组3 组4 组12 组11 组7 组6 组5组9 组。综合上述排序，可以初步判断各组封孔方式的抽采效果具有如下排序：12 组34 组78 组910 组1112 组56 组。项目万米钻孔抽采纯量/（m3/min）1 组2 组3 组4 组5 组6 组7 组8 组9 组10 组11 组12 组抽采 14 d4.7305.9403.7305.5203.0103.0101.7405.2502.5502.7505.2174.000抽采 21 d4.3107.7604.4702.4701.1801.9603.4803.6600.8504.6401.3912.857抽采 28 d4.1006.1603.8702.6102.3601.8103.7903.8202.9704.9302.4352.286最小值4.1005.9403.7302.4701.1801.8101.7403.6600.8502.7501.3912.286最大值4.7307.7604.4705.5203.0103.0103.7905.2502.9704.9305.2174.0004.3806.6204.0233.5332.1832.2603.0034.2432.1234.1073.0143.048平均值表 4万米钻孔抽采纯量统计3.4单孔浓度在抽采时间 14、21、28 d 内，对各组试验钻孔的单孔抽采浓度数据进行分析，结果如表 5 所示。综合抽采结果，可以初步判断各组封孔方式的抽采效果具有如下排序：12 组910 组78 组34组56 组1112 组。表 5平均单孔抽采浓度统计综合比较上述各组试验钻孔的平均单孔封孔材料用量、汇流组抽采量、万米钻孔抽采量、单孔浓度等参数的排序，可以得出各组抽采效果由高到低的顺序排列如下：12 组34 组78 组910组56 组1112 组。本次试验中 1112 组试验钻孔出现了 PVC 封孔管破裂，并进行了换管 2 次封孔，换管后钻孔中残留了较多水泥块和旧 PVC 管材料，导致整体抽采效果较差。同时，由于受时间限制，本次试验中每组钻孔数量不足 20 个，与矿井日常钻孔数量相比，测试样本数量相对较少，在测试中难免受到各类因素影响，并不能完全反映出各类封孔方式和封孔材料的真实特性。如果要实现钻孔的高效瓦斯抽采，必须要针对不同煤层条件选择不同的封孔工艺和材料，实现抽采钻孔精细化密封。4结论（1）从汇流组抽采量、万米钻孔抽采量、单孔浓度、平均单孔封孔材料用量等关键参数出发，可将各组封孔工艺按照抽采效果由高到低的顺序排列如 下：12 组 34 组 78 组 910 组 56组1112 组。（2）本次试验中，将试验钻孔集中布置在 S1306胶带运输顺槽，尽量提供了相同的煤层瓦斯压力、透气性系数、煤层吸附性能等客观条件，避免抽采孔径、抽采负压、抽采时间等因素对抽采效果的影响。但是由于每组钻孔数量较少，在测试中难免受到各类因素影响，并不能完全反映出各类封孔方式和封孔材料的真实特性。如果要实现钻孔的高效瓦斯抽采，必须要针对不同煤层条件选择不同的封孔工艺和材料，实现抽采钻孔精细化密封。参考文献1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）：31-34.2李辉，郭绍帅，肖云涛，等.几种常用封孔方式的工艺特点 J.煤矿机械，2015，36（11）：152-154.3崔景昆.一种有效的封孔方法 J.河北建筑科技学院学报，2003（2）：69-71.4邢纪伟，邬剑明，王俊峰.煤矿顺层钻孔封孔位置选择的数值模拟研究 J.煤炭技术，2015，34（11）：166-168.5张长山，刘晓刚，程志恒，等.底抽巷穿层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究 J.煤炭科学技术，2016（增刊 2）：117-120.6孙文德，李子全，周军，等.瓦斯抽采中新型封孔材料及工艺的应用研究 J.煤炭科学技术，2012，40（4）：60-63.7杨绍斌，王阳，董伟，等.一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料及其制备方法：CN103724581B P.2016-03-16.作者简介李磊（1985-），男，助理工程师，毕业于华北科技学院采矿工程专业，长期从事矿井瓦斯治理与抽采技术工作。收稿日期：2023-02-07汇流组平均单孔抽采浓度/%抽采 14 d抽采 21 d抽采 28 d1 组68.9573.9074.832 组63.6576.5059.953 组50.5451.8630.864 组58.4352.0065.205 组56.7440.6961.376 组42.5761.7441.867 组42.2045.6357.468 组57.6059.7481.749 组65.0964.6664.6910 组66.9757.2952.3711 组34.6422.9630.3212 组39.5433.6938.09能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5125