白龙山煤矿两堵一注、带压封技术应用研究

1、“两块一注”带压封孔技术在白龙山煤矿的应用我国大多数煤与瓦斯突出矿井采用钻孔预抽煤层瓦斯的区域性综合防突措施。然而，目前我国瓦斯抽采钻孔预抽瓦斯体积分数低，瓦斯抽采钻孔密封效果不好，抽采浓度低，抽采瓦斯量小，导致大多数矿井瓦斯抽采量达不到标准。煤层瓦斯抽采效果的影响因素包括煤层赋存特征如原始瓦斯含量、原始瓦斯压力、地质构造、煤层渗透系数、衰减系数和煤的坚固性系数，以及抽采钻孔和封孔工艺等施工参数。煤层瓦斯抽采过程包括钻孔设计、施工、封孔和复种后连续抽采，其中封孔质量直接影响煤层瓦斯抽采效果。通过改进封孔工艺，选择合理的封孔工艺和材料，可以提高封孔质量，从而提高煤层瓦斯抽放效果。目前，国内外排水

2、孔封孔技术主要有机械水泥砂浆封孔、泡沫高分子材料封孔、封孔剂封孔等。但是，这些封孔技术受钻井方法、封孔成本和封孔效果的影响，不能满足白龙山煤矿第一井场的要求。针对白龙山煤矿1号井独特的地质构造、煤层瓦斯赋存、煤层结构和构造特征，在总结分析现有聚合物泡沫材料和水泥砂浆封堵技术的基础上，提出了“两塞一注”压力封堵新技术，并在云南白龙山煤矿1号井进行了现场试验。1 .带压封孔的“两塞一注”原则带压“两塞一注”封孔技术的原理是：在距孔口一定距离的排水管(实管)两端设置袋A和袋B，通过注浆管向两个袋中注入速凝膨胀封孔注浆液，使袋膨胀后封孔段两端形成压力。当注浆压力达到一定值时，中心爆破阀打开，注浆液开始

3、充满两袋之间封孔段的空间。当排气管返回灌浆液时，解释钻孔。本发明用于带压封孔的速凝膨胀灌浆液密封材料具有不析水、固化膨胀后微膨胀的特点。因此，灌浆液注入封孔段后，在灌浆液固化过程中，密封材料不会收缩并继续膨胀，填充封孔段周围存在的裂缝，提高密封质量，从而达到封孔钻孔的目的。1-袋a；2袋b；3-单向止回阀；4-灌浆管；5-中央爆破阀；6-塑料插头；7-排水管(筛管)；8-快速设置膨胀孔密封材料；9-排气管；10-排水管(实心管)图1带压“两塞一注”密封孔示意图2“两堵一注”带压封孔工艺采用压力密封技术的“两塞一注”封孔工艺如图所示2、具体封孔步骤如下：(1)进排水管和封孔装置首先，将抽取管(实

4、心管)和抽取管(网管)送至钻孔底部，在抽取管(实心管)的两端距钻孔孔一定距离处设置袋A和袋B。灌浆袋膨胀将速凝膨胀封孔材料与水以11的比例混合均匀后，启动气动注浆泵，通过注浆管将速凝膨胀封孔材料浆液注入两端的袋A和袋B中，使袋膨胀后封孔段两端的孔壁上形成压力，从而实现对钻孔封孔段两端进行密封的功能。孔内灌浆当注浆压力达到1.5兆帕时，表明孔壁周围的裂缝已经完全填满，满足封孔要求。此时，灌浆停止，封孔完成。(一)给水管和封孔装置灌浆袋的膨胀封孔段灌浆(d)用灌浆液填充井壁裂缝图2“两塞一注”压力密封封孔工艺示意图3地面试验和结果分析煤矿井下封孔对比试验前，在地面进行了带压封孔模拟试验：用直径为1

5、00毫米的铁管模拟井下排水钻孔，按“两塞一注”的过程加压注浆封孔12小时，然后沿剖面切割铁管，得到模拟钻孔剖面，如图3所示。图3带压力密封孔的“两塞一注”模拟钻井剖面图从图3可以看出，模拟钻孔中的密封段固化了瓦斯抽放管、注浆管和密封材料，12小时后密封材料完全固化，无收缩现象，瓦斯抽放管无压缩变形现象，说明密封材料能有效密封钻孔。4井下测试及应用效果分析4.1煤层赋存条件及钻孔布置白龙山一矿C2煤层首采工作面煤巷掘进过程中，沿C8-1煤层(C8-1煤层距C7-8煤层6 10m，距C9煤层6 12m)布置了底板瓦斯抽放巷，并在C2煤巷掘进运输顺槽和回风顺槽及其两侧15m范围内进行跨层钻孔预抽卸压

6、瓦斯带。底板跨层钻孔的排水半径设计为2.5m，沿煤层走向每隔5m设计施工一排钻孔，沿煤层呈扇形布置，每排设计7个钻孔。由于C8-1煤层底部回采巷道与C2煤层距离较长，平均距离为50 70m，依次穿过C7-8、C4和C3软突出煤层，煤层顶底板地质构造复杂，断层多，裂隙发育，对回采钻孔的封闭性提出了要求。地下封孔试验场选在首采区C7-8煤层底板的回岩巷道中，岩石赋存条件稳定，无构造影响，沿煤层方向每隔5m设计施工7排排水钻孔，钻孔数量为166 172排，每排设计7个钻孔。排水钻孔直径108毫米，设计平均钻孔长度50 70米，排水管直径50毫米C8-1煤层距C7-8煤层6 10m，C7-8煤层厚度达

7、3.1m，为消除C7-8煤层对C2煤层排水的影响，需将C7-8煤层段全部封闭在设计封孔段，因此设计排水管总长为22m，包括16m实心管、6m筛管和15m封闭段。带压力密封孔的“两塞一注”钻井布置如图4所示。排水孔采用“两块一注”加压封闭灌浆3小时，然后将排水管接入矿井排水系统进行瓦斯抽放，连续观察排水孔的排水参数。图4带密封孔的“两块一注”钻井布置示意图4.2封孔效果分析通过对“两块一注”技术封闭的C7 8煤层底板166172排回风巷7排排水孔的连续观测，选择了166排和169排排水孔进行具体研究。第166排抽放孔的瓦斯抽放浓度见表1，第169排抽放孔的瓦斯抽放浓度见表2。表1 166排钻孔单

8、孔瓦斯抽采浓度统计表单位：(%)抽出时间(d)钻孔编号1#2#3#4#5#6#7#072.481.084.555.076.838.072.03067.289.062.436.079.341.064.04071.480.050.253.072.840.073.05050.450.667.437.871.047.066.06065.363.458.862.4-41.074.07049.850.067.479.6-60.063.045.019089.081.672.272.683.075.076.4从表1和表2可以看出，带压封孔的第166和169排钻孔的单孔瓦斯抽采浓度比原带散体封孔的对比钻孔提高了

9、30%。在负压为32千帕的条件下，连续抽放190d后，166和169钻孔的单孔瓦斯抽放浓度保持在30%以上。通过对C7-8煤层底板166172排回风巷采用“两堵一注”压力封孔工艺封孔的7排排水钻孔的连续观测，在排水负压达到20千帕的情况下，各排钻孔平均排水浓度的变化规律如图5所示。从图5可以看出，原封孔工艺封闭的钻孔平均抽采浓度保持在20%30%，而“两塞一注”压力封孔工艺封闭的166 172排钻孔平均抽采浓度保持在50%80%，提高了23倍。同时，在连续排水190天的情况下，166-172排钻孔的排水浓度没有表现出明显的衰减，表明采用“两塞一注”技术后，钻孔的封孔效果明显提高，瓦斯抽放持续时

10、间大大增加。(一)166167排钻孔(b)168169排钻孔(c)170172排钻孔图5 166 172排钻孔平均排水浓度变化规律C7-8煤层底板回风巷抽放孔的瓦斯抽放浓度在连续抽放后下降相对较慢，并没有随着抽放时间的延长而逐渐下降，这与抽放孔的封闭质量大大提高有关。原聚氨酯封孔材料无法与井壁壁面很好的结合，封孔后会导致井壁围岩出现裂缝。同时，普通水泥浆凝固后会干燥开裂，导致收缩变形和裂缝。然而，“两塞一注”的压力密封过程可以使袋子对井壁施加压力。同时，速凝膨胀密封材料这种新型密封材料具有轻微的膨胀性，其固化后的收缩特性不明显，因此随着抽采时间的增加，很难形成再生裂缝，从而提高了钻孔的密封质量

11、，大大提高了抽采钻孔的瓦斯抽采浓度。4.3封孔技术的推广应用C7 8煤层底板井下回岩巷道进行了“两块一注”带压封孔试验后，在C7 8煤层底板回岩巷道、C7 8煤层底板橡胶运输巷道和辅助运输巷道得到了广泛推广和应用。目前，采用“两堵一注”技术封堵的排水钻孔已达960个。在排水负压为20千帕的条件下，连续排水90天，钻孔平均排水浓度达到50%以上。白龙山煤矿1号井C2煤层为3号无烟煤，煤质松软破碎，煤层渗透性低，吸附性极强，抽放钻孔单孔流量相对较低(1 1.3 L/min)，钻孔瓦斯衰减不明显，有利于煤层瓦斯的长期连续抽放。该矿将在此基础上进一步研究松软低渗透煤层瓦斯抽放的先进防渗透措施，进一步提高白龙山煤矿1号井的瓦斯抽放效果。5结论(1)带压“两塞一注”封孔工艺是在排水管两端设置袋，并注入速凝膨胀封孔材料，使袋膨胀