鉆封一體化初探

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1、科學(xué)技術(shù)報(bào)告抽采鉆孔封孔新技術(shù)鉆封一體化承擔(dān)單位：滎經(jīng)縣五家田煤業(yè)有限公司協(xié)作單位：重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)告撰寫：楊春魏云秦江濤完成時(shí)間：2012年2月28日13目錄1·引言12·施工地點(diǎn)概況13·順層鉆孔受力分析24·順層孔封孔試驗(yàn)研究34.1·試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)及施工44.2·封孔材料及工藝44.2.1·石膏水泥漿及封孔工藝44.2.2·黑白膠封孔及封孔工藝55·封孔效果考察75.1·單孔濃度對(duì)比75.2·鉆孔成孔率125.3·經(jīng)濟(jì)效益分析126·鉆封一體化137·結(jié)論13131·引言滎經(jīng)縣五家田煤業(yè)有限公司的五連炭煤層，透氣性系數(shù)為

2、0.99的高瓦斯煤層，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值一般在3左右。目前礦井采用順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯抽采。以前，滎經(jīng)縣五家田煤業(yè)有限公司抽采鉆孔采用石膏水泥漿封孔，封孔工藝繁鎖，需要材料和設(shè)備多，封孔耗時(shí)長(zhǎng)，封堵效果不理想，造成鉆孔瓦斯抽放濃度低，抽采量難以大幅提高。該問(wèn)題一方面造成工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)部署；另一方面，鉆、封時(shí)間間隔長(zhǎng)，松軟煤層中的鉆孔易塌孔，成孔率低，影響抽放效果；再一方面，由于封堵效果差，鉆孔抽放濃度低，抽采低濃度瓦斯難以利用，排空后造成資源浪費(fèi)、大氣污染。針對(duì)抽采鉆孔的封孔難題，滎經(jīng)縣五家田煤業(yè)有限公司積

3、極改進(jìn)瓦斯抽采鉆孔封孔工藝，試驗(yàn)新型封孔材料提高抽采鉆孔瓦斯預(yù)抽濃度和礦井瓦斯抽采率。2012年礦井開(kāi)始試驗(yàn)了新型黑白膠膠配套正安礦山專用封孔器的封孔材料和新工藝并對(duì)封孔效果進(jìn)行對(duì)比考察。采用新的封孔工藝后，封孔時(shí)間比原來(lái)節(jié)省了三分之二，鉆孔成孔率達(dá)100%，抽采鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扔?0%提高至90%。取得了良好的抽采效果。2·施工地點(diǎn)概況本次試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在1256對(duì)拉采煤工作面新掘兩條回風(fēng)巷道內(nèi)。1256對(duì)拉工作面屬五連煤煤層，煤層分為四個(gè)分層,屬?gòu)?fù)合煤層,下分層煤厚0.4～0.5m(順層瓦斯抽采鉆孔布置于該分層)，純煤層平均厚為0

4、.76m,煤層傾角1～5°,平均3°，煤層的硬度系數(shù)f=3～5。平均采高1.05m；五連煤以明鏡煤和半亮煤為主，半暗煤次之，鏡下觀察以凝膠物質(zhì)為主(45%以上)，可見(jiàn)鏡煤和木質(zhì)鏡煤、結(jié)構(gòu)鏡煤凝膠基質(zhì)等。其次為絲炭物質(zhì)(40%左右)，見(jiàn)木炭絲炭鏡煤，絲炭基質(zhì)等。煤巖類型為線質(zhì)鏡煤，光性測(cè)定變質(zhì)程度屬貧煤估。五連煤屬無(wú)煙煤。13表11256采面回風(fēng)巷頂?shù)装迩闆r頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度(m)巖性特征老　頂細(xì)、粉砂巖3～5為灰色中厚層狀砂巖和薄層狀粉砂巖組成。直接頂粉砂巖0.42淺灰色，顯水平層理，頂部含植物化石或煤線。直接底細(xì)砂巖2.3灰色

5、，中厚層狀砂巖組成。3·順層鉆孔受力分析順層預(yù)抽鉆孔實(shí)施完成后，主要受到上覆煤巖層垂直應(yīng)力及水平向構(gòu)造應(yīng)力，鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度80m，施工長(zhǎng)度在70-85m之間，因此該問(wèn)題可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。其中，上覆煤巖層垂直應(yīng)力，水平向構(gòu)造應(yīng)力，上式中，H為煤層埋深，γ為巖石容重，λ為側(cè)向系數(shù)，鉆孔受力模型圖見(jiàn)圖1。圖1順層鉆孔受力示意圖鉆孔周圍由內(nèi)到外依次分布為鉆孔松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，見(jiàn)圖2。由于受鉆孔施工擾動(dòng)影響，鉆孔周圍松動(dòng)區(qū)分布大量發(fā)育裂隙，數(shù)值模擬及理論研究結(jié)果表明，該松動(dòng)區(qū)范圍為2.5～6倍鉆孔直徑，具體數(shù)值還與鉆孔埋深、地質(zhì)構(gòu)造及

6、煤巖層性質(zhì)影響。13圖2順層鉆孔松動(dòng)圈分布示意圖由于該松動(dòng)區(qū)的存在，常規(guī)水泥漿及石膏封孔方法難以取得較好封孔效果。主要是因?yàn)椋孩偎嗌皾{封孔方法封孔后，水進(jìn)入鉆孔裂隙松動(dòng)區(qū)，而水泥砂漿基質(zhì)難以進(jìn)入裂隙內(nèi)部；②水泥砂漿由于收縮比大，固化后對(duì)孔壁產(chǎn)生徑向拉力作用，進(jìn)一步促進(jìn)裂隙發(fā)展。③水泥漿凝固時(shí)間長(zhǎng)，封孔工藝繁雜，耗時(shí)多，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)以上情況，滎經(jīng)縣五家田煤業(yè)有限公司2011年底試驗(yàn)了黑白膠膠配套專用封孔器的封孔新工藝，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入考察。取得一定效果。4·順層孔封孔試驗(yàn)研究試驗(yàn)選擇兩種封孔材料：黑白膠膠(聚氨酯)和石膏

7、水泥漿。根據(jù)不同封孔材料性質(zhì)、封孔工藝分別進(jìn)行封孔施工，通過(guò)測(cè)定封孔后單孔瓦斯?jié)舛?、成孔率，?duì)比封孔效果。4.1·試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)及施工順層鉆孔封孔試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在1252采面兩回風(fēng)巷和1256采面兩回風(fēng)巷，鉆孔間距均為6m，垂直煤壁沿煤層走向施工，鉆孔設(shè)計(jì)深度80m。封孔試驗(yàn)選擇兩種不同封孔材料：水泥漿石膏與黑白膠膠。試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。其中試驗(yàn)孔1256采面兩回風(fēng)巷1～58#(共58個(gè))鉆孔采用黑白膠封孔，與原1252采面兩回風(fēng)巷50～103#(共54個(gè))鉆孔13采用水泥漿石膏原封孔工藝封孔作比較。圖3封孔試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)圖4.2·封孔材

8、料及工藝4.2.1·石膏水泥漿及封孔工藝(1)材料性質(zhì)水泥漿：選用425#硅酸鹽水泥作為主要材料的凝固劑，凝固后封堵鉆孔。石膏：為膨脹劑，其作用是避免水泥漿凝固后收縮，鉆孔出現(xiàn)縫隙。加石膏后水泥漿體積約為原來(lái)的1.1倍。配合比：水∶水