瓦斯抽采新技术.docx
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瓦斯抽采新技术
科学技术报告
抽采钻孔封孔新技术
钻封一体化初探
承担单位：
荥经县五家田煤业有限公司
协作单位：
重庆煌庆矿山科技有限公司
报告撰写：
魏云
完成时间：
2012年2月28日
目录
1·引言1
2·施工地点概况1
3·顺层钻孔受力分析2
4·顺层孔封孔试验研究3
4.1·试验钻孔设计及施工4
4.2·封孔材料及工艺4
4.2.1·石膏水泥浆及封孔工艺4
4.2.2·A-B胶封孔及封孔工艺5
5·封孔效果考察7
5.1·单孔浓度对比7
5.2·钻孔成孔率12
5.3·经济效益分析12
5.3.1·封孔成本12
5.3.2·运行成本12
5.3.3·经济比较13
6·钻封一体化13
7·结论13
1·引言
荥经县五家田煤业有限公司的五连炭煤层，透气性系数为0.99的高瓦斯煤层，煤层坚固性系数f值一般在3左右。
目前矿井采用顺层钻孔进行本煤层瓦斯抽采。
以前，荥经县五家田煤业有限公司抽采钻孔采用石膏水泥浆封孔，封孔工艺繁锁，需要材料和设备多，封孔耗时长，封堵效果不理想，造成钻孔瓦斯抽放浓度低，抽采量难以大幅提高。
该问题一方面造成工作面抽采达标时间长，严重制约矿井生产部署；另一方面，钻、封时间间隔长，松软煤层中的钻孔易塌孔，成孔率低，影响抽放效果；再一方面，由于封堵效果差，钻孔抽放浓度低，抽采低浓度瓦斯难以利用，排空后造成资源浪费、大气污染。
针对抽采钻孔的封孔难题，荥经县五家田煤业有限公司积极改进瓦斯抽采钻孔封孔工艺，试验新型封孔材料提高抽采钻孔瓦斯预抽浓度和矿井瓦斯抽采率。
2012年矿井开始试验了新型A-B胶配套正安矿山专用封孔器的封孔材料和新工艺并对封孔效果进行对比考察。
采用新的封孔工艺后，封孔时间比原来节省了三分之二，钻孔成孔率达100%，抽采钻孔抽采瓦斯浓度由60%提高至90%。
取得了良好的抽采效果。
2·施工地点概况
本次试验地点选择在1256对拉采煤工作面新掘两条回风巷道内。
1256对拉工作面属五连煤煤层，煤层分为四个分层,属复合煤层,下分层煤厚0.4～0.5m（顺层瓦斯抽采钻孔布置于该分层），纯煤层平均厚为0.76m,煤层倾角1～5°,平均3°，煤层的硬度系数f=3～5。
平均采高1.05m；五连煤以明镜煤和半亮煤为主，半暗煤次之，镜下观察以凝胶物质为主（45%以上），可见镜煤和木质镜煤、结构镜煤凝胶基质等。
其次为丝炭物质（40%左右），见木炭丝炭镜煤，丝炭基质等。
煤岩类型为线质镜煤，光性测定变质程度属贫煤估。
五连煤属无烟煤。
表11256采面回风巷顶底板情况
顶底板名称
岩石
名称
厚度（m）
岩性特征
老 顶
细、粉砂岩
3～5
为灰色中厚层状砂岩和薄层状粉砂岩组成。
直接顶
粉砂岩
0.42
浅灰色，显水平层理，顶部含植物化石或煤线。
直接底
细砂岩
2.3
灰色，中厚层状砂岩组成。
3·顺层钻孔受力分析
顺层预抽钻孔实施完成后，主要受到上覆煤岩层垂直应力及水平向构造应力，钻孔设计长度80m，施工长度在70-85m之间，因此该问题可简化为平面应变问题。
其中，上覆煤岩层垂直应力
，水平向构造应力
，上式中，H为煤层埋深，γ为岩石容重，λ为侧向系数，钻孔受力模型图见图1。
图1顺层钻孔受力示意图
钻孔周围由内到外依次分布为钻孔松动区、塑性区、弹性区，见图2。
由于受钻孔施工扰动影响，钻孔周围松动区分布大量发育裂隙，数值模拟及理论研究结果表明，该松动区范围为2.5～6倍钻孔直径，具体数值还与钻孔埋深、地质构造及煤岩层性质影响。
图2顺层钻孔松动圈分布示意图
由于该松动区的存在，常规水泥浆及石膏封孔方法难以取得较好封孔效果。
主要是因为：
①水泥砂浆封孔方法封孔后，水进入钻孔裂隙松动区，而水泥砂浆基质难以进入裂隙内部；②水泥砂浆由于收缩比大，固化后对孔壁产生径向拉力作用，进一步促进裂隙发展。
③水泥浆凝固时间长，封孔工艺繁杂，耗时多，抽采达标时间长。
针对以上情况，荥经县五家田煤业有限公司2011年底试验了A-B胶配套专用封孔器的封孔新工艺，并对试验结果进行深入考察。
取得一定效果。
4·顺层孔封孔试验研究
试验选择两种封孔材料：
A-B胶（聚氨酯）和石膏水泥浆。
根据不同封孔材料性质、封孔工艺分别进行封孔施工，通过测定封孔后单孔瓦斯浓度、成孔率，对比封孔效果。
4.1·试验钻孔设计及施工
顺层钻孔封孔试验地点选择在1252采面两回风巷和1256采面两回风巷，钻孔间距均为6m，垂直煤壁沿煤层走向施工，钻孔设计深度80m。
封孔试验选择两种不同封孔材料：
水泥浆石膏与A-B胶。
试验钻孔设计见图3。
其中试验孔1256采面两回风巷1～58#（共58个）钻孔采用黑白胶封孔，与原1252采面两回风巷50～103#（共54个）钻孔采用水泥浆石膏原封孔工艺封孔作比较。
图3封孔试验钻孔设计图
4.2·封孔材料及工艺
4.2.1·石膏水泥浆及封孔工艺
（1）材料性质
水泥浆：
选用425#硅酸盐水泥作为主要材料的凝固剂，凝固后封堵钻孔。
石膏：
为膨胀剂，其作用是避免水泥浆凝固后收缩，钻孔出现缝隙。
加石膏后水泥浆体积约为原来的1.1倍。
配合比：
水∶水泥∶石膏=100∶60∶12。
（2）石膏水泥浆封孔工艺
石膏水泥浆封孔技术施工采用两道工序施工：
钻孔按照设计要求施工（扩孔5～8m）完成后，将1.5寸抽放管、注浆管及排气管用棉纱按图4要求缠绕，面纱段长度各0.1m，捆绑固定后，插入扩孔段内8m处（孔口外预留0.3m）；用高标号水泥砂浆封堵孔口。
待孔口水泥砂浆凝固后（24小时），按比例配合好石膏水泥浆，待其充分反应硬化后（约10min），通过注浆泵向预留注浆管内注浆，排气管口弯至孔口上1m，中间空间注满（排气管口有水泥浆溢出时）停止注浆，封孔完成。
等72小时水泥浆凝固后，才能联结主管，投入抽放。
图4石膏水泥浆封孔示意图
4.2.2·A-B胶封孔及封孔工艺
（1）材料性质
A-B胶封孔材料采用“正安”牌矿山专用封孔剂和封孔器材料，主要成分：
双组份聚氨酯。
具有较强的渗透性和密封性能，封孔时间5-10min，主要技术指标见表3。
表3A-B胶主要技术指标
乳白
时间
S
压缩
强度KPa
尺寸
稳定性△%
脱粘
时间
S
与基材
结合强度
KPa
自由泡
密度
Kg/m3
闭孔率
%
阻燃性
s
50-90
≥210
≤1
400-600
≥150
40-60
≥95
自熄
为考察A-B胶材料的发泡效果，在地面取样进行模拟测试，试验采用Φ108mmPVC管材模拟钻孔，见图5。
测试结果表明：
A-B胶发泡直径0.5-1.0mm，质地均匀，相比石膏水泥浆发泡直径0.5-3mm要更加均匀。
图5A-B胶（毛巾缠绕）硬化效果
（2）封孔工艺
A-B胶封孔技术施工采用一道工序施工：
钻孔按照设计要求施工完成后，封孔器制作：
UPVC抽放管前端0.5～0.8m范围内预先已钻直径为8mm的透气孔，间距50mm，前段留有不小于0.5m的抽放气室，封孔深度2-7.2m（可根据各自煤岩特性加接抽放管调整封孔深度），1.5-7.2m处采用封孔剂进行封孔，为防止封孔剂径向膨胀，在封孔器内海绵两端各固定一个金属档圈，又起到抽放管对中而四周均匀膨胀的作用，在每段海绵部位外套塑料袋，便于AB胶在海绵上均匀分布，既不浪费AB胶，又可以将沾有AB胶的塑料袋拉至挡圈处，待其膨胀后，增加密封效果。
AB胶封堵钻孔工艺：
将A、B胶分别取500~750毫升按1：
1比例倒入指定容器中，搅拌均匀。
将混合好的AB胶倒入正安矿山专用封孔器端头两段海绵体上，然后进行挤压，待胶料均匀吸进海绵内后，再反转塑料袋至挡板处。
用一小块（0.1m左右）海绵，蘸取混合好的剩余AB胶，缠在孔口处的UPVC管上，迅速将UPVC胶管插入钻孔中。
硬化2小时后就可接上主管，投入抽放。
如下图所示：
图6A-B胶封孔示意图
5·封孔效果考察
5.1·单孔浓度对比
各孔施工完成后按照封孔要求进行封孔，各孔实际施工深度及实际封孔深度见附表4、5。
采用高浓度瓦检仪对采用不同封孔方法的单孔浓度进行测定，测定结果见下附表6、7。
对各孔抽采浓度进行统计分析，考察采用A-B胶前后平均单孔浓度变化，见表8。
表4A-B胶与石膏水泥浆封孔平均单孔浓度变化
考察日期
累计考察
时间
（h）
平均单孔浓度（%）
抽采
负压
（KPa）
A-B胶
石膏
水泥浆
2月8日
2
91
60
2.7
2月10日
3
96
68
2.7
2月13日
5
91
70
2.7
2月15日
7
86
56
2.7
2月17日
7
88
58
2.7
采用A-B胶封孔过程中，由于试验孔49#孔发生堵塞，封孔长度只有1.6m，但单孔瓦斯浓度也达到了73%。
考察采用不同封孔方法的平均单孔浓度变化，绘制平均单孔浓度-时间关系图，见图5。
图5两种封孔方法平均单孔浓度对比图
由图可知，在考察前10天内，采用A-B胶封孔平均单孔瓦斯浓度在原来基础上提高了34.09%～42%，平均单孔抽放浓度达到85%～92%。
表4试验孔实际施工深度及封孔长度
（1）
孔号
孔参数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
实际孔深（m）
85
85
85
85
85
80
86
85
85
85
86
84
85
85
86
85
61
85
85
84
84
83
82
85
85
86
85
80
85
封孔长度（m）
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
表4试验孔实际施工深度及封孔长度
（2）
孔号
孔参数
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
实际孔深（m）
85
85
85
83
82
86
80
85
83
86
85
856
86
85
76
85
82
71
85
44
68
86
85
82
83
85
84
80
85
封孔长度（m）
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
1.6
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
表5对比孔实际施工深度及封孔长度
（1）
孔号
孔参数
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
实际孔深（m）
80
82
85
85
85
85
85
83
85
86
86
85
84
82
83
85
86
85
85
85
85
83
82
80
83
85
82
封孔长度（m）
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
表5对比孔实际施工深度及封孔长度
（2）
孔号
孔参数
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
实际孔深（m）
85
85
85
82
83
85
86
85
85
85
85
85
85
81
82
80
80
81
81
81
85
85
85
83
83
81
81
封孔长度（m）
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
表6采用石膏水泥浆封孔单孔浓度
（1）
孔号
日期
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
7月23日
65
66
68
55
58
53
60
61
63
51
66
70
72
61
65
50
46
60
61
60
62
62
58
56
48
45
60
7月25日
62
65
62
51
60
61
58
66
68
45
70
72
78
60
68
70
72
65
66
76
60
66
62
60
20
25
62
7月27日
58
60
61
55
60
59
56
64
65
20
61
65
66
56
58
66
64
60
56
58
50
60
52
55
20
21
58
7月29日
50
58
60
55
60
55
56
60
61
关
60
63
62
53
56
63
61
60
56
56
48
59
50
50
关
关
58
表6采用石膏水泥浆封孔单孔浓度
（2）
孔号
日期
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
7月23日
60
61
63
51
48
70
65
66
68
55
58
53
62
62
58
56
50
45
60
70
72
61
65
50
46
60
61
7月25日
58
66
68
45
20
72
62
65
62
51
60
61
60
66
62
60
55
25
62
72
78
60
68
70
72
65
66
7月27日
56
64
65
20
20
65
58
60
61
55
60
59
50
60
52
55
53
21
58
65
66
56
58
66
64
60
56
7月29日
56
60
61
关
关
63
50
58
60
55
60
55
48
59
50
50
51
关
58
63
62
53
56
63
61
60
56
表7采用A-B胶封孔单孔浓度
（1）
孔号
孔参数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
元月6日
89
88
95
90
92
89
88
96
95
96
92
92
93
91
88
80
85
89
87
90
92
95
90
88
78
95
88
89
78
元月8日
91
92
93
96
98
93
85
92
98
96
90
96
95
90
94
90
92
88
90
92
91
96
95
90
85
86
92
93
90
元月10日
88
90
91
90
89
87
85
89
91
92
88
85
88
86
85
87
80
88
86
87
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85
89
86
88
87
90
91
86
元月12日
86
89
88
88
86
85
80
87
90
91
86
88
87
86
80
90
75
82
80
89
82
85
88
86
85
82
90
90
91
表7采用A-B胶封孔单孔浓度
（2）
孔号
孔参数
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
元月6日
96
92
92
93
91
88
80
85
89
88
95
90
92
89
88
96
95
88
78
75
88
89
78
89
87
90
92
95
90
元月8日
96
90
96
95
90
94
90
92
91
92
93
96
98
93
85
92
98
90
85
78
92
93
90
88
90
92
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96
95
元月10日
92
88
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86
85
87
80
88
90
91
90
89
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86
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86
88
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82
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元月12日
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5.2·钻孔成孔率
采用石膏水泥浆封孔时，由于封堵效果差，有6个孔抽放浓度较低，漏空气，影响总抽放浓度低于25%，只好关闭此6个孔，成孔率为89%。
而采用A-B胶封孔，成孔率达到了100%。
据考察其他煤矿，煤层松软（f值0.5以下），采用石膏水泥浆封孔时，钻封时间长，封堵效果差，容易塌孔和漏气，顺层钻孔成孔率只有60%左右。
采用A-B胶封孔，成孔率达到了90%左右。
5.3·经济效益分析
5.3.1·封孔成本
以本次试验为例，A-B胶单孔用量1.2kg，单价52元/kg，档圈4个，2元，扎带、塑料袋、泡沫等1元，人工费5元，A-B胶封孔单孔费用：
由于采用A-B胶封孔只采用一道堵孔工序，无需注浆，单孔劳动时间节省200%左右。
采用石膏水泥浆封孔，高标号水泥砂浆单孔用量10kg，单价1元/kg；二次注浆单孔水泥、石膏比例5:
1，单孔水泥用量20kg，水泥单价0.38元/kg，石膏4kg，单价1元/kg，内端头堵头绵纱2元，注浆管、排气管5元，注浆泵机械费10元，人工费30元，石膏水泥浆封孔单孔费用：
若用马丽散F（石膏水泥浆两端增加封堵效果）封孔，单孔封孔费用要增加100～150元。
5.3.2·运行成本
单孔瓦斯浓度提高了约35%，就是说单孔抽放达标时间降低了35%，以抽采运行成本最低的60元/h，抽采达标时间按3000h计，按300个孔计摊费用，每孔节省费用210元。
5.3.3·经济比较
两种封孔工艺比较，A-B胶封孔费比石膏水泥浆节省费用（
）3.7元，加上运行费用，每孔最终节省费用213.7元，按300个孔算，每年可节省费用6.41万元，若再加上成孔率效益，每年效益更可观。
据考察其他矿，透气性系数低的煤层，采用石膏水泥浆封孔单孔抽放瓦斯浓度只有30%左右，抽放瓦斯纯流量只有3m3/min，抽放瓦斯无法利用。
采用A-B胶封孔后，单孔抽放瓦斯浓度提高至60%左右，瓦斯纯流量达到了5.6m3/min，抽放瓦斯完全可以发电再利用，效益更加可观。
采用A-B胶堵孔后，堵孔工序由以前的2道减为1道，封孔时间、劳动强度降低约150%。
6·钻封一体化
采用A-B胶配套封孔器，操作快捷、方便，提前将封孔器制作好，钻孔完成后，不需要扩孔，现场将A-B胶勾兑，可立即进行封孔。
2小时后即可投入抽放。
真正实现了钻封一体化。
7·结论
（1）采用A-B胶配套封孔器，操作快捷、方便。
单孔封孔时间、劳动强度降低了150%左右。
（2）封孔后，A-B胶发泡倍数、致密性较石膏水泥浆大大提高，封堵效果好，顺层预抽钻孔平均单孔瓦斯浓度可在原来基础上提高34.09%～42%，平均单孔抽放浓度达到85%～92%。
（3）采用A-B胶配套封孔器封孔，成孔率高，顺层钻孔每年节约抽采费用上万元。
（4）采用A-B胶配套封孔器，操作快捷、方便。
2小时后即可投入抽放。
实现钻封一体化。
（5）采用A-B胶封孔后，单孔抽放瓦斯浓度大大提高，给抽放瓦斯利用提供了有力保证，减少了瓦斯排放，有利于环境保护。
（6）采用A-B胶配套封孔器新工艺，其关健技术在于封孔器上的两段海绵能将化学浆液充分吸收，而海绵两端用挡板进行封堵，其最大作用：
一是让化学浆径向膨胀，使化学浆能有效的充填煤层缝隙；二是能使抽放管基本处于钻孔中部位置，使化学浆膨胀过程中减少因抽放管自身重量产量的阻力，保证钻孔四周均匀封堵均匀受力。
塑料袋的应用既减少AB胶的浪费又保证封堵效果的完好。
荥经县五家田煤业有限公司
二○一二年二月
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