20m长距离带压封孔工艺研究应用题.docx
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20m长距离带压封孔工艺研究应用题
永城煤电集团公司科技成果验收申请表
科技成果名称
XXX煤矿顺层钻孔20m长距离带压封孔工艺研究应用
成果完成单位
合作单位
项目起始时间
项目终止时间
成果完成人员
联系人
联系电话
任务来源
3
1-国家计划2-省部计划3-公司计划 4-计划外
成果有无密级
0
0-无1-有
密级
(/)
1-秘密2-机密3-绝密
内容简介
该项研究成果的主要创新点主要为:
(1)提出了带压封孔这个概念,有效保证封孔段封闭严密不漏气,解决了因钻孔周围存在裂隙而导致钻孔漏气的难题。
(2)大胆将钻孔的封孔长度提高到了20m,减小了钻孔封孔漏气的可能性,同时杜绝了抽采顺层钻孔时与底抽巷穿层钻孔串孔的现象。
(3)成立了专业封孔小组,对封孔小组的每一位成员都进行了严格的培训,确保封孔质量得到保障。
XXX煤矿试验使用20m长距离带压封孔工艺之后成功将钻孔平均抽采浓度由原来的40%提高到了60%以上,钻孔合格率也由77.14%提高到了91.43%,同时杜绝了抽采顺层钻孔时与穿层钻孔串孔的现象。
(1)安全效益:
顺层钻孔通过实施20m长距离带压封孔技术较大程度上提高了钻孔浓度,减小了钻孔废孔率,也相应增大了瓦斯抽采量进而为矿井的安全生产带来了无法评估的安全效益。
(2)直接经济效益:
钻孔合格率的提高即降低了钻孔的废孔率,从而减小了钻孔的投资成本。
经计算单个顺层钻孔的价格为2460元,因此仅节约钻孔投资成本就为:
868×(91.43%-77.14%)×2460=30.51万元。
申请验收单位意见
领导签字(盖章)
组织验收单位意见
经办人(签字);主管领导(签字)
XXX煤矿顺层钻孔20m长距离带压封孔工艺
研究应用
1.概况
1.1XXX煤矿瓦斯赋存概况
XXX煤矿首采M4煤层具有深隐伏(毕节地区埋深最深,最浅部埋深338米)、四周无露头、高瓦斯压力(实测最大值2.5Mpa)、高瓦斯含量(实测可解析含量最高值30.00m3/t、最低13.63m3/t)的特点,瓦斯含量高,治理难度较大。
瓦斯储量48.22亿m3,瓦斯可开发量26.48亿m3。
1.2项目研究的背景
目前XXX矿首采工作面的区域瓦斯治理方法为顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯,但从顺层钻孔的瓦斯抽采浓度来看效果并不理想,钻孔浓度不高,合格率也较低。
这将严重影响了采面瓦斯抽采效果,延长了瓦斯抽采达标的时间,制约着将来采面的顺利推进。
因此为提高瓦斯抽采浓度,加大瓦斯治理力度,XXX煤矿从钻孔封孔入手,研究出了长距离带压封孔技术,大大提高了钻孔的抽采浓度。
2.项目研究的必要性和重要性
据调查,目前我国约有65%的回采工作面的预抽瓦斯浓度低于30%,这充分反映了抽采钻孔封孔质差的现状,封孔质量的好坏直接影响到瓦斯抽采效果,而封孔质量又由封孔材料的性能以及封孔技术决定,因此在在钻孔封孔方面的研究具有一定的必要性和重要性。
2.1封孔材料及封孔技术
我国煤层瓦斯抽采钻孔的封孔材料主要有黄泥、水泥砂浆、速凝膨胀水泥或聚氨酯等,封孔种类包括黄泥和水泥砂浆混合封孔、水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、封孔器封孔和胶泥封孔等。
采用黄泥、水泥封孔钻孔封孔密封质量差、作业时间长朗动强度大、现场已很少采用。
单纯采用水泥砂浆封孔时,水泥砂浆凝固后有一定的收缩,降低了钻孔的封孔质量,近而降低抽采负压。
采用聚氨酯封孔时,由于初凝时间不好调,封孔长度也不易控制,不适宜于封孔要求较深的钻孔,由于聚氨酯反映速度太快,不能使钻孔周边松散煤体和缝隙充分密封,且封孔后随着抽采时间的延长聚氨酯材料一出现裂缝,导致钻孔漏气,降低抽采效率;这种方法也正在被淘汰。
封孔器封孔仅适用于抽采时间较短的局部抽放钻适用。
胶泥封孔一般适用于穿层钻孔。
2.2封孔设备
目前我国大多数煤矿仍然采用电动式注浆泵,但电动注浆泵体积大,重量重,搬运不方便,不但需要较多的人力而且影响巷道运输,注浆效率低,不能达到及时封孔的目的。
另外以电作为动力进行注浆既浪费电又不安全。
2.3顺层钻孔封孔长度
目前大部分矿井都是按照防突规定中顺层钻孔封孔长度不得低于8m的要求进行封孔,但钻孔抽采浓度不理想的现状不得不让人考虑封孔深度是否需要增加。
3.顺层钻孔20m长距离带压封孔技术实施步骤
(1)钻孔终孔撤钻前必须采取措施进行洗孔,将孔内的煤渣等全部清理干净,避免影响马丽散或聚氨酯膨胀效果及钻孔封孔长度。
(2)钻孔施工完成本班必须进行送管封孔,PVC实管封孔段长度不少于20米,其余采用PVC筛管送至孔底进行全程封孔。
在送入封孔最后剩余20m处,用毛巾或棉布等把PVC管缠上3~5圈,并做成筒状。
配制聚氨酯或马丽散混合液并倒入筒状的毛巾或棉布内,两端用捆扎牢固防止聚氨酯或马丽散流出,之后快速度送入孔内。
(3)随后在孔内送入两道4分铁管,一道为注浆管一道为返浆管,返浆管可作排气孔用(钻孔为上向孔时注浆管长度为2m,返浆管长度为19m;钻孔为下向孔时注浆管和返浆管长度超过孔口封孔段即可)。
每道4分铁管在钻孔孔口处全部安装上4分球阀。
(4)再次配制聚氨酯或马丽散,并迅速搅拌均匀,然后把配好的药水用少量棉纱蘸取,并送入孔内约1m处,依次送入3~5个蘸有聚氨酯的棉纱团,最后孔口用干棉纱堵严实。
(5)聚氨酯或马丽散膨胀后不低于15min,在大容器(可用油桶制作)内按水:
水泥比为1:
1的体积比进行配制水泥浆,搅拌均匀后用注浆泵接在注浆管上进行注浆,当水泥浆从返浆管内流出时,关闭返浆管球阀,接着再进行注浆并观察返浆管上的压力表,压力达到0.6Mpa时停止注浆,并关闭注浆管球阀,说明本孔封孔已结束。
4.顺层钻孔20m长距离带压封孔技术施工参数及设备选型
4.1水泥浆的配比
由于水泥既能保证强度又具有很好的气密性,因此XXX煤矿选用水泥与水进行配比来作为封孔材料;为了找出最佳的水与水泥的配比,XXX煤矿在底抽巷施工穿层钻孔以及在煤巷施工顺层钻孔时均做了数百次试验,相同抽采负压条件下的以钻孔封孔是否漏气、钻孔抽采浓度大小、瓦斯抽采浓度衰减速度作为评判指标,最终得出水、水泥的以1:
1配比时效果最佳。
4.2封孔混合水泥用量计算
Ф94mm孔径钻孔水泥用量,水泥封孔长度L=20m(管长)-0.5m(封孔段长)-0.5m(封孔管末端预留及聚氨酯或马丽散膨胀长度)=19m,φ94mm钻孔封孔半径R=0.047m,φ50mm封孔管所占半径(外径)r=0.025m,普通硅酸盐水泥密度ρ=2400kg/m3,注浆段水泥用量(水泥一般密度2400Kg/m3)为W,W=ρ·L·π·(R2-r2)=2400×19×3.14×(0.0472-0.0252)=226.8kg。
4.3带压注浆压力值的确定
由于钻孔受采掘扰动的影响,在钻孔孔壁周围会出现一定的微小裂隙,单单的将封孔材料充填至孔内不能有效的填充裂隙,近而不能有效的将钻孔封孔严密,因此需要进行带压注浆。
在进行带压注浆的过程中需用聚氨酯将钻孔封孔段两端封闭严密,并保证注浆压力在聚氨酯封孔段所能承受的压力范围内。
根据聚氨酯的额定承受压力及反复试验,确定将钻孔封孔注浆压力定为0.6MPa,小于0.6MPa不能最大限度的保证封孔的严密性,大于1MPa可能会使涨破聚氨酯封孔段。
4.4注浆设备选型
XXX煤矿瓦斯抽采钻孔原来采用中煤科工重庆煤科分院生产的电动注浆泵,体积大,重量重,搬运不方便,不但需要较多的人力而且影响巷道运输,注浆效率低,不能达到及时封孔的目的。
另外以电作为动力进行注浆既浪费电又不安全。
针对以上电动注浆泵的缺点,我矿积极探寻更好的设备,经过对比、选型,采购了ZBQ-27/15煤矿用气动注浆泵。
ZBQ-27/15煤矿用气动注浆泵具有:
重量轻,体积小,便携式易搬运,注浆效率高且安全性能好,方便可靠,风动能力非常强,注浆非常牢固等优点。
ZBQ-27/15煤矿用气动注浆泵参数见下表:
项目
单位
参数值
工作气压
Mpa
0.40~0.70
排浆压力
Mpa
1.5
排浆流量
L/min
27
往复次数
次/分
148
耗气量
M3/min
0.5
最大排浆压力
Mpa
3.2
排浆缸基本参数(内径x行程)
mm
50×100
使用温度
℃
-15°~60°
最高工作气压
Mpa
0.8
外形尺寸(长x宽x高)
mm
1100×207×330
适用介质
水泥浆、乳化液、水、液压油等
整机机重
kg
16
山东交通学院机械厂生产的气动注浆
4.5封孔注意事项
(1)钻孔施工完后,必须立即进行封孔,从撤完钻到封孔时间不得超过8小时。
(2)注浆时若水泥浆自返浆管内流出时,则必须立即停止注浆防止浪费,并安装压力表。
(3)所有工具及材料必须准备充分,以免影响操作时间。
(4)根据封孔数量的多少配制封孔材料,严禁浪费。
(5)使用聚氨酯或马丽散封孔必须动作迅速,从药剂搅拌至送入钻孔必须在2分钟内完成。
(6)注浆管连接必须用正规的U型卡,严禁用铁丝代替U型卡,防止胶管脱落伤人。
(7)配制药剂时必须通风良好,必须站在上风侧操作,严禁用口、鼻嗅闻药品,搅拌药品时必须戴好橡胶手套,严禁人体皮肤直接接触药品;封孔时必须戴好防护眼镜且严禁站在钻孔正下方操作,以免药品溅入眼睛内。
(8)封孔结束
1)必须及时清理孔口,保证封孔质量。
2)及时清理现场卫生,搞好文明形象。
3)聚氨酯或马丽散用完后必须加盖密封,避免与空气长时间接触失效;水泥必须存放在干燥无淋水地点的木板上或塑料纸上,上方必须盖好;未用完的材料必须堆放整齐。
4.6顺层钻孔20m长距离带压封孔工艺重点环节
20m长距离带压封孔工艺成败的关键在孔内第一道、孔口的聚氨酯封孔段封孔质量,只有两端聚氨酯有效反应后方可进行带压注浆封孔。
20m长距离带压封孔技术保障措施:
(1)防突队成立专业封孔小组,确保封孔质量得到保障。
封孔小组成员必须熟练掌握以下操作步骤:
1)如何配置聚氨酯或马丽散搅拌液;2)如何将20米PVC实管在2分钟内送入钻孔内;3)如何将蘸有聚氨酯的棉纱封堵孔口;4)如何使用ZBQ-27/15型煤矿用气动注浆泵;5)如何根据压力表读数判断注浆是否完成。
(2)对专门负责顺层钻孔的封孔工序人员提高薪金待遇,保障封孔队伍人员的稳定性;确保封孔质量的高合格率。
5.顺层钻孔20m长距带压封孔工艺应用成果
瓦斯抽采效果不仅取决于煤层瓦斯生成及赋存条件,而且决定于瓦斯抽采工程质量,瓦斯抽采工程质量又决定于钻孔封孔质量。
XXX矿之前采用传统封孔工艺(封孔段为8m)进行封孔,但钻孔瓦斯抽采浓度并不理想,单孔平均浓度仅在40%左右;钻孔合格率也较低,仅为77.14%;另外由于采用底抽巷穿层钻孔预抽煤巷条带区域煤层瓦斯,钻孔控制到巷道两帮轮廓线外15m范围,因此在抽采顺层钻孔时经常会遇到与穿层钻孔串孔的现象。
在采用20m长距离带压封孔工艺后,钻孔平均抽采浓度在60%以上,与传统封孔工艺的钻孔抽采平均浓度40%相比有很大的提高;钻孔合格率也由77.14%提高到了91.43%,同时杜绝了抽采顺层钻孔时与穿层钻孔串孔的现象。
5.1传统封孔工艺与20m长距离带压封孔工艺效果对比
传统的封孔工艺漏气存在两种途径:
一种是由于封孔短而导致巷道煤壁内的裂隙未封堵产生的漏气;另一种钻孔内封孔材料与孔壁结合不紧密以及径向裂隙未封堵导致的漏气。
XXX煤矿采用传统封孔工艺抽样钻孔浓度详见下表:
孔号
浓度
孔号
浓度
孔号
浓度
孔号
浓度
孔号
浓度
102
45%
110
46%
122
12%
B208
41%
370
30%
103
20%
112
20%
123
60%
B210
73%
371
35%
104
30%
113
63%
124
32%
216
78%
372
35%
105
30%
118
32%
125
57%
217
62%
373
72%
106
32%
119
18%
B129
62%
218
35%
374
15%
107
12%
120
43%
130
37%
219
53%
375
60%
108
65%
121
20%
B205-3
39%
B306
18%
376
40%
长距离带压封孔工艺加长了钻孔的封孔深度从而有效解决了煤壁内的裂隙在高负压的作用下漏气的现象。
另外长距离带压封孔工艺使用ZBQ-27/15型煤矿用气动注浆泵将水泥浆注入到两段聚氨酯封孔段之间,使浆液在压力的作用下进入钻孔周围裂隙内,待孔口压力表显示值为0.6Mpa以上时停止注浆,浆液凝固后具有较强的抗压性能及密封性能,从而达到密封钻孔的目的。
20m长距离带压封孔抽采钻孔的抽采浓度详情见下表:
孔号
浓度
孔号
浓度
孔号
浓度
孔号
浓度
孔号
浓度
B142
60%
244
45%
258
40%
B293
45%
B305
44%
B143
60%
246
77%
262
55%
297
37%
327
40%
B144
60%
248
73%
263
25%
B300
55%
328
79%
B145
65%
250
30%
273
60%
302
35%
329
70%
B147
67%
252
74%
274
65%
303
25%
330
80%
B148
26%
255
80%
275
74%
304
73%
B351
63%
B153
82%
256
45%
276
40%
305
70%
352
70%
为了检验顺层钻孔20m长距离带压封孔工艺在实际应用中是否达到了较好的效果,XXX煤矿将1401回风顺槽施工的35个长距离带压封孔的钻孔与传统封孔工艺钻孔进行了对比,对比钻孔所采用的浓度为在相同负压条件下连抽10天后所测得的浓度,以不同浓度段钻孔所占的比例大小为衡量指标。
具体对比结果如下图:
按浓度超过30%为钻孔合格,从效果对比图上可以看出传统封孔工艺的钻孔合格率为77.14%,而20m长距离带压封孔工艺的钻孔合格率为91.43%。
另外20m长距离带压封孔工艺的钻孔浓度与传统意义上的封孔工艺钻孔浓度相比也有了较大的提高。
5.顺层钻孔20m长距离带压封孔工艺效益分析
XXX煤矿首采工作面煤层瓦斯压力大,瓦斯含量高,煤层具有突出危险性。
防突措施工程量大,难度高,因此更应该严把工程质量关,提高钻孔成孔率以及钻孔的瓦斯浓度。
(1)安全效益:
顺层钻孔通过实施20m长距离带压封孔技术较大程度上提高了钻孔浓度,减小了钻孔废孔率,也相应增大了瓦斯抽采量进而为矿井的安全生产带来了无法评估的安全效益。
(2)直接经济效益:
钻孔合格率的提高即降低了钻孔的废孔率,从而减小了钻孔的投资成本。
1401采面共设计868个顺层钻孔,经计算采用传统封孔工艺施工完成一个顺层钻孔价格约为2460元;采用20m长距离带压封孔工艺后,钻孔合格率由原先的77.14%提高到了91.43%,因此仅节约钻孔投资成本就为:
868×(91.43%-77.14%)×2460=30.51万元。
(3)潜在经济效益
20m长距离带压封孔工艺在表面上看是提高了钻孔的抽采浓度,减小了钻孔的废孔率,提高了钻孔的瓦斯抽采量,更缩短了瓦斯抽采达标的时间,从而保证采面回采不受瓦斯制约,为XXX煤矿能够顺利保产做出了巨大的贡献,因此其潜在的经济效益更为巨大。
6.结论
6.1该项技术的创新点在于:
(1)大胆将钻孔的封孔长度提高到了20m,减小了钻孔封孔漏气的可能性,同时杜绝了抽采顺层钻孔时与底抽巷穿层钻孔串孔的现象。
(2)率先提出了带压封孔概念,它能有效的保证封孔段封闭严密不漏气,解决了因钻孔周围存在裂隙而导致钻孔漏气的难题。
(3)成立了专业封孔小组,对封孔小组的每一位成员都进行了严格的培训,确保封孔质量得到保障。
(4)将专业封孔小组视为特殊工种,提高其薪金待遇,保障封孔队伍人员的稳定性;确保封孔质量的高合格率。
6.2该项技术的意义
该项技术成功的将钻孔浓度由原来的平均瓦斯抽采浓度由40%提高到了60%以上,钻孔合格率也由77.14%提高到了91.43%,同时杜绝了抽采顺层钻孔时与穿层钻孔串孔的现象。
因此该项成果具有显著的推广应用价值。
附图:
顺层钻孔20m长距离封孔示意图
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