基于徑向強(qiáng)力膨脹瓦斯抽采封孔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煤層瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于徑向強(qiáng)力膨脹瓦斯抽采封孔方法。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井瓦斯是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一。瓦斯爆炸和瓦斯突出是當(dāng)今煤礦的災(zāi)害之最，每年造成許多的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。因此，預(yù)防瓦斯災(zāi)害是對降低煤礦事故、保質(zhì)煤炭工業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。
[0003]瓦斯抽采是降低礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸事故和防治煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施。此外，瓦斯是優(yōu)質(zhì)的環(huán)保能源，抽采的瓦斯可作為燃料，用于民用和發(fā)電，同時也是重要的化工原料。因此瓦斯抽采具有重要的意義。
[0004]目前，我國礦井瓦斯抽采的封孔方式主要有水泥砂漿封孔和聚氨酯封孔。水泥砂漿封孔的成本雖低，但是水泥砂漿封孔的周期較長，封孔速度極慢。水泥凝固之后會收縮變形，會在孔壁與抽放孔之間形成裂隙。且水泥砂漿對于煤壁的裂隙填補(bǔ)效果不好，難以重填裂隙。在負(fù)壓抽采下，造成大量的空氣進(jìn)入抽采管道。封孔效果不好。聚氨酯封孔，其具有很好的粘合力，發(fā)泡速度快，而且發(fā)泡倍數(shù)高，其凝固速度快，膨脹后變成堅(jiān)硬的材料。聚氨酯凝固后防潮，耐老化。目前聚氨酯封孔在瓦斯抽采上得到了廣泛的應(yīng)用。
[0005]上述傳統(tǒng)的封孔方法還具有以下缺陷:首先，沒有系統(tǒng)分析和預(yù)測巷道兩幫與鉆孔孔壁煤巖體裂隙發(fā)育情況，科學(xué)地確定封孔長度和封孔深度，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)規(guī)定確定封孔長度和封孔深度。受封孔工藝限制，易出現(xiàn)兩個極端:要么將封孔材料在孔口，封孔深度淺，封堵了煤體比較松軟的孔口部分，無法保證有效封孔長度，導(dǎo)致封孔深度淺、預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊?；要么，封孔深度和封孔長度過大，造成封孔材料浪費(fèi)，封孔成本提高，封孔速度慢。其次，沒有一個合適的標(biāo)準(zhǔn)來判斷封孔材料本身性質(zhì)的適應(yīng)性，多數(shù)封孔材料受鉆孔周邊破碎區(qū)內(nèi)瓦斯壓力、水鎖效應(yīng)、注漿壓力和材料本身的性質(zhì)等因素的影響，不易滲透到鉆孔壁裂隙中，鉆孔周邊煤、巖體依然存在各種微裂隙和孔洞，巷道內(nèi)空氣依然會通過鉆孔周圍裂隙圈泄漏與滲入抽采管路中。最后，傳統(tǒng)的封孔技術(shù)，封孔材料在鉆孔內(nèi)自由膨脹，不受鉆孔軸向約束，沒有徑向壓力，難于保證封孔材料自身的致密性，造成封孔不嚴(yán)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、封孔深度深、封孔效果好的基于徑向強(qiáng)力膨脹瓦斯抽采封孔方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:基于徑向強(qiáng)力膨脹瓦斯抽采封孔方法，包括以下步驟:
(1)、應(yīng)用RFPA-3D數(shù)值模擬軟件，分析巷道兩幫與鉆孔孔壁四周煤體裂隙情況，預(yù)測巷道兩幫塑性變形區(qū)和鉆孔環(huán)形卸壓圈的范圍，進(jìn)而根據(jù)孔壁四周煤體的裂隙情況及封孔長度應(yīng)不低于巷道兩幫裂隙發(fā)育范圍，確定封孔位置和封孔深度； (2)、根據(jù)鉆孔孔壁裂隙發(fā)育情況與孔壁裂隙特點(diǎn)，以及原有抽采瓦斯鉆孔封孔技術(shù)及工藝存在的影響抽采瓦斯?jié)舛扰c效果因素，確定具有自身致密性好、強(qiáng)度高、高膨脹性和強(qiáng)滲透性四個特點(diǎn)的封孔材料；
(3)、安裝徑向強(qiáng)力膨脹抽采封孔裝置:徑向強(qiáng)力膨脹抽采封孔裝置包括瓦斯抽采管和瓦斯抽采花管，瓦斯抽采花管后端與瓦斯抽采管前端連接，瓦斯抽采管外部由前到后依次設(shè)有均為圓環(huán)形的前固定擋板、前移動擋板、后移動擋板和后固定擋板，前固定擋板位于瓦斯抽采管前端，瓦斯抽采管外部在前固定擋板和前移動擋板之間設(shè)有前橡膠變形筒體，瓦斯抽采管外部在后移動擋板和后固定擋板之間設(shè)有后橡膠變形筒體，前移動擋板后表面設(shè)有前橡膠墊，后移動擋板前表面設(shè)有后橡膠墊，瓦斯抽采管外部在前橡膠墊和后橡膠墊之間設(shè)有聚氨酯混合液包；前橡膠墊的外邊沿向后折彎形成盤狀結(jié)構(gòu)，后橡膠墊的外邊沿向前折彎形成盤狀結(jié)構(gòu)；
(4 )、將徑向強(qiáng)力膨脹抽采封孔裝置插入到鉆孔內(nèi)，瓦斯抽采花管距離鉆孔孔口處6-8m后停止；具有鼓脹性、粘結(jié)性的聚氨酯混合液包位于前橡膠墊和后橡膠墊之間，待聚氨酯膨脹，軸向推動前移動擋板和后移動擋板分別沿瓦斯抽采管向前和向后移動，在前固定擋板和后固定擋板的阻擋下，前移動擋板和后移動擋板分別推動前橡膠變形筒體和后橡膠變形筒體產(chǎn)生徑向變形，前橡膠變形筒體和后橡膠變形筒體徑向膨脹封堵注漿段兩端；聚氨酯混合液繼續(xù)膨脹，由于前固定擋板和后固定擋板的封堵，聚氨酯充填、滲透到煤體裂隙中，形成一段聚氨酯充填煤體，達(dá)到密封抽采鉆孔及周圍孔壁煤體擾動裂隙的目的；
(5)、待聚氨酯混合液包膨脹完畢，將孔口管與瓦斯抽采管連接，進(jìn)行瓦斯抽采。
[0008]步驟(3)中的前固定擋板和后固定擋板分別焊接在瓦斯抽采管上，前移動擋板和后移動擋板穿套并滑動連接在瓦斯抽采管上。
[0009]步驟(3)中聚氨酯混合液包捆綁在前橡膠墊和后橡膠墊之間的瓦斯抽采管上。
[0010]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明根據(jù)以下原理進(jìn)行設(shè)計(jì):首先，分析和預(yù)測巷道兩側(cè)與鉆孔四周的孔壁煤體裂隙情況，孔壁煤體裂隙發(fā)育是地應(yīng)力疊加作用的結(jié)果。地質(zhì)歷史時期，煤層經(jīng)過多次構(gòu)造運(yùn)動，產(chǎn)生大量原生裂隙。巷道掘進(jìn)過程中煤層中原巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)圍巖應(yīng)力小于煤體強(qiáng)度時，煤層不發(fā)生破壞并處于彈性狀態(tài)；當(dāng)圍巖應(yīng)力大于煤體強(qiáng)度時，巷道圍巖會產(chǎn)生塑性變形，從巷道周邊向圍巖深處擴(kuò)展，到一定范圍出現(xiàn)塑性變形區(qū)。其次，封孔主要目的是使抽采管路與鉆孔壁形成的空間內(nèi)能夠起到有效的填充和密封作用，并且能滲入鉆孔煤壁的裂隙中，更好地起到嚴(yán)密封堵效果，以及根據(jù)孔壁煤體裂隙特點(diǎn)，可得出封孔材料需要滿足幾個主要的性質(zhì)特征:1、致密性好，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)實(shí)、無微觀孔洞和裂隙。2、強(qiáng)度高，材料受到到較大應(yīng)力作用時不易被壓縮或產(chǎn)生裂隙。3、高膨脹性，能夠高倍地膨脹，在軸向約束下能充滿鉆孔，并產(chǎn)生徑向壓力。4、強(qiáng)滲透性，在煤體內(nèi)容易克服鉆孔周圍裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯壓力、水鎖效應(yīng)的阻擋作用，向鉆孔周圍裂隙內(nèi)逐漸滲透，實(shí)現(xiàn)封堵裂隙效果最大化。最后，運(yùn)用徑向強(qiáng)力膨脹的封孔技術(shù)，在封孔材料兩端設(shè)計(jì)了軸向約束裝置，使封孔材料軸向膨脹受阻，產(chǎn)生很大的徑向壓力，使封孔材料發(fā)生強(qiáng)力徑向膨脹，充分滲入孔壁煤體裂隙內(nèi)，達(dá)到良好的封孔效果。
[0011]本發(fā)明中的前橡膠變形筒體和后橡膠變形筒體均為軟質(zhì)橡膠，受擠壓容易變形。前移動擋板和后移動擋板可受軸向壓力而移動。前移動擋板、后移動擋板、前固定擋板和后固定擋板均為圓環(huán)形，瓦斯抽采管從其中間穿出。且前移動擋板、后移動擋板、前固定擋板和后固定擋板的直徑略小于鉆孔直徑。在前移動擋板和后移動擋板上分別固定有圓環(huán)形的前橡膠墊和后橡膠墊，前橡膠墊和后橡膠墊的直徑略大于鉆孔的直徑，以防聚氨酯流出。
[0012]本發(fā)明采用聚氨酯作為封孔材料對煤礦瓦斯抽采裝置進(jìn)行封孔。由于聚氨酯具有發(fā)泡速度快、粘度大，且凝固之后具有很好的致密性。本發(fā)明能夠很好的約束聚氨酯的軸向膨脹。由于聚氨酯膨脹效果十分明顯，聚氨酯在前固定擋板和后固定擋板被封堵下，自身膨脹可以進(jìn)入劈裂、擴(kuò)展孔壁內(nèi)煤體裂隙，充填孔隙和煤體凹凸面。待聚氨酯充分的徑向膨脹固化后與鉆孔周圍煤體緊密結(jié)合，最終徹底封堵瓦斯裂隙通道。在負(fù)壓抽采下，由于聚氨酯的致密性，可以很好的封堵在鉆孔有效作用半徑區(qū)域內(nèi)的煤層形成大量微觀裂隙、孔隙通道，且不會隨著抽采裂隙進(jìn)一步發(fā)育。
[0013]與之前所使用的封孔法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、根據(jù)煤巖體孔裂隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)、礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、煤礦抽采瓦斯技術(shù)及工藝，結(jié)合RFPA-3D數(shù)值模擬研究結(jié)果，分析和預(yù)測巷道兩側(cè)與鉆孔四周的孔壁煤體裂隙情況，確定巷道兩側(cè)塑性變形區(qū)和鉆孔環(huán)形卸壓圈的范圍。根據(jù)孔壁煤體的裂隙情況及封孔長度應(yīng)不低于孔壁裂隙發(fā)育范圍，確定其封孔長度和封孔深度。越過巷道兩側(cè)發(fā)育的嚴(yán)重煤巖塑性變形區(qū)范圍，僅在鉆孔孔壁裂隙帶封孔，既能提高封孔的效果又能節(jié)約封孔材料。
[0014]2、根據(jù)封孔材料需滿足的主要性質(zhì)特征，可判斷不同封孔材料的封孔效果，有助于選擇更合適的封孔材料，使其能更好地進(jìn)入并封堵住孔壁煤、巖體裂隙，達(dá)到更好的封孔效果。
[0015]3、封孔材料在鉆孔內(nèi)受鉆孔軸向約束，產(chǎn)生徑向壓力，使封孔材料發(fā)生強(qiáng)力徑向膨脹，既能夠保證封孔材料充分滲入孔壁煤、巖體裂隙內(nèi)，取得良好的封堵煤巖裂隙效果，又能保證封孔材料自身的致密性，達(dá)到良好的封孔效果。
[0016]綜上所述，前橡膠變形筒體和后橡膠變形筒體在受到軸向力后徑向變形膨脹，能夠很好對聚氨酯充填煤體的兩端進(jìn)行封堵。聚氨酯在前橡膠變形筒體和后橡膠變形筒體的軸向制約下，可充分的填充瓦斯裂隙通道。并保證聚氨酯的徑向膨脹，徹底封堵瓦斯裂隙通道。本發(fā)明能很好的重填裂隙。在負(fù)壓抽采下，本發(fā)明不會由于抽采而使裂隙進(jìn)一步的發(fā)育。
[0017]本發(fā)明采用的裝置結(jié)構(gòu)簡單，封孔速度快，操作簡便，能使工人很快的熟練。本發(fā)明很好地提高了抽采鉆孔的有效封孔長度，且由于封孔材料的致密性，完全能夠承擔(dān)鉆孔與外界巷道的壓力差，防止巷道內(nèi)空氣通過封孔材料自身可能存在的裂隙進(jìn)入鉆孔內(nèi)。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1中A-A向剖視圖；
圖3為本發(fā)明聚氨酯膨脹封孔后的示意圖；
圖4為圖3中B-B向剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的基于徑向強(qiáng)力膨脹瓦斯抽采封孔方法，包括以下步驟:
(1)、本次試驗(yàn)地點(diǎn)選在鶴壁煤業(yè)集團(tuán)三礦四水平北翼輔助回風(fēng)巷。該區(qū)域?qū)倜号c瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)，平均煤厚6.8m，煤層傾角23°?26° ;鉆孔控制煤層底板標(biāo)高在-580與-620m之間，地面標(biāo)高為+138.8m，埋藏深度718.8m?758