CN112627766A - 一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤层瓦斯抽采领域,涉及一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构及方法,即在割缝封孔的瓦斯抽采钻孔四周施工辅助钻孔,辅助钻孔与瓦斯抽采钻孔封孔段的圆形缝槽相贯通,构成外注补偿式封孔结构。辅助钻孔采用较高压力注浆的方式,逼仄水泥砂浆向缝槽及抽采孔封孔段扩散,达到外注式注浆补偿作用,促进浆液对于孔周裂隙的封堵。注浆时圆形缝槽起到连通作用,水泥砂浆凝固后形成阻隔的挡板,阻隔钻孔的漏气通道。此外,辅助钻孔在一定程度上起到卸压作用,避免封孔段煤体变形影响封孔质量。本发明能够有效的促进封孔浆液对于钻孔周围裂隙的封堵,改善钻孔周围应力分布状态,极大地提升瓦斯抽采钻孔的密封性,强化瓦斯抽采效果。

Description

一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构及方法
技术领域
本发明属于煤层瓦斯抽采领域,涉及一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构及方法。
背景技术
煤层瓦斯作为一种成煤伴生物是诱发煤矿灾害的主要因素,特别是高瓦斯突出矿井占比较大,瓦斯动力灾害事故频发。瓦斯又是一种非常规清洁能源,应用于工业燃料、化工原料等领域。在煤层中施工抽采钻孔是瓦斯治理与利用最主要的方式,可降低煤层发生瓦斯事故危险性,提升煤矿经济效益。
由于钻孔封孔段密封性较差或者封孔注浆不能有效封堵孔周裂隙产生漏气通道,巷道内的空气在钻抽采负压的作用下沿漏气通道进入孔内,空气随瓦斯混入抽采系统导致瓦斯浓度下降。此外,瓦斯抽采钻孔在地应力及瓦斯压力的耦合作用条件下易发生塌孔、孔周煤体离层等现象,影响钻孔封孔效果。由于封孔段存在漏气通道,孔内抽采负压不能得到有效保证,影响瓦斯抽采效率。相关研究表明,若钻孔漏气量较少1/2~1/3,则抽采瓦斯浓度提升1.5~2倍。
煤层瓦斯抽采钻孔受巷道及自身开挖后应力重新分布影响,在钻孔轴向及径向方向上周围产生裂隙漏气圈,封孔的关键是对孔周裂隙的封堵。目前,煤矿普遍采用“两堵一注”式封孔方法,在封孔段采用带压注浆的方式以促进水泥砂浆对孔周裂隙的封堵。但是,由于水泥砂浆颗粒渗透扩散范围有限,不能完全封堵钻孔裂隙漏气圈。封孔深度过长时,影响注浆封孔效果且护孔、固孔作用不明显。因此,需要探索一种高效封堵裂隙、固孔效果较好的封孔方法,以强化瓦斯效果。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构及方法,以解决瓦斯抽采钻孔封孔注浆困难、钻孔漏气等问题,通过施工辅助钻孔进行补偿式注浆提升封孔注浆密封效果,并且在一定程度上减少抽采钻孔周围应力大小,避免因煤体变形产生漏气通道,从而提高钻孔的密封性。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构,包括在煤层内开设的主钻孔,在所述主钻孔的外侧设有若干辅助钻孔,所述辅助钻孔沿所述主钻孔的周向布置;还包括用于连通所述主钻孔与所述辅助钻孔的缝槽。
可选的,在主钻孔内设置抽采管、注浆管、返浆管,在辅助钻孔内设置注浆管。
可选的,在抽采管位于主钻孔内的部分的两端分设前封堵体和后封堵体。
可选的,辅助钻孔内安装注浆管并在孔口位置设置辅孔封堵体。
可选的,所述缝槽设有n条,所述辅助钻孔设有4个,其中,1≤n≤3。
一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔方法,包括如下步骤:
S1施工主钻孔;
S2主钻孔成孔后沿主钻孔周向开设圆形缝槽;
S3沿主钻孔周向施工辅助钻孔,辅助钻孔与主钻孔平行开设且辅助钻孔与缝槽相连通;
S4在主钻孔内布置前封堵体,而后插入注浆管和返浆管;在辅助钻孔内插入注浆管;
S5在主钻孔内布置后封堵体,在辅助钻孔内布置辅孔封堵体。
可选的,根据煤层条件,设计施工参数,其中,封孔深度L、缝槽位置不低于巷道围岩应力塑性区Rp而不超过弹性区Re,即Rp≤L≤Re
可选的,还包括以下步骤:根据煤层条件,设计施工参数,其中,缝槽径向深度H'大于等于钻孔周围煤体弹性区Re',即H'≥Re'。
可选的,还包括以下步骤:根据煤层条件,设计施工参数,其中,辅助钻孔距离钻孔的中心距K大于等于钻孔塑性区Rp'而不超过圆形缝槽径向深度H',即Rp'≤K≤H'。
本发明的有益效果在于:
本发明通过在采用割缝封孔方式的瓦斯抽采钻孔四周施工辅助钻孔,使辅助钻孔与圆形缝槽相贯通。瓦斯抽采钻孔封孔注浆后,再次对辅助钻孔进行较高压力注浆,逼仄水泥砂浆向缝槽及抽采孔扩散,达到注浆封孔补偿作用。水泥砂浆凝固后,缝槽处形成挡板阻隔漏气通道,提高钻孔密封性。另外,辅助钻孔在一定程度上也起到卸压作用,避免钻孔周围煤体变形破坏而造成钻孔漏气。本发明具有较高的现场推广应用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1为本发明方法的封孔方法及结构示意图;
图2为本发明方法的封孔结构剖面示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-图2,附图中的元件标号分别表示:煤层1、钻孔裂隙带2、主钻孔3、缝槽4、辅助钻孔5、抽采管6、前置封堵体7、后置封堵体8、注浆管9、返浆管10、辅孔封堵体11、水泥砂浆12。
本发明中涉及的封孔结构及方法,包括以下步骤:
根据煤层1赋存条件、煤体力学特征参数等基础地质资料,合理布置煤层1主钻孔3,确定合理的封孔深度L、缝槽数量n、缝槽位置及缝槽径向深度H'。依据施工设计参数,施工直径为D的主钻孔3,在钻孔封孔段指定位置切割圆形缝槽4并形成钻孔裂隙带2;
本实施例在某矿8#煤层1施工顺层瓦斯抽采钻孔,设计钻孔布置及封孔施工方案。根据煤层1赋存条件、煤体力学特征参数等基础地质资料,巷道围岩塑性区Rp为4~6m、弹性区Re为6~12m,钻孔周围煤体塑性区Rp'为0.17~0.25m、弹性区Re'为0.25m~0.5m;
确定合理的封孔深度L、缝槽位置应不低于巷道围岩应力塑性区Rp而不超过弹性区Re,即Rp≤L≤Re。防止钻孔封孔受巷道周围破碎区影响产生漏气,此外,缝槽位置布置在巷道塑性区外,避免加剧对钻孔周围煤体的破坏。为了确保缝槽径向深度H'应超过钻孔周围煤体弹性区Re',即H'≥Re',缝槽数量n,即1≤n≤3;
本实施例中,确定封孔深度L为12m、缝槽径向深度H'为0.5m,缝槽数量n为2,缝槽位置分别距孔口7、10m。
距主钻孔3中心K处在钻孔上下左右施工四个直径为d的辅助钻孔5,施工位置应超过钻孔塑性区而不超过圆形缝槽径向深度H',即Rp'≤K≤H'。辅助钻孔深度L'与封孔深度L一致,在煤体内部辅助钻孔5贯穿圆形缝槽4;采用煤电钻施工辅助钻孔5,钻孔直径为42mm;为了使在煤体内部辅助钻孔5贯穿圆形缝槽4,辅助钻孔5与主钻孔3的距离K应当超过钻孔塑性区Rp'而不超过圆形缝槽径向深度H',即Rp'≤K≤H'。
本实施例中,主钻孔3的直径D为113mm,既保证切割缝槽时正常返渣,又可避免孔径过大造成煤体变形影响封孔质量,成孔后在封孔段切割缝槽4。在距离主钻孔3中心0.4~0.45m处使用煤电钻施工四个辅助钻孔5,钻孔直径d为42mm,深度为12m。
将前置封堵体7固定在抽采管6上,送至孔内指定位置。然后分别插入注浆管9和返浆管10,在孔口处布设后置封堵体8。注浆管9与孔外注浆设备相连接,进行注浆封孔;前置封堵体7和后置封堵体8可为聚氨酯封孔材料或者机械式封孔器;以2MPa压力向孔内灌注水泥砂浆12。观察辅助钻孔5及返浆管10出现返浆时,停止注浆。
向辅助钻孔5插入注浆管9,在孔口处布置辅孔封堵体11,向辅助孔钻孔全长注浆;优选的,辅孔封堵体11为聚氨酯材料;以3MPa的压力向辅助钻孔内注浆,逼仄水泥砂浆12向缝槽4及主钻孔3孔内扩散,起到注浆补偿作用。待返浆管10,返浆正常时结束注浆。参照此方式依次对剩余3个辅助钻孔进行全长注浆;观测返浆管10出现返浆时,结束注浆。
待24h后水泥砂浆12凝固,将抽采管6与抽采管路连接进行抽采。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构,其特征在于,包括在煤层内开设的主钻孔,在所述主钻孔的外侧设有若干辅助钻孔,所述辅助钻孔沿所述主钻孔的周向布置;还包括用于连通所述主钻孔与所述辅助钻孔的缝槽。
2.如权利要求1中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构,其特征在于,在主钻孔内设置抽采管、注浆管、返浆管,在辅助钻孔内设置注浆管。
3.如权利要求2中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构,其特征在于,在抽采管位于主钻孔内的部分的两端分设前封堵体和后封堵体。
4.如权利要求2中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构,其特征在于,辅助钻孔内安装注浆管并在孔口位置设置辅孔封堵体。
5.如权利要求1中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔结构,其特征在于,所述缝槽设有n条,所述辅助钻孔设有4个,其中,1≤n≤3。
6.一种瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1施工主钻孔;
S2主钻孔成孔后沿主钻孔周向开设圆形缝槽;
S3沿主钻孔周向施工辅助钻孔,辅助钻孔与主钻孔平行开设且辅助钻孔与缝槽相连通;
S4在主钻孔内布置前封堵体,而后插入注浆管和返浆管;在辅助钻孔内插入注浆管;
S5在主钻孔内布置后封堵体,在辅助钻孔内布置辅孔封堵体。
7.如权利要求6中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔方法,其特征在于,还包括以下步骤:根据煤层条件,设计施工参数,其中,封孔深度L、缝槽位置不低于巷道围岩应力塑性区Rp而不超过弹性区Re,即Rp≤L≤Re
8.如权利要求6中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔方法,其特征在于,还包括以下步骤:根据煤层条件,设计施工参数,其中,缝槽径向深度H'大于等于钻孔周围煤体弹性区Re',即H'≥Re'。
9.如权利要求6中所述的瓦斯抽采钻孔外注补偿式封孔方法,其特征在于,还包括以下步骤:根据煤层条件,设计施工参数,其中,辅助钻孔距离钻孔的中心距K大于等于钻孔塑性区Rp'而不超过圆形缝槽径向深度H',即Rp'≤K≤H'。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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