多步分段封孔技術在測量下向測壓孔中的應用

蘇祖來

(淮南礦業(yè)集團張集煤礦,安徽 鳳臺 232174)

多步分段封孔技術在測量下向測壓孔中的應用

蘇祖來

(淮南礦業(yè)集團張集煤礦,安徽 鳳臺 232174)

準確測定煤層瓦斯壓力主要是用高壓注漿方法封堵鉆孔圍巖裂隙,以隔絕鉆孔的封孔段與圍巖裂隙的連通;介紹了用多步分段封孔測壓技術測定較破碎煤層瓦斯壓力,通過對煤層瓦斯壓力的實測及封孔工藝綜合分析,找出了測定煤層瓦斯壓力的較為先進的方法,具有一定的推廣應用價值。

下向孔;煤層;瓦斯壓力;測壓

隨著礦井開采力度的加大及礦井的延深,瓦斯問題越來越凸顯,防治煤與瓦斯突出已經成為煤礦工作者面對的重大難題之一,但由于瓦斯附含在煤體之中,能否準確測定煤層瓦斯壓力是防止煤與瓦斯突出突出等事故的有效手段之一。

目前,瓦斯壓力的測定一般采用直接法,即從巷道向煤層中打鉆孔,然后封孔測定煤層瓦斯壓力。按測壓鉆孔封孔材料的不同,可分為膠囊(膠圈)—密封黏液封孔測壓法和注漿封孔測壓法,但在實際測定過程中,多采用聚氨酯—注漿封孔法,該方法不僅操作簡單、成本較低,并且能夠取得較好的測量效果。在聚氨酯—注漿封孔法中,很多研究者認為下向孔封孔技術一直是測壓技術中的一個難點,因為在水泥漿和水的重力作用下,下向測壓鉆孔封孔時難以形成測壓室。筆者通過大量的現場測壓實踐,逐步完善了一種利用水泥漿和聚氨酯等材料為主的多步分段封孔技術,并在張集礦北區(qū)的多個煤層測壓過程中進行了運用,取得了較好的效果。

1 多步分段封孔技術

1.1 多步分段封孔的意義

由于煤層的特定賦存條件或受采動的影響,使得在測壓過程中測壓管全部被水充滿或者測壓管的測壓氣室與外界導通,最終由于水壓太大而將測壓表損壞或者不能測出煤層瓦斯壓力;或者由于鉆孔周圍有大量裂隙而注漿壓力不夠不能夠將裂隙封堵嚴密致使壓力不集中,造成測壓失敗;同時井下進行施工鉆孔測壓的成本也較高,一旦某個鉆孔作廢而無法測得該處煤層瓦斯參數,不僅給瓦斯治理工作帶來了困難,并且也造成了巨大的人力、財力和時間的損失和浪費,選擇該項封孔技術能夠解決封孔測壓過程中遇到的一些難題。

1.2 多步分段封孔關鍵

測壓是否能夠成功,關鍵的一步是選擇合適的施工地點,除在煤巷中測定本煤層瓦斯壓力外,測定地點應選擇在石門或巖巷中;鉆孔應避開地質構造裂隙帶、巷道的卸壓圈和采動影響范圍;測定煤層原始瓦斯壓力的見煤點應避開地質構造裂隙帶、巷道、采動及抽放等的影響范圍;選擇瓦斯壓力測定地點應保證有足夠的封孔深度;瓦斯壓力測定地點宜選擇在進風系統(tǒng),行人少且便于維護的地方。

1.3 操作步驟

當一個測壓孔施工完成后,將測壓鉆孔內的煤渣及煤粉清理干凈,防止由于煤渣及煤粉的混入造成水泥漿不能充分凝結,以提高密封效果;

封孔前在花管與測壓管的連接處安設一個擋板,與膠絲帶相連接(膠絲帶里放置聚氨酯,要求完好無損,防止聚氨酯流失);測壓管外端 1 000 mm以里側也加設一個擋板,在孔口的注漿、回漿管分別裝設一個高壓閘閥;

由于聚氨酯凝固較為迅速,所以在進行封孔前,一定要將測壓管進行連接(如果巷道較窄可以兩根一組進行連接),為防止注漿管漏氣,可在連接處用生料帶進行纏繞;

對注漿泵進行打壓實驗,看注漿泵能否正常工作;

封孔準備工作完成后,將測壓管和帶有花管連接的封孔器首先插入測壓孔,往膠絲帶注入 3～4對聚氨酯,并迅速塞入孔內,并快速依次連接封孔器中間管,最后安裝前端封孔裝置,同尾端一樣在兩擋板之間綁扎聚氨酯;

待聚氨酯完全反應后,進行第一次注漿:由于第一步注漿是關乎測壓成敗的重要環(huán)節(jié),因此第一步很重要。用注漿泵將配置好的水泥漿通過注漿管進行第一次注漿,根據設計測壓管的長度(長 10 m以上的注漿管第一次注漿 3～5 m。為了防止水泥流入測壓室,在該步漿液在注漿泵壓力允許的情況下盡量稠密;

第二次注漿:經過第一次且水泥凝固后,第一段已經有了抵抗性,因此第二次可以進行加壓注漿(壓力最還在 4MPa以上),進一步將測壓孔周圍的裂隙充填嚴密。當回漿管回漿液時,不要立即停止注漿,此時需要控制注漿量并再次加壓 2～3 min后停止注漿并關閉回漿管閘閥,讓漿液進行自然沉淀,停留2 h后,打開回漿管,再進行補注漿,待回漿管再次回漿后,關閉注漿、回漿管閘閥,注漿完成;

當封孔水泥凝固后(24 h后)安裝孔口測壓裝置,并在表與測壓管接口處涂抹肥皂水,以檢驗氣密性。

如果需要快速測壓,可以通過三通向測壓孔氣室內補償高壓氮氣或二氧化碳,氮氣或二氧化碳壓力達到預計瓦斯壓力以上后關閉閘閥,通過壓力表讀出瓦斯壓力變化情況,如果瓦斯壓力達到平衡(24 h沒有變化),則穩(wěn)定的壓力就是煤層瓦斯壓力,一般 2～3 d就達到穩(wěn)定值,實現快速測壓。

如果不需要快速測壓,在各鉆孔封孔后的前 10 d內,每星期觀測和記錄 2次壓力表讀數及觀測時間,以后每 2～3 d觀測一次。視煤層的瓦斯壓力及透氣性大小的不同,一般需觀測 30 d以上。取記錄的最高壓力為煤層瓦斯壓力。

在安裝瓦斯壓力表前或將其拆下后應測定鉆孔瓦斯流量,并記錄相應時間,以便計算煤層透氣性系數。如圖1所示

圖1 下向孔封孔測壓示意圖

2 應用實例

張集礦北區(qū)經資質單位鑒定,6、8煤為突出煤層,礦井為突出礦井。根據突出危險煤層具備保護層開采的必須開采保護層,不具備保護層開采的,煤巷掘進必須在底(頂)板巷穿層鉆孔條帶區(qū)域預抽掩護下進行,采煤工作面采取順層鉆孔或底(頂)穿層鉆孔預抽消突措施。西二采區(qū) 8煤由于受采深影響,有突出危險性,在西二 8煤層設計 4個測壓孔,并成功的測量出西二 8煤層的瓦斯壓力。見表1。

表1 西二8煤層瓦斯壓力測定值

由圖 2可以看出,煤層瓦斯壓力隨深度的變化關系曲線可得煤層瓦斯壓力與煤層埋藏深度高的擬合線性回歸方程為:

式中 P為煤層瓦斯壓力,MPa;

H為煤層埋藏深度,m。

圖2 瓦斯壓力與煤層埋藏深度的關系曲線

從張集礦北區(qū)西二 8煤層的煤層瓦斯壓力的測定結果來看,煤層瓦斯壓力隨煤層埋藏深度的增加呈線性增大,該線性關系符合礦井實際瓦斯涌出情況和甲烷帶內煤層瓦斯壓力的梯度變化規(guī)律,表明應用多步分段封孔測壓技術應用于測定瓦斯壓力是可行、可靠和成功的。

4 結論

利用多步分段封孔測壓技術,能夠有效地解決圍巖裂隙水進入測壓室或由于注漿壓力不夠而導致測壓室與外界導通,致使不能或不能準確測出煤層瓦斯真實壓力,對于較為破碎煤層瓦斯壓力測定工作具有一定的指導作用;

通過在張集礦北區(qū)西二 8煤及其他地點測量瓦斯壓力表明,應用該技術對不同賦存條件下的煤層都能夠準確測定煤層瓦斯壓力,且操作簡單,實用性強,該項技術具有一定的推廣價值。

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[3]陳大欣.任樓煤礦副井二次注漿加固堵水技術淺析[J].煤炭科學技術,2007,(1):72.

Abstract The high-pressure injection method to isolate the connectivity be tween the sealing section of drilling and rock fracture can accuratelymeasure gas pressure.This article introduces technology ofmulti-step subsealing to measure the gas pressure of the broken seam.Through measuring gas pressure of coalseam and analyzing the hole sealing technology,a more advanced method to measure gas pressure of coalseam has been found,which has certain applied value.

Key words down-direction hole;coalseam;gas pressure;measurement of pressure

Application of the Technology of Multi-step Sub-sealing on Measuring Gas Pressure in Down-direction Holes

SU Zu-lai
(Zhangji Coal Mine of Huainan Mining Group Co.L td.,Fengtai Huainan232174)

TD265.4

B

1671-4733(2010)03-0013-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2010.03.05

2010-08-25

蘇祖來(1977-),男,四川內江人,工程師,從事煤礦安全技術管理工作,電話:13705543006。