帶壓注漿封孔工藝在測定煤層瓦斯壓力中的應(yīng)用

公衍偉，解慶雪，鄧素華

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽550000;2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院，貴州貴陽550000)

煤層瓦斯壓力作為礦井中煤層瓦斯的基本參數(shù)，不僅決定著煤層瓦斯含量與涌出量的大小，同時(shí)也是預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的主要參數(shù)之一，其大小直接影響著以此為依據(jù)而制定的瓦斯防治措施的有效性與經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測定，具有重要意義［1］。

1 煤層瓦斯壓力測定方法

1.1 測定方法介紹

以往科研工作者在煤與瓦斯突出預(yù)測方面做了大量的工作，尤其在煤層瓦斯壓力測定方面，對(duì)封孔工藝進(jìn)行了大量的研究，并付諸于實(shí)際應(yīng)用中。目前煤層瓦斯壓力測定的主要測壓方法有間接測壓法和直接測壓法。直接測壓是指在煤層巷道或者巖層巷道向待測煤層打鉆孔，利用封孔裝置將鉆孔封堵，通過瓦斯壓力測量裝置中的壓力表讀出瓦斯壓力［2］。間接測壓法就通過煤層瓦斯的一些特性，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況推算出煤層瓦斯壓力［3］。

直接測定法又分為黏土封孔、水泥砂漿封孔、膠圈黏液封孔以及膠囊黏液封孔等方法［4］。由于黏土封孔方法測定出的瓦斯壓力存在很大的誤差，因此，此方法已經(jīng)很少用于瓦斯壓力的測定。

間接法測定煤層瓦斯壓力分為儀器監(jiān)測法［5］和煤層瓦斯含量推算法［6］。儀器監(jiān)測法是指對(duì)瓦斯壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)，通過發(fā)射裝置將信號(hào)發(fā)射出去，接收裝置將接收到的信號(hào)進(jìn)行處理得到相應(yīng)的瓦斯壓力值。瓦斯含量推算法是指通過現(xiàn)場實(shí)測的瓦斯量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測得的煤層的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算出最終的煤層瓦斯壓力。

1.2 各種封孔方法比較

每種封孔方法由于操作工藝的難易程度以及勞動(dòng)強(qiáng)度的不同都有其適宜的封孔條件，煤層瓦斯壓力測定工作者可以根據(jù)不同的瓦斯地質(zhì)條件以及現(xiàn)場條件選擇不同的測定瓦斯壓力方法。

(1)黏土封孔 優(yōu)點(diǎn)為簡單易行，能夠封堵各種傾角的鉆孔;缺點(diǎn)為勞動(dòng)強(qiáng)度大，很難掌握黏土的軟硬，導(dǎo)致封孔效果不好，目前很少采用此方法進(jìn)行測壓。

(2)水泥砂漿封孔 優(yōu)點(diǎn)為操作簡單，水泥砂漿與鉆孔裂隙有一定程度的結(jié)合，應(yīng)用廣泛;缺點(diǎn)為由于水泥砂漿不帶有壓力，水泥砂漿不能夠很好的與鉆孔中的裂隙進(jìn)行有效地結(jié)合。

(3)膠圈黏液封孔 優(yōu)點(diǎn)為密封瓦斯的性能得到提高，密封材料能夠回收，從而可以進(jìn)行多次煤層瓦斯壓力的測定工作;缺點(diǎn)為膠圈的塑性不是很好，變形范圍有限，不能很好地與鉆孔孔壁接觸，易漏氣，操作相對(duì)較麻煩。

(4)膠囊黏液封孔 優(yōu)點(diǎn)為膠囊能夠與孔壁緊密接觸，密封效果好，該方法能夠有效地控制瓦斯測量室的大小，并能很快地使打鉆破壞的煤層壓力達(dá)到平衡;缺點(diǎn)為膠囊容易從鉆孔中噴出，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員受傷，在鉆孔巖性不穩(wěn)定的條件下，膠囊容易被卡在鉆孔中。

(5)儀器監(jiān)測法 優(yōu)點(diǎn)為具有一定的創(chuàng)新性，封孔簡單，對(duì)工人的技術(shù)要求降低，并可以遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控;缺點(diǎn)為由于井下的復(fù)雜條件可能會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生一定的影響，從而產(chǎn)生一定的誤差。

(6)瓦斯含量推算 優(yōu)點(diǎn)為簡單易操作，在很短的時(shí)間內(nèi)便會(huì)計(jì)算出瓦斯壓力值，通過推算得出的瓦斯壓力值可以作為參考之用;缺點(diǎn)為在推算瓦斯壓力值中，存在一定的誤差。

在實(shí)際的煤層瓦斯壓力測定過程中，應(yīng)用最為廣泛的煤層瓦斯壓力測定方法為水泥砂漿封孔方法。傳統(tǒng)的水泥砂漿封孔工藝為:把測壓管送入孔內(nèi)，送入幾條黏土至擋板處輕輕搗實(shí)，把測壓管固定，送入注漿管與檢查管并在孔口用黏土與木楔固定住。用注漿機(jī)把調(diào)制好的水泥砂漿壓入孔中，當(dāng)檢查管流出砂漿時(shí)，封孔作業(yè)終止。常規(guī)的水泥砂漿封孔工藝中水泥砂漿沒有帶上壓力，當(dāng)檢查管中流漿液的時(shí)候就停止注漿，這樣很容易造成水泥砂漿不能夠很好地跟鉆孔孔壁緊密結(jié)合，從而造成測壓失敗。

2 帶壓注漿封孔工藝

2.1 帶壓注漿封孔工藝過程

帶壓注漿封孔工藝是在傳統(tǒng)的水泥砂漿封孔的基礎(chǔ)上，通過注漿泵向鉆孔的封孔段中注入高壓水泥漿配液，將高壓水泥漿配液壓入到鉆孔孔壁中的裂隙，圖1為帶壓注漿封孔工藝示意。

圖1 帶壓注漿封孔工藝示意

當(dāng)鉆孔施工結(jié)束之后，按照?qǐng)D1利用聚氨酯進(jìn)行封孔，聚氨酯段長度為1～1.5m，當(dāng)封孔結(jié)束后，將注漿機(jī)通過高壓管連接至注漿管，連接好之后進(jìn)行注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2.0MPa時(shí)，停止注漿，并將球閥關(guān)閉。10min左右，如果導(dǎo)氣管內(nèi)沒有水泥漿流出，待水泥凝固后，可以將壓力表連接上，否則封孔失敗。

2.2 帶壓注漿封孔工藝封孔理論分析

帶壓注漿封孔工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的水泥砂漿法，最突出的特點(diǎn)就是在于水泥砂漿能夠帶上壓力，對(duì)鉆孔中的裂隙能夠更好地進(jìn)行封堵。圖2所示為帶壓注漿封孔工藝?yán)碚撃Ｐ汀?/p>

圖2 傳統(tǒng)水泥砂漿工藝與帶壓注漿封孔工藝?yán)碚摲治鰧?duì)比模型

傳統(tǒng)的水泥砂漿封孔工藝為:當(dāng)鉆孔施工結(jié)束后，直接將水泥砂漿倒入到鉆孔或者利用注漿機(jī)將水泥砂漿注入鉆孔。從微觀角度來講，鉆孔在施工過程中由于巖石不穩(wěn)定，施工結(jié)束后鉆孔的孔壁上會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，尤其是在巖石破碎帶施工，在水泥砂漿與這些裂隙接觸時(shí)，水泥砂漿本身具有一定的黏滯力以及水泥砂漿中的微小物體，都會(huì)阻礙水泥砂漿滲透到裂隙中，隨著水泥砂漿的凝固，會(huì)在孔壁上面形成一層水泥砂漿的凝固層，阻礙了水泥砂漿與裂隙的結(jié)合［8］，如圖2中的傳統(tǒng)水泥砂漿封孔理論模型。高壓瓦斯就會(huì)通過“氣 (瓦斯)、液(水泥砂漿)、固(裂隙發(fā)育的孔壁)”交界面泄露到封孔裝置外部。帶壓注漿封孔工藝將水泥砂漿帶上壓力，在聚氨酯封孔段之間的密閉空間，通過注漿機(jī)將帶壓力的水泥砂漿壓入到裂隙中，使水泥砂漿更好地與鉆孔孔壁上面的裂隙進(jìn)行有效地結(jié)合，如圖2中的帶壓注漿封孔工藝?yán)碚撃Ｐ汀?/p>

3 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

3.1 鉆場布置

現(xiàn)場試驗(yàn)選在貴州省某礦，對(duì)該煤礦的M14煤層進(jìn)行現(xiàn)場測壓。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，分別在主石門布置2個(gè)測壓鉆場、在1113運(yùn)輸巷布置1個(gè)測壓鉆場。每個(gè)鉆場分別施工2個(gè)穿層鉆孔，其中一個(gè)測壓鉆孔用帶壓注漿封孔方法封孔，另一個(gè)用傳統(tǒng)水泥砂漿封孔方法封孔［9］。圖3為鉆場布置平面圖。

圖3 瓦斯壓力測定鉆場布置平面

3.2 測壓結(jié)果

經(jīng)觀測1號(hào)鉆場的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 1號(hào)鉆場瓦斯壓力測定數(shù)據(jù)

經(jīng)觀測2號(hào)鉆場的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 2號(hào)鉆場瓦斯壓力測定數(shù)據(jù)

經(jīng)觀測3號(hào)鉆場的數(shù)據(jù)如圖6所示:

圖6 3號(hào)鉆場瓦斯壓力測定數(shù)據(jù)

從圖4至圖6中可以得出，帶壓注漿法的封孔效果比傳統(tǒng)水泥砂漿法好，能夠更好地有效封堵鉆孔中的裂隙，更有利于瓦斯的封存，能夠使測量瓦斯壓力更快、更加接近煤層原始瓦斯壓力，而且對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下特別是巖石比較破碎的環(huán)境下的煤層瓦斯壓力的測定具有更加明顯的效果。

4 結(jié)論

(1)描述了不同測壓封孔工藝的局限性以及適用條件，為不同的地質(zhì)條件下選擇相應(yīng)的封孔方法提供了參考依據(jù)。

(2)通過對(duì)比研究及生產(chǎn)實(shí)踐，在傳統(tǒng)水泥砂漿封孔方法的基礎(chǔ)上，提出了帶壓注漿法測定煤層瓦斯壓力。這種方法不僅操作簡單，而且測得的瓦斯壓力更加地接近原始瓦斯壓力。帶壓注漿法可適用于不同的地質(zhì)條件下的瓦斯壓力的測定，是值得推廣使用的瓦斯壓力測定方法。

(3)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件，特別是在巖石不穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行煤層瓦斯壓力測壓工作，帶壓注漿封孔工藝具有更加明顯的效果。

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