下行超深鉆孔快速測定煤層瓦斯壓力技術＊

蔣承林 王智立 崔正中 李曉偉

（1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；3.中煤平朔集團有限責任公司井工二礦，山西省朔州市，036006）

下行超深鉆孔快速測定煤層瓦斯壓力技術＊

蔣承林1，2王智立2崔正中3李曉偉1，2

（1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；3.中煤平朔集團有限責任公司井工二礦，山西省朔州市，036006）

通過對下行孔測壓的封孔方式分析研究，研制出一套用于下行超深鉆孔測壓的瓦斯壓力測定儀。分析了下行孔測壓儀的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，在實驗室對密封裝置的各個部件進行檢漏試驗，證明了該封孔裝置具有良好的密封效果。在花秋二礦采用下行孔測壓儀進行了煤層瓦斯壓力測定研究，提出一種采用高壓注漿結(jié)合下行孔測壓儀的技術方法。

瓦斯壓力測定 下行超深鉆孔 下行孔測壓儀 高壓注漿

目前，測定煤層瓦斯壓力最主要的方法是通過在井下施工測壓鉆孔來完成瓦斯壓力測定，但是測壓鉆孔的施工和密封受多種因素的影響，其中下行鉆孔特別是下行超深鉆孔成孔質(zhì)量和封孔效果難以保證，從而導致測壓成功率較低?，F(xiàn)場盡可能采用成孔率較高的上向孔，但由于巷道布置或影響生產(chǎn)等原因，有時不具備上行孔測壓的條件，因此研究在下行超深鉆孔條件下快速測定煤層瓦斯壓力技術是十分必要的。

1 下行孔測定煤層瓦斯壓力技術現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外在下行孔封孔中常用水泥砂漿封孔法、膠囊壓力粘液封孔器法和高壓注漿-膠囊壓力粘液封孔器法。一般情況下，水泥砂漿封孔方法主要針對煤層周圍沒有地質(zhì)構(gòu)造、巖層穩(wěn)定且無淋水的情況，其適用性強、成本低、操作簡單、封孔深度長、密封性好，在下行孔封孔中應用廣泛。但該方法存在應用的局限性：在復雜地質(zhì)條件下難以完全封堵鉆孔周邊巖體裂隙，密封性達不到要求，測出的瓦斯壓力值往往低于真實的煤體瓦斯壓力；在下行孔封孔中，尤其是在下行超深孔封孔過程中，水泥漿液和水在重力作用下，容易流入測壓室，堵塞花眼，造成測壓失??；注入水泥漿后，必須要等到水泥漿液充分凝固后才能安裝壓力表，增加了鉆孔的暴露時間及瓦斯泄漏量，勢必會增加瓦斯壓力上升的平衡時間。

膠囊壓力黏液封孔器測壓法在堅硬且致密的巖石里測瓦斯壓力效果比較好，封孔器可以重復使用。缺點是該封孔器操作較為復雜，若操作不當容易從鉆孔中推出傷人，具有一定的危險性；在松軟巖層或煤層測壓時容易出現(xiàn)塌孔，膠囊會被埋入鉆孔中，回收困難，從而導致測壓成本增加；隨著封孔深度的增加，無法保證設備和測壓人員的安全性，因此該測壓法并不適用于復雜地質(zhì)條件下的下行超深孔封孔。

高壓注漿—膠囊壓力粘液封孔器測壓法經(jīng)過高壓注漿處理巖層后，適用于各種復雜地質(zhì)條件下的快速測壓，但是在超深孔測壓中，由于其封孔深度小，造成測壓室過大，導致瓦斯壓力上升的平衡時間過長。

2 下行孔測壓儀的研制及密封性檢測

2.1 下行孔測壓儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研制的下行孔測壓儀是由ZF-A45膨脹膠囊、無縫鋼管、前端接頭及后端接頭等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測壓儀結(jié)構(gòu)圖

該測壓儀工作原理是將測壓封孔裝置經(jīng)連接的四分管放置在鉆孔底部 （留有1 m左右的測壓室），利用壓水泵將水壓入可膨脹膠囊中，使得膠囊膨脹封住鉆孔，膨脹了的膠囊將測壓孔阻隔為測壓室和封孔段兩部分，然后往鉆孔內(nèi)灌滿水泥漿液，接上壓力表，即完成封孔。下行孔測壓儀測壓原理如圖2所示。

2.2 測壓儀密封性效果檢測

測壓儀在測壓中的作用是注水膨脹后與鉆孔壁貼緊，一方面阻止瓦斯通過裂隙向外界泄漏，另一方面是阻止灌入的水泥漿液流入測壓室。向膠囊內(nèi)部注入高壓水 （高壓水的作用是使其膨脹），注入的高壓水在膠囊和無縫鋼管之間不發(fā)生泄漏，為了達到密封壓力水的要求，在后部接頭里面加了O型密封圈，前端接頭與無縫鋼管和ZF-A45膨脹膠囊連接時纏上生料帶，這樣就堵死了高壓水在測壓儀內(nèi)的泄漏通道，保證了測壓儀的膨脹性一直保持不變，直至水泥漿液凝固。

圖2 下行孔測壓儀測壓原理圖

因膠囊與鋼管的濕摩擦系數(shù)小于膠囊與巖層鉆孔的濕摩擦系數(shù)，所以可以用鋼管模擬現(xiàn)場的巖層鉆孔，根據(jù)現(xiàn)場情況注水壓力在3～5 MPa，因此在試驗室進行測壓儀端頭的密實性試驗時，保證測壓儀內(nèi)的水壓不小于5～8 MPa。測壓儀膨脹后不僅可以完全密封鉆孔，而且阻止水泥漿液流入測壓室。試驗室的檢漏結(jié)果證明，下行孔測壓儀各個部件具有很好的密實性，完全能夠符合現(xiàn)場使用的要求。

3 新技術在花秋二礦的應用試驗

3.1 測壓鉆孔設計

根據(jù)花秋二礦目前的巷道情況和井下施工條件，將1＃、2＃測壓鉆孔布置在550水平西大巷掘進頭，3＃、4＃測壓鉆孔布置在550水平東大巷上山掘進頭，其中1＃、2＃測壓孔完成對比試驗一，比較下行孔測壓儀與膠囊—壓力粘液封孔器在下行超深鉆孔測壓中的測壓效果；3＃、4＃測壓孔完成對比試驗二，比較下行孔測壓儀與水泥砂漿封孔法在下行超深鉆孔測壓中的測壓效果。鉆孔設計參數(shù)見表1。

表1 花秋二礦16＃煤層1?！?＃鉆孔設計參數(shù)表

3.2 下行孔測壓儀測壓

3.2.1 鉆孔高壓注漿——注漿封孔器法

目前通常使用孔口管來封堵高壓水泥漿液進行鉆孔高壓注漿，但固定孔口管操作工序復雜，耽誤工程進度，也存在很多不安全因素。本試驗采用注漿封孔器進行鉆孔高壓注漿。

用直徑75 mm的鉆頭按照符合設計要求的鉆孔參數(shù)開鉆打孔，見煤立即停鉆，壓風清孔，清除孔內(nèi)積留的水；將封孔器放入打好的鉆孔，封孔器的膠囊放入孔內(nèi)即可，接好壓水泵，往膠囊注入高壓水，使之膨脹密封住鉆孔，待穩(wěn)定10 min后關掉壓水泵的泄壓閥；連接注漿泵和封孔器后端的鋼管，高壓注入準備好的水泥漿液 （水泥漿配比為水∶水泥=0.75∶1）；待注漿壓力達到12 MPa后，停止注漿 （停止注漿后，單向閥的作用可以阻止注入鉆孔內(nèi)的高壓水泥漿液回流到注漿管路），沖洗注漿機注漿管路；注漿過程中要派專人觀察注漿壓力，以防壓力過高；待漿液達到半凝固狀態(tài)時，將封孔器拔出 （只有當漿液是半凝固狀態(tài)時才可以拔出注漿封孔器，過早拔出，漿液沒有達到半凝固狀態(tài)，在高壓下容易流出，影響注漿效果；過晚拔出，漿液充分凝固，注漿封孔器難以拔出）；最后沖洗注漿封孔器表面以及鋼管內(nèi)部和單向閥，避免水泥漿液凝固堵塞而影響下次使用。

3.2.2 測壓儀封孔步驟

（1）沿上述高壓注漿孔施工，直到見煤并鉆入煤層中約0.8 m停止，不要入煤層太深，這樣可以減少打鉆期間的瓦斯泄漏量。

（2）測壓鉆孔打好后換壓風進行清孔，將測壓儀放入鉆孔中指定位置。

（3）將下行孔測壓儀連接好水管和四分管，放入鉆孔中，直到接近煤層位置，瓦斯室長度保持在1～2 m。

（4）將連接測壓儀的水管接上水壓泵，向測壓儀中注入壓力水，使膠囊膨脹密封鉆孔，穩(wěn)定一段時間后向鉆孔中倒入提前準備好的水泥漿液，直到注滿整個鉆孔，水泥漿完全凝固后可關閉連接水管和水泵的單向閥，撤去水泵。

（5）安裝好壓力表，觀察數(shù)據(jù)，穩(wěn)定后即可得出煤層瓦斯壓力。

3.3 測壓結(jié)果分析

1＃、2＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線如圖3所示，3＃、4＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線如圖4所示。通過在花秋二礦完成的兩組對比試驗，結(jié)合瓦斯壓力數(shù)據(jù)和對應的變化曲線，以及以往現(xiàn)場使用膠囊-壓力粘液封孔器和水泥砂漿封孔法測定煤層瓦斯壓力的經(jīng)驗，主要從安全性、密封性、可靠性來分析下行孔測壓儀在下行超深鉆孔測壓中的應用情況。

3.3.1 安全性

（1）設備方面。由于下行孔測壓儀是一次性的，測壓結(jié)束后不用回收測壓儀。使用膠囊-壓力粘液封孔器封孔，往往設備卡在鉆孔中，無法回收，尤其是在下行孔測壓時，回收更加困難。

（2）人員方面。使用膠囊-壓力粘液封孔器封孔，測壓結(jié)束后，如測壓人員回收測壓設備不當，容易被測壓室內(nèi)積聚的高壓瓦斯沖出的封孔器打傷，而使用下行孔測壓儀，排除了以往測壓人員在回收封孔器時存在的安全隱患。

圖3 1＃、2＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線

3.3.2 密封性

（1）一次密封。下行孔測壓儀深入到待測煤層后，通過連接測壓儀的水管向膠囊注水，膠囊膨脹密封鉆孔后即可安裝壓力表，而不必等到水泥漿液凝固，減少鉆孔暴露時間，縮短瓦斯壓力平衡時間，提高測壓速率。從對比試驗二可以看出，使用水泥砂漿封孔法要等到水泥砂漿凝固后才可以安裝壓力表，增加了瓦斯壓力的平衡時間。

圖4 3＃、4＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線

（2）二次密封。待膠囊膨脹后，向儀器后端的鉆孔中倒?jié)M水泥漿，水泥漿凝固后二次密封鉆孔。

3.3.3 可靠性

使用膠囊-壓力粘液封孔器測壓需要在測壓期間維持膠囊水壓和粘液壓力來保證封孔效果。而使用下行孔測壓儀測壓在水泥漿液凝固后，就不再需要維持測壓儀的水壓，靠水泥漿液就可密封鉆孔，避免了膠囊壓力和粘液壓力下降導致測壓室與外界貫通從而導致測壓失敗的可能性，提高了測壓系統(tǒng)的可靠性。

下行孔測壓儀方法使用膨脹膠囊隔離測壓室，成功率高，而在水泥砂漿封孔法中，靠擋板和棉絮來分隔水泥漿液，操作復雜，成功率低。

4 結(jié)論

（1）提出在復雜地質(zhì)條件下測壓，必須用高壓注漿進行地層處理，以此來改善鉆孔圍巖環(huán)境，研制了新型注漿封孔器。

（2）分析了下行孔測壓儀的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，通過試驗對密封裝置的各個部件進行檢漏試驗，證明了該封孔裝置具有良好的密封效果。

（3）下行孔測壓儀、膠囊-壓力粘液封孔器以及水泥砂漿封孔法3種不同封孔方法在花秋二礦進行煤層瓦斯壓力測定表明，下行孔測壓儀在下行超深鉆孔測壓中，封孔方便，操作簡單，提高了整體效率和測壓準確性，從安全性、密封性、可靠性的角度都值得推廣使用。

［1］孟凡龍，蔣承林等 .煤層瓦斯測壓中注漿封堵鉆孔圍巖裂隙的分析 ［J］.煤礦安全，2010（1）

［2］高亞斌，林柏泉等 .新型耐高壓鉆孔密封方法試驗研究 ［J］.中國煤炭，2013（2）

［3］王法凱，蔣承林等 .圍巖含水條件下快速測壓工藝［J］.煤礦現(xiàn)代化，2010 （2）

［4］趙志法，張慶華等 .下向穿松軟煤層涌水鉆孔測壓技術研究 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008（5）

［5］俞啟香 .礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1993

［6］翟果紅，蔣承林等 .基于高壓注漿與膠囊壓力黏液封孔技術的瓦斯測壓 ［J］.煤炭科學技術，2010（5）

［7］黃旭超，何清等 .復雜地質(zhì)條件下測壓鉆孔的幾種封孔工藝 ［J］.能源技術及管理，2009（1）

Fast gas measuring technique for downward ultra deep boreholes

Jiang Chenglin1，2，Wang Zhili2，Cui Zhengzhong3，Li Xiaowei1，2
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.No.2 Mine，China Coal Pingshuo Group Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036006，China）

On the basis of research on downward borehole sealing for pressure measurement，a set of gas pressure instrument suitable for downward ultra deep boreholes was developed.Its structural composition and operating principle were analyzed.It is proved that the sealing device possesses good sealing effect after leak tests for different parts.This pressure instrument for downward boreholes was applied to Huaqiu Second Mine to measure the coal seam gas pressure.Meanwhile，the gas measuring technique combined with pressure instrument for downward borehole and grouting under high pressure was proposed.

measurement of gas pressure，downward ultra deep boreholes，piezometer for downward boreholes，grouting under high pressure

TD712.55

A

中國礦業(yè)大學青年科技基金資助項目（2009A004）

蔣承林 （1956-），男，安徽黃山市人，中國礦業(yè)大學教授，博士生導師，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。

（責任編輯 張艷華）