底板預注漿堵漏技術(shù)在瓦斯壓力測定中的應用

魏風清，崔益鳴，韓世英，杜曉奇

( 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

底板預注漿堵漏技術(shù)在瓦斯壓力測定中的應用

魏風清，崔益鳴，韓世英，杜曉奇

( 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

[摘要]針對鄭州礦區(qū)煤層底板富水性強、易破碎等特點，提出了一種基于底板預注漿的堵漏防水技術(shù)工藝，對煤層底板進行堵漏加固，防止承壓水和裂隙水進入測壓室，保證測壓結(jié)果的準確性。該技術(shù)工藝包括全程套管二次高壓注漿堵漏和裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏兩種，并分別在趙家寨煤礦和振興二礦進行現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏技術(shù)工藝和全程套管二次高壓注漿堵漏技術(shù)工藝都取得了堵漏防水的效果，各具優(yōu)缺點，建議應用時應根據(jù)礦井概況和現(xiàn)場施工條件來選擇合適的堵漏防水技術(shù)工藝。

[關(guān)鍵詞]底板預注漿；瓦斯壓力測定；全程套管二次高壓注漿；裸孔全孔段分級高壓注漿

煤層瓦斯壓力是預測煤與瓦斯突出危險性的一個重要指標[1]，準確獲取煤層瓦斯壓力是有效開展瓦斯預測和防治工作的重要技術(shù)保障[2]。我國目前廣泛采用的測壓工藝主要有水泥砂漿封孔測壓法、膠囊(圈)-壓力黏液封孔測壓法、黏土測壓法等。上述這些測壓方法在煤巖層穩(wěn)定、構(gòu)造不發(fā)育、無水的條件下取得了較好測壓效果[3-6]，當鉆孔穿越含水層而沒有進行及時堵漏或沒能成功堵漏時，含水層內(nèi)的水通過煤巖裂隙進入到測壓鉆孔，此時測壓管所測壓力為鉆孔內(nèi)水與瓦斯平衡狀態(tài)下共同作用的壓力，而非煤層瓦斯壓力[7]，而且由于不清楚與鉆孔溝通含水層的確切位置，在封孔后、壓力平衡時，確定鉆孔內(nèi)的靜水壓力值是極其困難的[8-9]，所以穿含水層鉆孔的煤層瓦斯壓力測定仍然是一個難題[10]。

針對上述問題，提出了一種底板預注漿堵漏防水技術(shù)結(jié)合高低位雙管測壓兩堵一注式封孔測壓的工藝。局部預注漿堵漏防水主要是在測壓鉆孔施工前沿設計測壓鉆孔的方向打直徑稍大于測壓鉆孔直徑的預注漿孔，通過預注漿孔或套管內(nèi)部使封孔漿液在高壓驅(qū)使下進入鉆孔周圍裂隙中，以起到局部堵漏的效果。本文介紹的局部注漿堵漏防水技術(shù)包括全程套管二次高壓注漿堵漏和裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏兩種工藝，并分別在鄭州礦區(qū)的趙家寨煤礦14運輸上山1號、4號測壓鉆孔和振興二礦1號、5號測壓鉆孔施工前應用。

1全程套管二次高壓注漿堵漏工藝

1.1基本原理

全程套管二次高壓注漿堵漏工藝基本原理是利用套管對鉆孔松軟、易破碎、易垮落含水圍巖段進行支固，然后使封孔漿液在高壓驅(qū)使下進入鉆孔周圍裂隙中，高壓注漿充填含水層的含水、裂隙空間，改變含水層的賦水性，使鉆孔周圍一定范圍內(nèi)含水層變?yōu)楦羲畬?，同時改變圍巖松軟特性、加固圍巖，并在鉆孔周圍形成具有一定厚度的穩(wěn)固水泥圍巖，有效隔離空隙、圍巖、水對測壓結(jié)果的影響，保證測壓結(jié)果的準確性。

1.2技術(shù)工藝

(1)施工φ113mm鉆孔。選好開孔位置后，選用φ113mm鉆頭鉆進至煤層0.5m至1m處停止，退出鉆桿。

(2)安裝全程套管。將孔內(nèi)碎渣掃凈，全程下入帶法蘭盤的φ108mm套管，使套管下端超出孔口30mm為宜，在距套管口5m處開4～6個φ20mm的孔眼，在套管和孔壁之間下入2m直徑12.7mm的鋁塑管，并用木楔、棉紗、快干水泥把套管固定好。

(3)一次固定全程套管注漿。為使全程套管能夠經(jīng)受二次注漿的高壓力，通過注漿泵對套管與孔壁之間進行注漿，當漿液從套管花眼流出時，停止注漿，完成第一次注漿。

(4)二次高壓堵漏注漿。待水泥漿液凝固48h后，蓋上帶注漿管的法蘭盤，進行二次高壓注漿，注漿壓力不低于7MPa，此時選用水∶水泥的比例為1.5∶1，此后通過耐壓試驗對注漿堵漏效果進行檢驗。

(5)二次透孔穿煤。待水泥漿充分凝固24h后，局部預注漿堵漏完畢，選取合適的測壓方式，封孔測壓。全程套管二次高壓注漿堵漏示意圖如圖1、圖2所示。

圖1　一次固定全程套管注漿

圖2　二次高壓注漿堵漏

2裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏工藝

2.1基本原理

該工藝的原理同樣是注漿液在高壓驅(qū)使下進入鉆孔周圍裂隙，以達到封堵裂隙、加固鉆孔周圍圍巖的目的，只是該工藝在具體實施過程中與全程套管二次高壓注漿堵漏工藝有所不同，該工藝在注漿過程中選擇一次分級高壓注漿，注漿一次完成，大大節(jié)約了施工耗時。

2.2技術(shù)工藝

(1)按照鉆孔設計參數(shù)選好開孔位置后，選用φ133mm鉆頭鉆進至距煤層0.5m處停止，退出鉆桿并將孔內(nèi)碎渣掃凈。

(2)將1根直徑12.7mm的返漿管插入鉆孔頂端，并插入1根長2m的注漿管，用毛巾、聚氨酯、木楔等將注漿管和返漿管在孔口固定牢靠。

(3)根據(jù)鉆孔參數(shù)和容積估算出注漿量，按比例配制好水泥漿液，連接注漿泵，打開閥門進行注漿。

(4)在注漿過程中，觀測返漿管的返漿情況。當返漿管返漿后，立即關(guān)閉返漿管閥門。

(5)關(guān)閉返漿管閥門后，繼續(xù)注漿，并保持注漿壓力4MPa連續(xù)注漿不少于30min。然后關(guān)閉注漿閥門，停止注漿，凝固24h。裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏工藝示意圖如圖3所示。

圖3　裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏工藝示意

3現(xiàn)場應用

鄭州礦區(qū)主要水害水源統(tǒng)計資料表明，煤層底板薄層灰?guī)r含水層突水是目前該礦區(qū)的主要突水水源，因而在瓦斯壓力測定過程中，經(jīng)常出現(xiàn)測壓鉆孔水量較大的情況，隨著礦井開采水平深度的增大，煤層底板奧灰～寒灰厚層灰?guī)r含水層的突水情況也愈發(fā)嚴重。根據(jù)鄭州礦區(qū)水害的具體特點，為了對測壓區(qū)域煤層底板含水層進行注漿改造，現(xiàn)場在趙家寨煤礦采用全程套管二次高壓注漿堵漏工藝，振興二礦采用裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏工藝對煤層底板進行人工堵漏加固。

3.1測壓區(qū)概況及測壓點布置

(1)趙家寨煤礦趙家寨煤礦二1煤層賦存于山西組下部，煤厚0～21.75m，平均5.50m，煤層厚度有一定變化，屬較穩(wěn)定的中厚～厚煤層。主要含水層為石炭系太原組上段(C3tL7-8)灰?guī)r巖溶裂隙承壓水含水層，該層主要有L7，L8兩層厚層狀、隱晶結(jié)構(gòu)灰?guī)r組成；主要隔水層為二1煤層底板砂泥巖隔水層，距本區(qū)揭露該層厚度1.61～43.82m，平均厚10.96m，該層有一定的隔水作用。隔水層厚度小于5m以及斷裂破碎之處會造成底板突水可能。

基于對新鄭煤電公司內(nèi)可采煤層賦存特征、水文地質(zhì)條件分析及測壓要求，決定將測壓點布置在14運輸上山距16號鉆場以東10m(1號)、60m(4號)，鉆孔施工之前進行全程套管二次高壓注漿堵漏。

(2)振興二礦振興二礦二1煤層在井田范圍的厚度變化不大，井田北部煤層厚度平均為5.47 m，南部有變薄趨勢，煤層厚度平均為 2.49 m，煤層最薄處厚度為 0.6 m，總體屬于較穩(wěn)定煤層。該礦井含水層主要為太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，由太原組上段灰?guī)r組成，根據(jù)礦方提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)，L7和 L8灰?guī)r水位標高目前為+55 m，表明含水層巖石含水性、富水性極不均一，為二1煤層底板直接充水含水層。

振興二礦將裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏測試測壓1號、5號鉆孔布置在11131工作面底抽巷硐室內(nèi)，鉆孔施工之前進行裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏。

3.2瓦斯壓力測定工藝

對于上行鉆孔，為了避免因堵漏效果不佳而造成測壓鉆孔內(nèi)充水導致測壓失敗，提出了高低位雙管測壓技術(shù)工藝，在局部底板預注漿堵漏防水的作用下，該技術(shù)工藝對最終測壓結(jié)果的準確性提供了雙重保障作用。

該技術(shù)工藝的基本原理為：高低位雙管測壓是在測壓鉆孔內(nèi)布置2根測壓管，高位管緊頂測壓氣室頂部，低位管比高位管低2～3m，高低位測壓管外均安裝好壓力表，并在低位測壓管外接配套的放水裝置或閥門進行水壓釋放，最后根據(jù)高低位測壓管的含水情況和壓力表讀數(shù)確定煤層瓦斯壓力。該測壓體系能夠有效排除鉆孔含水、塌孔等現(xiàn)象對測壓準確性的干擾，以達到準確測壓的效果。雙管測壓原理示意圖如圖4所示。

圖4　雙管測壓原理示意

3.3應用結(jié)果分析比較

瓦斯壓力測定過程中對每個鉆孔進行動態(tài)觀測，并記錄各鉆孔高低位管壓力表數(shù)值以及集水罐的含水量，各鉆孔含水情況及瓦斯壓力測定結(jié)果見表1。

表1　瓦斯壓力測定鉆孔參數(shù)及測試結(jié)果

趙家寨1號測壓鉆孔經(jīng)過近1個月觀察其高低位管均未上壓，低位管內(nèi)不含水，究其原因發(fā)現(xiàn)距離測壓孔最近的抽采鉆孔見煤點與測壓孔見煤點之間的距離不足30m，不符合測壓地點基本條件指標相關(guān)要求，評價結(jié)果為不合格，其余鉆孔經(jīng)評價結(jié)果合格。

4結(jié)論

(1)通過在趙家寨1號、4號測壓鉆孔的現(xiàn)場測壓試驗效果來看，4號測壓孔內(nèi)出現(xiàn)含水情況，但含水量較少，由此可見，全程套管二次高壓注漿堵漏工藝起到不錯的防水效果。

(2)在施工過程中可以發(fā)現(xiàn)由于套管高壓注漿工藝需要下入全程大直徑套管，提高了測壓成本，固定套管所采取的一次注漿、二次高壓注漿凝固需等待48h以上，拖延了施工進度。

(3)振興二礦采取裸孔全孔段分級高壓預注漿工藝進行堵漏防水，根據(jù)振興二礦現(xiàn)場試驗1號、5號2個測壓孔，5號測壓孔不含水，1號測壓孔含水量稍大，該工藝在節(jié)省材料成本的同時，分級注漿一次完成，大大減少了施工耗時。

(4)利用高低位雙管測壓技術(shù)工藝可以有效排除鉆孔內(nèi)水壓對瓦斯壓力的影響，為準確獲得煤層瓦斯壓力值提供了強有力的技術(shù)保障。

(5)由于時間限制，施工的測試鉆孔數(shù)量有限，可能導致對這一理論的說服力不夠，還需要大量的實驗數(shù)據(jù)對此結(jié)論加以論證。

綜上，通過對全程套管二次高壓注漿堵漏工藝和裸孔全孔段分級高壓注漿堵漏工藝的綜合對比分析，兩種底板預注漿堵漏工藝都起到了一定的防水效果，也都具有優(yōu)缺點，應用時需要根據(jù)實際地質(zhì)

構(gòu)造和現(xiàn)場施工條件來選擇合適的堵漏工藝。

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[責任編輯：施紅霞]

Application of Floor Pre-grouting Plugging Technique in Gas Pressure Measurement

[收稿日期]2015-10-10[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.032

[作者簡介]魏風清( 1966-)，男，河南新鄉(xiāng)人，教授級高級工程師，從事瓦斯地質(zhì)研究工作。

[中圖分類號]TD712.3

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0122-03

[引用格式]魏風清，崔益鳴，韓世英，等.底板預注漿堵漏技術(shù)在瓦斯壓力測定中的應用[J].煤礦開采，2016，21(3)：122-124，138.