張永俊，李寶富，王 冰

(1．古交市煤炭工業(yè)局，山西 古交 030200;2．河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

·試驗(yàn)研究·

下行孔瓦斯測(cè)壓注漿封孔工藝的改進(jìn)

張永俊1，李寶富2，王 冰2

(1．古交市煤炭工業(yè)局，山西 古交 030200;2．河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

煤層瓦斯壓力是指瓦斯氣體在煤層中所呈現(xiàn)的壓力，是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的一項(xiàng)重要指標(biāo)。準(zhǔn)確測(cè)出煤層瓦斯壓力，進(jìn)而預(yù)測(cè)瓦斯含量是有效治理瓦斯涌出異常及煤與瓦斯突出的基礎(chǔ)。分析了常規(guī)注漿工藝及封孔器封孔在下行孔瓦斯測(cè)壓中存在的缺陷，提出了改進(jìn)措施，并在山西東輝集團(tuán)趙家山煤業(yè)有限公司瓦斯測(cè)壓中投入試用，取得了良好的效果。

瓦斯測(cè)壓;下行孔;注漿封孔;含水層

目前，常見的直接法瓦斯測(cè)壓封孔工藝主要分為兩大類:注漿封孔和封孔器封孔［1］。注漿封孔相對(duì)封孔器封孔最大的優(yōu)勢(shì)就是其測(cè)壓成本低，操作簡(jiǎn)便，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求不高。但下行孔瓦斯測(cè)壓封孔有一定的特殊性，尤其是在鉆孔穿過有含水層巖層時(shí)，由于不能將水完全排出，無法使用聚氨酯發(fā)泡，只能采用注漿法封孔。不過仍存在一個(gè)問題，如果按照425號(hào)水泥的常規(guī)水灰比1∶2拌漿，將大大延遲水泥的凝固，造成封孔失敗，鑒于該問題，筆者針對(duì)下行孔將瓦斯測(cè)壓注漿封孔工藝做了一定的改進(jìn)。

1 封孔工藝介紹

1．1 常規(guī)注漿封孔

最初的瓦斯測(cè)壓封孔是采用黃泥人工封填，其材料簡(jiǎn)單，但封孔長度常受到限制，并要求鉆孔內(nèi)無殘留水，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且對(duì)操作要求較高［3］，需對(duì)其技術(shù)人員進(jìn)行提前培訓(xùn)，現(xiàn)已被淘汰。在此后出現(xiàn)了常規(guī)注漿封孔，采用微膨脹水泥與水拌漿封堵，使用d20塑膠管作為導(dǎo)氣管，對(duì)技術(shù)要求相對(duì)較低，而且封孔長度也有很大提高，封孔效果較好。但對(duì)于下行孔而言，常規(guī)注漿法對(duì)測(cè)壓室的大小不易控制，極易造成水泥漿流入測(cè)壓室，擁堵測(cè)壓預(yù)留孔致使測(cè)壓失敗。

1．2 膠囊—壓力黏液封孔

膠囊—壓力黏液封孔測(cè)定煤層瓦斯壓力技術(shù)是由中國礦業(yè)大學(xué)周世寧教授最先提出并應(yīng)用的［4］。其基本思路是利用固體封液體，液體封氣體。采用2個(gè)膠囊封孔，并在2個(gè)膠囊之間充入具有一定壓力的黏液，黏液壓力略高于預(yù)計(jì)的瓦斯壓力。黏液在壓力作用下滲入鉆孔周邊裂隙，杜絕了瓦斯的泄漏，從而使測(cè)出的瓦斯壓力值等于真實(shí)的煤層瓦斯壓力。

采用此法封孔壓力黏液可滲入封孔段巖(煤)體裂隙，增大密封效果［5］，具有封孔工藝簡(jiǎn)單、便捷、封孔器可以重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格較高，且在實(shí)際應(yīng)用中存在一定局限性，僅適用于松軟巖層或煤巷瓦斯壓力測(cè)定。在下行孔情況下，多數(shù)是需穿透底板巖層測(cè)量下一分層煤層瓦斯壓力，采用封孔器封孔，當(dāng)黏液壓力過大時(shí)，加之黏液及封孔器自重，極易使測(cè)壓室達(dá)不到預(yù)先設(shè)計(jì)的大小;由于孔內(nèi)有水存在，預(yù)配黏液被稀釋，其壓力也難以保障。

1．3 水泥砂漿—聚氨酯泡沫復(fù)合封孔

復(fù)合封孔是指在測(cè)壓室端部及孔口采用聚氨酯封堵，中段注漿［6］，所采用的導(dǎo)氣管有剛性管和塑膠管兩種，該法既克服了水泥注漿法對(duì)測(cè)壓室大小不易控制的缺陷，而且相比封孔器大大節(jié)約了成本，實(shí)際測(cè)壓效果也較好，目前應(yīng)用較為廣泛。

但在下行孔測(cè)壓時(shí)往往無法將水完全抽出，尤其在所穿巖層遇含水層的情況下，更不可能將水清理干凈。由于水的存在，無法使用聚氨酯混合發(fā)泡，水泥拌漿極易流入測(cè)壓室，堵塞預(yù)留測(cè)壓孔，甚至將測(cè)壓室完全填實(shí);同時(shí)，鉆孔內(nèi)的水也破壞了拌漿的原有水灰比，致使凝固過慢而封孔失敗。

2 改進(jìn)后的封孔工藝

綜合以上各工藝優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)下行孔遇含水層的情況，在原有砂漿封孔的基礎(chǔ)上，筆者提出了改進(jìn)工藝?；舅悸?借鑒黃泥封孔經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整水灰比;在底部使用d20剛性管以支撐上部重量，達(dá)到控制封孔長度的目的;中部及上部采用d20塑膠管，以減輕上部重量，并降低了封孔成本;為解決孔中積水問題，借鑒黃泥封孔，將水泥漿換成較為干燥的水泥條。具體步驟如下:

1)測(cè)壓地點(diǎn)的選擇要具有代表性，最好在距離待測(cè)壓煤層一定距離且?guī)r性致密無裂隙斷層的巖巷，并避開采動(dòng)、瓦斯抽采及其它人為因素影響范圍。

2)在選定的測(cè)壓地點(diǎn)打孔，鉆孔直徑不小于60 mm，成孔后用風(fēng)掃孔，將鉆孔內(nèi)煤渣及煤泥清理出來，以防止煤渣煤泥等影響封孔的密實(shí)性。

3)在剛性管(根據(jù)煤層厚度采用合適長度)上均勻地打上d4 mm的小孔，并用鐵紗窗將其包裹;在剛性管上端部固定一直徑略小于鉆孔的鐵質(zhì)擋板，用轉(zhuǎn)接頭與塑膠管相連后緩緩放入鉆孔內(nèi)。視具體情況，若要更好地提高對(duì)測(cè)壓室的控制，可緊貼鐵質(zhì)擋板，在塑膠管上纏繞2條廢舊毛巾等物，以阻擋水泥條沿?fù)醢逋@孔間的縫隙進(jìn)入測(cè)壓室。具體連接見圖1。

圖1 封孔連接示意圖

4)待剛性管被送達(dá)鉆孔底部后，將水和水泥按一定配比預(yù)先制成的較為干燥水泥條，填入孔內(nèi)，至后期若遇擁堵可用細(xì)鐵棍用力搗拌壓實(shí)，直至將鉆孔內(nèi)殘留水全部擠出。

5)將多余塑膠管截去，待水泥凝固牢實(shí)之后，連接瓦斯壓力表。若要加速瓦斯壓力增大，可先向測(cè)壓室內(nèi)充入高壓氮?dú)?，再連接壓力表。

6)封孔之后，派專人定期觀測(cè)并記錄，直至連續(xù)3～5 d瓦斯壓力不再變化，此值即可看作所測(cè)煤層瓦斯壓力。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比

山西東輝集團(tuán)趙家山煤業(yè)有限公司，屬高瓦斯礦井，隨著其向深部的開采，瓦斯涌出異?，F(xiàn)象越來越嚴(yán)重。為準(zhǔn)確測(cè)量其瓦斯參數(shù)，按照AQ/1047—2007《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》的規(guī)定，綜合分析全礦地質(zhì)條件，在副斜井行人側(cè)施工測(cè)壓鉆場(chǎng)，以測(cè)定礦井2#、5#煤的瓦斯壓力。見圖2。

圖2 測(cè)壓點(diǎn)布置示意圖

2011年12月上旬，先后采用常規(guī)注漿工藝及復(fù)合封孔工藝在－500 m水泵房進(jìn)行了瓦斯壓力測(cè)定。在鉆孔鉆進(jìn)4 m時(shí)，遇含水層，鉆孔內(nèi)始終有存水。由于無法解決含水層的問題，不能將水完全抽出，在應(yīng)用常規(guī)注漿工藝時(shí)，預(yù)留的測(cè)壓孔被堵實(shí)，且水泥拌漿在2天之后仍未能完全凝固，最終瓦斯壓力表無讀數(shù)，測(cè)壓失敗;2天后在同一地點(diǎn)錯(cuò)開約20 m處，采用復(fù)合封孔工藝，仍因水的存在，聚氨酯無法混合發(fā)泡，不能密閉測(cè)壓室致使封孔被中斷。

2011年12月中旬，再次在該地點(diǎn)打孔測(cè)壓，采用筆者改進(jìn)的封孔工藝，測(cè)壓室底部采用帶有小孔的剛性管支撐，有效保證了測(cè)壓室空間;包裹一層鐵紗窗使測(cè)壓孔不致被水泥漿封填導(dǎo)致測(cè)壓失敗;使用水泥條人工封填，可有效擠出鉆孔殘留的水，加速水泥凝固，提高封孔成功率。

鉆孔中段及以上采用塑膠管作為導(dǎo)氣管，減少了轉(zhuǎn)接頭，提高了導(dǎo)氣管的密閉性和測(cè)壓的可靠性。安裝瓦斯壓力表的1周之后，2#煤層讀數(shù)便上升至0．46 MPa，半月后讀數(shù)穩(wěn)定在0．51 MPa，不再變化，測(cè)壓的同時(shí)，在鉆孔至煤層位置時(shí)采取了鉆芯煤樣，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得瓦斯含量為7．63 m3/t，5#煤層讀數(shù)便上升至0．10 MPa，半月后讀數(shù)穩(wěn)定在 0．12 MPa，不再變化，測(cè)壓的同時(shí)，在鉆孔至煤層位置時(shí)采取了鉆芯煤樣，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得瓦斯含量為4．80 m3/t。

吸附常數(shù)。2#煤層煤的吸附常數(shù):a=25．275 m3/t，b=0．944 MPa－1。

5#煤層煤的煤的吸附常數(shù):a=20．128 m3/t，b=0．701 MPa－1，，根據(jù)煤層瓦斯含量 X與瓦斯壓力 P之間滿足郎格繆爾方程，即:

式中:X—煤中可燃質(zhì)中的瓦斯含量，m3/t;

k—甲烷的壓縮系數(shù)，取1．08。

將各數(shù)值代入上式，反推出2#、5#煤層瓦斯壓力為0．49、0．11 MPa，實(shí)測(cè)值同理論計(jì)算值極其接近，說明所測(cè)結(jié)果基本能夠真實(shí)反映煤層瓦斯壓力情況，對(duì)生產(chǎn)具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

4結(jié)論

1)該方法在下行孔遇含水層時(shí)較為適用，但在實(shí)際應(yīng)用中可能仍然存在一些問題，比如鐵質(zhì)擋板若過大，則剛性管不易下放;若過小，則達(dá)不到密閉測(cè)壓室的效果。所以便要求鉆孔盡可能光滑，擋板直徑略小于鉆孔5～8 mm為宜。

2)若瓦斯壓力表讀數(shù)在升高的過程中有下降甚至出現(xiàn)負(fù)壓，亦屬正常。因在測(cè)壓過程中，導(dǎo)氣管中殘留的水通過預(yù)留測(cè)壓孔會(huì)逐漸滲入煤層，出現(xiàn)壓力降低現(xiàn)象。

3)通過對(duì)改進(jìn)的封孔工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用同常規(guī)注漿工藝及復(fù)合測(cè)壓工藝對(duì)比，其所測(cè)結(jié)果基本能夠真實(shí)反映煤層瓦斯壓力情況，與利用瓦斯含量法反推法所得到的結(jié)果相比，相差很小，能夠滿足指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要。

［1］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:30－56．

［2］AQ1047－2007，煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定［S］．

［3］李 波，李長松．套管帶壓固結(jié)封孔技術(shù)在瓦斯壓力測(cè)定中的應(yīng)用［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2009(3):15－18．

［4］冀超輝，侯志華．瓦斯壓力直接測(cè)定法的改進(jìn)和應(yīng)用［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2009(8):71－75．

［5］ 楊曉亮，古興龍．煤層瓦斯壓力測(cè)定封孔新工藝［J］．中州煤炭，2009(3):17－18．

［6］劉 頔．煤層瓦斯壓力測(cè)定中的注漿封孔工藝分析［J］．科技信息，2007(11):29－30．

Im provement of Down Hole Grouting Sealing Process for Gas Pressure M easurement

Zhang Yong－jun，Li Bao－fu，W ang Bing

he gas pressure is the pressure of methane gas in the coal seam and it is an important indicator for predicting coal and gas outburst．Accurately measure the gas pressure and predict gas content，it is the basis for which effectively control gas abnormal effusing and coal and gas outburst．Analyzes the deficiency of the pressure measurement of the conventional grouting process and sealing instrument hole sealing in the down hole，proposals improvement measures，and puts into use on pressure measurement in Zhaojiashan coal Co．Ltd of Donghui group in Shanxi，obtained good effects．

Gas Pressure;Down hole;Grouting sealing;Aquifer

TD713

A

1672－0652(2012)09－0048－03

2012－07－10

張永俊(1967—)，男，山西古交人，1988年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作(E －mail)zhangbingqi666@163．com