王志強(qiáng)

(云南天力煤化有限公司，云南省昭通市，657600)

我國(guó)云貴川地區(qū)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造較多，開(kāi)采煤層多為薄煤層或者是極薄煤層。煤層瓦斯壓力高、煤層瓦斯涌出量造成工作面上隅角瓦斯經(jīng)常超限。近年來(lái)，安全高產(chǎn)高效的煤礦開(kāi)采已經(jīng)成為礦井的主流觀念，同時(shí)對(duì)煤層瓦斯壓力的準(zhǔn)確測(cè)量提出了更為嚴(yán)格的要求。云南地區(qū)礦井經(jīng)常穿越水文地質(zhì)更為復(fù)雜的含水巖層，孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育。常規(guī)測(cè)壓室長(zhǎng)度要進(jìn)入煤層1.5 m左右，對(duì)于云南薄煤層(厚度<1.5 m)如何準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力提出了新的要求。因此，準(zhǔn)確測(cè)量煤層瓦斯壓力值及預(yù)測(cè)煤層瓦斯含量，為礦井安全高效生產(chǎn)提供依據(jù)，具有十分重要的意義。

1 薄煤層瓦斯壓力準(zhǔn)確測(cè)定的影響因素

影響煤層瓦斯壓力測(cè)定的因素較多，在技術(shù)方面，封孔材料、封孔方式方法、操作人員封孔完成質(zhì)量都有很大程度的影響。薄煤層瓦斯壓力測(cè)定與地質(zhì)構(gòu)造、含水層、鉆孔位置、方向角、傾角影響有關(guān)。

(1)地質(zhì)構(gòu)造。由于云南薄煤層的特殊測(cè)定環(huán)境，在實(shí)施瓦斯壓力測(cè)定時(shí)，煤層周圍有無(wú)地質(zhì)構(gòu)造并不清楚。因此，在實(shí)施鉆孔測(cè)壓之前要探明該區(qū)域有無(wú)地質(zhì)構(gòu)造或者大的斷層褶皺，防止測(cè)壓孔受地質(zhì)構(gòu)造的影響，造成封孔困難或者封孔質(zhì)量不佳，使得測(cè)定的壓力值偏低。

(2)鉆孔位置與角度。鉆孔位置要滿足穿過(guò)巖層15 m并保證在煤體中有大于1.5 m的測(cè)壓室長(zhǎng)度，滿足上述條件還需要結(jié)合鉆孔角度的選取，確定合理的鉆孔方向角與傾角才能夠保證煤中測(cè)壓室長(zhǎng)度為1.5 m。

(3)含水層。云南礦井水文地質(zhì)較為復(fù)雜，在一些穿過(guò)含水層的巖層打孔測(cè)壓，施工過(guò)程進(jìn)行堵水治水是關(guān)鍵所在。

2 試驗(yàn)礦井概況

云南天力煤化有限公司昌能煤礦位于彝良縣洛澤河鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)位于窩鉛向斜東翼，巴抓斷裂的下盤，呈一單斜構(gòu)造。地層走向總體近于南北向，傾向西。西部地層較緩，而東部地層相對(duì)較陡，地層傾角6°～51°，一般為7°～17°。區(qū)內(nèi)發(fā)育有F1、F2、F3和F44條斷層。礦內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的褶曲構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)侵入巖分布。采礦權(quán)內(nèi)確定全區(qū)可采煤層2層，編號(hào)為C5、C3。C5煤層傾角4°～8°，煤層厚度為1.54～1.75 m，平均厚1.66 m，結(jié)構(gòu)單一；C3煤層傾角5°～13°，煤層厚度為0.81～1.05 m，平均厚0.92 m，結(jié)構(gòu)單一。

3 多次注漿封堵一體化技術(shù)的應(yīng)用

礦井開(kāi)拓開(kāi)采后，圍巖應(yīng)力場(chǎng)再次分布，地應(yīng)力的集中造成巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育。巷道頂?shù)装寮跋锏辣谔幱谄扑楸┞秴^(qū)域，主要表現(xiàn)為頂?shù)装寤虮诿嫫扑?、存在較多的裂隙造成完整性較差，裂隙發(fā)育豐富。由于巷道應(yīng)力集中施工，鉆孔徑向會(huì)在一定范圍內(nèi)形成破碎區(qū)，煤體透氣性較大。因此，巷道開(kāi)挖與鉆孔鉆進(jìn)在鉆孔周圍形成了疊加的破碎區(qū)裂隙帶，裂隙帶透氣性較高，形成較長(zhǎng)影響范圍的優(yōu)勢(shì)漏風(fēng)通道。針對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔周圍煤體破碎嚴(yán)重、透氣性大的問(wèn)題，提出了封堵一體化鉆孔密封工藝。

3.1 多次注漿封堵一體化工藝

封隔一體化技術(shù)是指第一次注漿封孔成孔清洗后，在退鉆桿的同時(shí)，在注漿系統(tǒng)測(cè)壓鉆孔內(nèi)部(即鉆孔內(nèi)壁)噴涂一層低滲透性的防滲材料，來(lái)填補(bǔ)和固化因鉆孔施工造成的巖體的裂隙，在鉆孔內(nèi)壁上形成一層致密的隔膜，密封工藝原理如圖1所示。多次注漿封堵一體化工藝降低了鉆孔內(nèi)壁的滲透系數(shù)，隔絕鉆孔破碎區(qū)裂隙帶與外界空氣的連通通道，防止空氣進(jìn)入裂隙，顯著提高鉆孔的密封性。

1—煤層；2—柔性膏體；3—防滲粘性材料；4—孔口管；5—測(cè)壓孔；6—注漿孔；7—法蘭盤圖1 封隔鉆孔密封工藝原理圖

3.2 多次注漿封堵一體化技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

經(jīng)查昌能煤礦1000～1025 m水平范圍內(nèi)的北翼采區(qū)工作面運(yùn)輸巷無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造，尤其在揭露(萬(wàn)壽山組分布段)F3斷層時(shí)，斷層破碎帶正常涌水量?jī)H為2.5～3.0 m3/d，斷層破碎帶寬約2.0 m。故本次現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)試驗(yàn)選取在本區(qū)域內(nèi)對(duì)C5煤層進(jìn)行4個(gè)穿層鉆孔測(cè)定煤層瓦斯壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)鉆孔間距為20 m，并依次編號(hào)。根據(jù)煤礦現(xiàn)有地質(zhì)資料及煤層賦存條件，試驗(yàn)鉆孔方向角與傾角分別選擇160°～170°與15°～18°，測(cè)算可以保證鉆孔長(zhǎng)度在巖體中大于15 m，測(cè)壓室長(zhǎng)度在煤體中為1.5 m。其中1#、3#煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔采用新型多次注漿封堵一體化封孔技術(shù)封孔，鉆孔內(nèi)注漿材料為柔性膏體封孔材料；2#、4#煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔采用礦井常用兩堵一注常規(guī)水泥砂漿封孔，鉆孔內(nèi)注漿材料為水泥砂漿封孔材料。

(1)第一次注漿封孔。首先4個(gè)鉆孔全部使用直徑94 mm的鉆頭鉆進(jìn)5 m，清洗孔內(nèi)物質(zhì)，將與法蘭盤焊接的孔口管(規(guī)格?95 mm×5 mm，長(zhǎng)度5 m)送入孔內(nèi)，用聚氨酯固定孔口管。然后用孔徑75 mm的鉆頭按既定的方向角和傾角鉆進(jìn)，當(dāng)見(jiàn)煤時(shí)停止鉆進(jìn)，推出鉆桿后把兩個(gè)法蘭盤繼續(xù)對(duì)接，并與注漿機(jī)注漿管路連接。注入壓力為10 MPa的清水，把孔壁附近的孔隙通道擴(kuò)大。完成后1#、3#鉆孔采用柔性膏體封孔，注漿終壓力要大于12 MPa，穩(wěn)定0.5 h以上；2#、4#鉆孔注水泥漿混合速凝劑添加劑封堵巖層裂隙，同樣注漿終壓力要大于12 MPa，并穩(wěn)定0.5 h。第一次注漿示意圖見(jiàn)圖2。

1—煤層；2—柔性膏體；3—1#、3#鉆孔防滲粘性材料；4—孔口管；5—注漿孔；6—法蘭盤圖2 第一次注漿示意圖

(2)第二次注漿封孔。4個(gè)鉆孔都要等待第一次封孔注漿凝固72 h以上，卸下外接的法蘭盤，按照之前的方位角和傾角鉆進(jìn)，在距煤層約0.5 m處停止鉆進(jìn)。分別觀察4個(gè)鉆孔是否有水涌出，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4個(gè)鉆孔均未有水涌出。4個(gè)鉆孔繼續(xù)向煤層鉆進(jìn)1.5 m，此時(shí)觀測(cè)鉆孔流出的皆為破碎煤體，驗(yàn)證了之前選擇的方向角與傾角滿足測(cè)壓室停留在煤層中的距離大于1.5 m的條件。1#、3#鉆孔在使用柔性膏體封孔之前，在鉆孔內(nèi)壁孔口周圍區(qū)域噴涂一層低滲透性的防滲材料。4個(gè)鉆孔在退出鉆桿后用四分管(?15 mm)作為測(cè)壓管路，第一節(jié)管路管體上布滿測(cè)壓孔，并用鐵紗網(wǎng)包裹，與焊接注漿接口及四分管接口的法蘭盤對(duì)接。注漿管路與法蘭盤的快速接口連接進(jìn)行第二次注漿，1#、3#鉆孔使用柔性膏體封孔，2#、4#鉆孔則使用傳統(tǒng)的水泥砂漿封孔。第二次注漿示意圖見(jiàn)圖3。

在多次注漿封堵一體化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，分別對(duì)選定的4個(gè)鉆孔進(jìn)行為期20 d的觀測(cè)。4個(gè)鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定曲線如圖4所示。由圖4可以看出1#、3#鉆孔的瓦斯壓力值整體都高于2#、4#鉆孔，驗(yàn)證了新型多次注漿封堵一體化封孔技術(shù)具有良好的封閉性。1#、3#鉆孔的瓦斯壓力分別在觀測(cè)的第8天、第9天達(dá)到平衡狀態(tài)，而2#、4#鉆孔的瓦斯壓力則在第12天和第13天才達(dá)到平衡狀態(tài)，這也從側(cè)面反映2#、4#鉆孔的整體氣密性不如1#、3#鉆孔。從測(cè)壓結(jié)果可以看出，煤層瓦斯壓力為0.28～0.36 MPa，結(jié)合礦井在采動(dòng)過(guò)程中瓦斯涌出情況來(lái)看，0.36 MPa與0.34 MPa的結(jié)果更為接近礦井真實(shí)煤層瓦斯壓力值，可見(jiàn)新型多次注漿封堵一體化技術(shù)相比于傳統(tǒng)測(cè)壓方法是可靠的。

1—煤層；2—柔性膏體；3—1#、3#鉆孔防滲粘性材料；4—孔口管；5—壓力表；6—注漿孔；7—法蘭盤圖3 第二次注漿示意圖

圖4 4個(gè)鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定曲線

4 結(jié)論

云南薄煤層煤礦井下地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，煤層經(jīng)常布置在水文地質(zhì)條件復(fù)雜 的附近層，且?guī)r層的孔裂隙相對(duì)發(fā)育，嚴(yán)重影響了瓦斯壓力的測(cè)定。準(zhǔn)確測(cè)定云南薄煤層瓦斯壓力值，封孔質(zhì)量是關(guān)鍵因素之一，而合理的測(cè)壓區(qū)域選擇與鉆孔的方向角及傾角的選擇是重要因素。多次注漿新型封堵一體化技術(shù)在昌能煤礦的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并與傳統(tǒng)的水泥砂漿測(cè)壓進(jìn)行了對(duì)比分析研究，驗(yàn)證了該技術(shù)工藝可以更加準(zhǔn)確測(cè)定薄煤層瓦斯壓力。