李 磊，成賢康

(1.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

隨著煤礦開(kāi)采深度的加深，瓦斯動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題越來(lái)越突出，所以對(duì)煤礦井下瓦斯壓力快速準(zhǔn)確地測(cè)定和研究對(duì)目前預(yù)測(cè)預(yù)防瓦斯動(dòng)力災(zāi)害至關(guān)重要。煤層瓦斯壓力測(cè)試的準(zhǔn)確性受到多方面因素的影響，其中封孔質(zhì)量是測(cè)試的關(guān)鍵。目前，在強(qiáng)度較低的松軟煤層中采用較多的是膠囊-粘液封孔技術(shù)和套管帶壓封孔技術(shù)。松軟煤層的煤體強(qiáng)度低，在巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)煤層破碎嚴(yán)重，存在大量的裂隙，容易形成溝通測(cè)壓氣室與巷道自由空間的瓦斯運(yùn)移通道，再加上膠囊膨脹后難以保證與孔壁均勻接觸，導(dǎo)致采用膠囊-粘液封孔測(cè)壓效果不理想。而下套管二次帶壓封孔技術(shù)由于成本高、操作復(fù)雜、成功率低，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和研究中較少使用。本文通過(guò)分析確定影響煤層巷道瓦斯壓力測(cè)定的關(guān)鍵因素，對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)試孔圍巖裂隙注漿材料進(jìn)行了研究，優(yōu)化了封孔工藝和參數(shù)，提出了瓦斯壓力測(cè)試鉆孔圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)[1-3]。

1 膠囊-粘液封孔瓦斯壓力測(cè)定存在的問(wèn)題

目前，煤層巷道瓦斯壓力測(cè)試存在兩大技術(shù)難題：第一，煤層煤體強(qiáng)度相對(duì)較小，在巷道掘進(jìn)之后，由于支承壓力巷道側(cè)將產(chǎn)生較大范圍的松動(dòng)破壞圈，煤體相對(duì)破碎的產(chǎn)生裂隙發(fā)育，不利于瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中的鉆孔封孔；第二，由于目前瓦斯壓力快速測(cè)定儀設(shè)備本身的缺陷，主要依靠膠囊和粘液封孔，其中膠囊封孔存在受鉆孔施工質(zhì)量和自身重力的影響。

煤層煤體強(qiáng)度相對(duì)較小，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，受應(yīng)力重新分布的影響，巷道兩幫支承壓力導(dǎo)致兩幫圍巖產(chǎn)生大量裂隙，煤體相對(duì)破碎，裂隙發(fā)育，大量裂隙的存在導(dǎo)致瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中外部漏風(fēng)(巷道風(fēng)流)、內(nèi)部漏氣(瓦斯氣體)，是導(dǎo)致瓦斯壓力測(cè)定不夠準(zhǔn)確的一個(gè)重要原因。目前瓦斯壓力快速測(cè)定主要依靠膠囊和粘液封孔，其中膠囊封孔容易受鉆孔施工質(zhì)量和自身重力的影響。在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，鉆孔的軸線呈拋物線形狀，而且測(cè)量管在自身重力作用下，必然下垂，此時(shí)，整個(gè)測(cè)壓系統(tǒng)的重量將主要由膠囊和測(cè)量?jī)x的末端支撐。在膠囊內(nèi)部，測(cè)量管不同位置距孔壁的距離不同。在前端，距孔壁上部的距離較小，而距孔壁下部的距離較大。相反，在后端，距上孔壁上部的距離較大，而距孔壁下部的距離較小。這導(dǎo)致膠囊不能均勻膨脹，它與孔壁之間的應(yīng)力也不一樣大，距離越小，應(yīng)力越大。因此，膠囊的實(shí)際受力狀況為：在膠囊前端，上部應(yīng)力較大，下部應(yīng)力較?。辉谀z囊后端，下部應(yīng)力較大，上部應(yīng)力較小。膠囊與孔壁之間應(yīng)力分布的不均勻性，必然導(dǎo)致瓦斯有可能從膠囊前端下部經(jīng)它的后端上部泄漏，大大降低測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；而且，它會(huì)隨著鉆孔深度的增大更加顯著[4-7]。

2 注漿封堵及材料配置

針對(duì)膠囊和粘液封孔瓦斯壓力測(cè)定存在的問(wèn)題，為消除巷道圍巖松動(dòng)圈和膠囊膨脹不均勻?qū)︺@孔密閉性的影響，對(duì)注漿封堵材料進(jìn)行了改進(jìn)。注漿封堵材料包括注漿封孔材料和瓦斯壓力測(cè)孔的封孔材料，兩種材料主要依據(jù)余吾煤業(yè)松動(dòng)圈測(cè)定分析情況進(jìn)行選擇，兩種材料的配比如下。

圖1 測(cè)壓管路實(shí)際受力分析圖

2.1 巷道圍巖注漿加固材料

1) 單一漿液材料：采用水泥單液漿，水泥采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥，水泥和水的配比一般為：1.2∶1～1.5∶1，初步選定水泥和水的重要比為1.4∶1.

2) 復(fù)合漿液材料：采用水泥和粉煤灰混合漿液，采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥和一級(jí)粉煤灰混合，固相材料和水的配比(灰水比)一般為1.2∶1～1.5∶1，水泥∶粉煤灰(固相比)=1∶9～5∶5，初步選定灰水比1.4∶1，固相比3∶7.

2.2 瓦斯壓力測(cè)孔封堵材料

傳統(tǒng)瓦斯壓力測(cè)孔密封材料為膨潤(rùn)土+乳化液(或水)，其體積比為1∶10(即1份膨潤(rùn)土+10份乳化液或水)。實(shí)踐證明：這種配比在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)注漿管堵塞的問(wèn)題。因此，本次采用的膨潤(rùn)土+乳化液(或水)的體積比為1∶12～1∶15，并且對(duì)密封材料中的固相進(jìn)行改進(jìn)，加入活性材料，提高材料的溶解性能，盡可能地避免注漿管堵塞的問(wèn)題。

3 注漿封堵工藝改進(jìn)

3.1 消除巷道圍巖松動(dòng)圈的影響

煤層巷道開(kāi)挖之后形成較大的松動(dòng)破壞圈即破碎區(qū)是難以避免的，這也是煤層巷道測(cè)定瓦斯壓力的最大難題，本次研究中采用兩次注漿法對(duì)鉆孔周邊的圍巖進(jìn)行加固以保證鉆孔的密閉性。

1) 在進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定之前，事先在測(cè)孔周邊用注漿錨桿進(jìn)行注漿加固，如圖2所示。注漿加固材料采用水泥+水玻璃混合液。

圖2 注漿加固示意

2) 在測(cè)孔注漿加固之后，在瓦斯壓力測(cè)孔施工之前，先施工1個(gè)直徑為130 mm的大孔再次加固，如圖2所示。注漿加固材料采用水泥+水玻璃混合液。兩次加固的目的是為了消除或降低煤層巷道圍巖破碎區(qū)較大的影響，以便下一步施工瓦斯壓力測(cè)孔時(shí)，形成類似于巖層圍巖的施工條件，確保封孔的質(zhì)量[8-10]。

3.2 消除膠囊受力不均勻的影響

由于現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔較長(zhǎng)，在鉆機(jī)擺動(dòng)過(guò)程中，很難保證鉆孔100%平直，再加上上述對(duì)膠囊實(shí)際受力的分析，以及膠囊膨脹之后形成的邊界收縮效應(yīng)，膠囊實(shí)際封孔長(zhǎng)度(不足70%)遠(yuǎn)小于膠囊原長(zhǎng)度。為了消除這一影響，第一，將內(nèi)外兩根膠囊加長(zhǎng)1倍；第二，將內(nèi)外膠囊改為兩根膠囊串聯(lián)，即內(nèi)部?jī)筛?lián)，外部?jī)筛?lián)。鉆孔安裝施工示意如圖3所示。

圖3 鉆孔安裝施工示意

3.3 測(cè)量?jī)x表改進(jìn)

現(xiàn)有瓦斯壓力測(cè)讀末端采用的是機(jī)械壓力表，這種壓力表一是測(cè)量精度不夠(0.1 MPa)，二是不能及時(shí)捕捉和存儲(chǔ)瓦斯壓力變化的全過(guò)程，尤其是不能捕捉和存儲(chǔ)測(cè)試過(guò)程中的最大瓦斯壓力。因此，有必要對(duì)瓦斯壓力測(cè)試末端的瓦斯壓力表進(jìn)行改進(jìn)，圖4為原始瓦斯壓力測(cè)量末端，圖5為改進(jìn)之后的測(cè)量末端。

圖4 原始瓦斯壓力測(cè)量末端

4 封孔步驟

1) 在打鉆期間，完成壓力粘液的配制，并放入粘液罐中。壓力粘液為膨潤(rùn)土+乳化液(或水)，其體積比為根據(jù)封堵材料優(yōu)化配比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定。若密封粘液使用三相泡沫，可先將泡沫粉放入膠囊之間的護(hù)管，然后使用手壓泵打水或乳化液。

圖5 改進(jìn)之后瓦斯壓力測(cè)量末端

2) 將封孔器放入鉆孔內(nèi)的預(yù)定位置后，為避免危險(xiǎn)，先暫時(shí)打開(kāi)瓦斯補(bǔ)氣口處的開(kāi)關(guān)，排放瓦斯，然后利用手動(dòng)式乳化液泵將乳化液壓力加至1.5 MPa，檢查膠囊是否膨脹并封住鉆孔。檢查時(shí)可用力拉護(hù)管，觀察是否松動(dòng)。如松動(dòng)，說(shuō)明膠囊未膨脹，應(yīng)先放出乳化液卸壓，然后檢查管路是否發(fā)生阻塞，并及時(shí)排除，確保膠囊及管路通暢之后方可使用[11-14]。

3) 封孔器安裝完畢后，通過(guò)護(hù)管將封孔器固定在專用的立柱上，以防測(cè)壓時(shí)封孔器突然拋出。膠囊膨脹封住鉆孔后，打開(kāi)氮?dú)馄靠傞_(kāi)關(guān)和粘液罐高壓截止閥開(kāi)關(guān)。為了快速讓粘液密封腔充滿粘液，先將氮?dú)馄繙p壓表的壓力調(diào)到0.8～1.0 MPa，當(dāng)粘液密封腔充滿粘液后，再將氮?dú)馄繙p壓表的壓力暫時(shí)調(diào)到0.2～0.3 MPa，封堵膠囊周邊鉆孔裂隙。

4) 關(guān)閉瓦斯補(bǔ)氣口處的開(kāi)關(guān)，觀察瓦斯壓力表上的變化。測(cè)壓期間要定時(shí)觀察和記錄瓦斯壓力、乳化液壓力和粘液壓力。如乳化液壓力或粘液壓力下降，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)壓，保證乳化液壓力高于瓦斯壓力1.5 MPa，粘液壓力高于瓦斯壓力0.2～0.3 MPa.

5) 如果瓦斯壓力連續(xù)24 h沒(méi)有變化，則可認(rèn)為這個(gè)穩(wěn)定的壓力就是煤層瓦斯壓力。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

余吾煤業(yè)主要開(kāi)采3號(hào)煤層，其中N1202工作面作為本次實(shí)驗(yàn)工作面，位于北一采區(qū)N1201與N1203工作面之間，工作面主巷道為N1202膠順、回順、切眼、高抽巷，回采長(zhǎng)度890 m，切眼長(zhǎng)度294.6 m.煤層底板等高線+420～+440 m，巷道走勢(shì)平緩，最大坡度為±4.3°.在該工作面分別施工3組瓦斯壓力測(cè)試鉆孔，不同組鉆孔之間距離為50 m；同組內(nèi)施工2個(gè)瓦斯壓力測(cè)試鉆孔，鉆孔間距5 m.同一組內(nèi)的2個(gè)鉆孔均采用不同封孔工藝，1個(gè)采用原有工藝測(cè)試、另一個(gè)采用新工藝測(cè)試。具體參數(shù)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 測(cè)壓鉆孔參數(shù)

為檢驗(yàn)圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)所測(cè)煤層瓦斯壓力的準(zhǔn)確性，在每組均施工2個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔各采用一種不同封孔工藝分別進(jìn)行測(cè)壓。比較表1中的瓦斯壓力測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),采用原有工藝進(jìn)行封孔的瓦斯壓力測(cè)試鉆孔，其測(cè)壓結(jié)果要遠(yuǎn)小于采用新型封孔工藝的瓦斯壓力測(cè)試鉆孔。本次測(cè)試中，同組鉆孔的間距為5 m，測(cè)壓結(jié)果應(yīng)該基本一致，但實(shí)際測(cè)試中，由于采用不同的封孔工藝，導(dǎo)致采用原有工藝的鉆孔壓力測(cè)試值要明顯小于采用新工藝的測(cè)試值，說(shuō)明采用新工藝的鉆孔的測(cè)壓值更加準(zhǔn)確。同時(shí)，本次施工的3組鉆孔組間距離為50 m，而該工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，煤層標(biāo)高和埋深變化較小，瓦斯賦存均勻。因此，各組鉆孔的測(cè)壓數(shù)據(jù)應(yīng)該較為接近。然而3組鉆孔中，原有工藝鉆孔的測(cè)試值為0.14～0.31 MPa，波動(dòng)較大；新工藝鉆孔的測(cè)試值為0.47～0.52 MPa，基本保持一致。這進(jìn)一步說(shuō)明，采用圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)所測(cè)煤層瓦斯壓力更加準(zhǔn)確。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 針對(duì)本研究的具體情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)配制了新型注漿封孔材料和瓦斯壓力測(cè)孔封孔材料，配置的新型注漿封堵材料有效地滿足了復(fù)雜地質(zhì)條件下的封孔技術(shù)要求。

2) 通過(guò)使用新型注漿封孔材料，對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈的破碎巖體進(jìn)行注漿固結(jié)，有效地封堵了測(cè)壓鉆孔與圍巖裂隙的溝通。

3) 通過(guò)使用新型瓦斯壓力測(cè)孔封孔材料和加長(zhǎng)的膠囊，消除了膠囊受力不均勻變形的問(wèn)題，保證了膠囊在煤巖層中能夠有效封堵裂隙。

4) 通過(guò)改進(jìn)原始瓦斯壓力測(cè)量?jī)x器，大大提升了瓦斯壓力的測(cè)量精度，及時(shí)捕捉和存儲(chǔ)測(cè)試過(guò)程中的最大瓦斯壓力，保證所了測(cè)煤層瓦斯壓力的精確性。