多步分段封孔技术在测量下向测压孔中的应用

苏祖来

(淮南矿业集团张集煤矿,安徽 凤台 232174)

多步分段封孔技术在测量下向测压孔中的应用

苏祖来

(淮南矿业集团张集煤矿,安徽 凤台 232174)

准确测定煤层瓦斯压力主要是用高压注浆方法封堵钻孔围岩裂隙,以隔绝钻孔的封孔段与围岩裂隙的连通;介绍了用多步分段封孔测压技术测定较破碎煤层瓦斯压力,通过对煤层瓦斯压力的实测及封孔工艺综合分析,找出了测定煤层瓦斯压力的较为先进的方法,具有一定的推广应用价值。

下向孔;煤层;瓦斯压力;测压

随着矿井开采力度的加大及矿井的延深,瓦斯问题越来越凸显,防治煤与瓦斯突出已经成为煤矿工作者面对的重大难题之一,但由于瓦斯附含在煤体之中,能否准确测定煤层瓦斯压力是防止煤与瓦斯突出突出等事故的有效手段之一。

目前,瓦斯压力的测定一般采用直接法,即从巷道向煤层中打钻孔,然后封孔测定煤层瓦斯压力。按测压钻孔封孔材料的不同,可分为胶囊(胶圈)—密封黏液封孔测压法和注浆封孔测压法,但在实际测定过程中,多采用聚氨酯—注浆封孔法,该方法不仅操作简单、成本较低,并且能够取得较好的测量效果。在聚氨酯—注浆封孔法中,很多研究者认为下向孔封孔技术一直是测压技术中的一个难点,因为在水泥浆和水的重力作用下,下向测压钻孔封孔时难以形成测压室。笔者通过大量的现场测压实践,逐步完善了一种利用水泥浆和聚氨酯等材料为主的多步分段封孔技术,并在张集矿北区的多个煤层测压过程中进行了运用,取得了较好的效果。

1 多步分段封孔技术

1.1 多步分段封孔的意义

由于煤层的特定赋存条件或受采动的影响,使得在测压过程中测压管全部被水充满或者测压管的测压气室与外界导通,最终由于水压太大而将测压表损坏或者不能测出煤层瓦斯压力;或者由于钻孔周围有大量裂隙而注浆压力不够不能够将裂隙封堵严密致使压力不集中,造成测压失败;同时井下进行施工钻孔测压的成本也较高,一旦某个钻孔作废而无法测得该处煤层瓦斯参数,不仅给瓦斯治理工作带来了困难,并且也造成了巨大的人力、财力和时间的损失和浪费,选择该项封孔技术能够解决封孔测压过程中遇到的一些难题。

1.2 多步分段封孔关键

测压是否能够成功,关键的一步是选择合适的施工地点,除在煤巷中测定本煤层瓦斯压力外,测定地点应选择在石门或岩巷中;钻孔应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围;测定煤层原始瓦斯压力的见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道、采动及抽放等的影响范围;选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度;瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统,行人少且便于维护的地方。

1.3 操作步骤

当一个测压孔施工完成后,将测压钻孔内的煤渣及煤粉清理干净,防止由于煤渣及煤粉的混入造成水泥浆不能充分凝结,以提高密封效果;

封孔前在花管与测压管的连接处安设一个挡板,与胶丝带相连接(胶丝带里放置聚氨酯,要求完好无损,防止聚氨酯流失);测压管外端 1 000 mm以里侧也加设一个挡板,在孔口的注浆、回浆管分别装设一个高压闸阀;

由于聚氨酯凝固较为迅速,所以在进行封孔前,一定要将测压管进行连接(如果巷道较窄可以两根一组进行连接),为防止注浆管漏气,可在连接处用生料带进行缠绕;

对注浆泵进行打压实验,看注浆泵能否正常工作;

封孔准备工作完成后,将测压管和带有花管连接的封孔器首先插入测压孔,往胶丝带注入 3～4对聚氨酯,并迅速塞入孔内,并快速依次连接封孔器中间管,最后安装前端封孔装置,同尾端一样在两挡板之间绑扎聚氨酯;

待聚氨酯完全反应后,进行第一次注浆:由于第一步注浆是关乎测压成败的重要环节,因此第一步很重要。用注浆泵将配置好的水泥浆通过注浆管进行第一次注浆,根据设计测压管的长度(长 10 m以上的注浆管第一次注浆 3～5 m。为了防止水泥流入测压室,在该步浆液在注浆泵压力允许的情况下尽量稠密;

第二次注浆:经过第一次且水泥凝固后,第一段已经有了抵抗性,因此第二次可以进行加压注浆(压力最还在 4MPa以上),进一步将测压孔周围的裂隙充填严密。当回浆管回浆液时,不要立即停止注浆,此时需要控制注浆量并再次加压 2～3 min后停止注浆并关闭回浆管闸阀,让浆液进行自然沉淀,停留2 h后,打开回浆管,再进行补注浆,待回浆管再次回浆后,关闭注浆、回浆管闸阀,注浆完成;

当封孔水泥凝固后(24 h后)安装孔口测压装置,并在表与测压管接口处涂抹肥皂水,以检验气密性。

如果需要快速测压,可以通过三通向测压孔气室内补偿高压氮气或二氧化碳,氮气或二氧化碳压力达到预计瓦斯压力以上后关闭闸阀,通过压力表读出瓦斯压力变化情况,如果瓦斯压力达到平衡(24 h没有变化),则稳定的压力就是煤层瓦斯压力,一般 2～3 d就达到稳定值,实现快速测压。

如果不需要快速测压,在各钻孔封孔后的前 10 d内,每星期观测和记录 2次压力表读数及观测时间,以后每 2～3 d观测一次。视煤层的瓦斯压力及透气性大小的不同,一般需观测 30 d以上。取记录的最高压力为煤层瓦斯压力。

在安装瓦斯压力表前或将其拆下后应测定钻孔瓦斯流量,并记录相应时间,以便计算煤层透气性系数。如图1所示

图1 下向孔封孔测压示意图

2 应用实例

张集矿北区经资质单位鉴定,6、8煤为突出煤层,矿井为突出矿井。根据突出危险煤层具备保护层开采的必须开采保护层,不具备保护层开采的,煤巷掘进必须在底(顶)板巷穿层钻孔条带区域预抽掩护下进行,采煤工作面采取顺层钻孔或底(顶)穿层钻孔预抽消突措施。西二采区 8煤由于受采深影响,有突出危险性,在西二 8煤层设计 4个测压孔,并成功的测量出西二 8煤层的瓦斯压力。见表1。

表1 西二8煤层瓦斯压力测定值

由图 2可以看出,煤层瓦斯压力随深度的变化关系曲线可得煤层瓦斯压力与煤层埋藏深度高的拟合线性回归方程为:

式中 P为煤层瓦斯压力,MPa;

H为煤层埋藏深度,m。

图2 瓦斯压力与煤层埋藏深度的关系曲线

从张集矿北区西二 8煤层的煤层瓦斯压力的测定结果来看,煤层瓦斯压力随煤层埋藏深度的增加呈线性增大,该线性关系符合矿井实际瓦斯涌出情况和甲烷带内煤层瓦斯压力的梯度变化规律,表明应用多步分段封孔测压技术应用于测定瓦斯压力是可行、可靠和成功的。

4 结论

利用多步分段封孔测压技术,能够有效地解决围岩裂隙水进入测压室或由于注浆压力不够而导致测压室与外界导通,致使不能或不能准确测出煤层瓦斯真实压力,对于较为破碎煤层瓦斯压力测定工作具有一定的指导作用;

通过在张集矿北区西二 8煤及其他地点测量瓦斯压力表明,应用该技术对不同赋存条件下的煤层都能够准确测定煤层瓦斯压力,且操作简单,实用性强,该项技术具有一定的推广价值。

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[3]陈大欣.任楼煤矿副井二次注浆加固堵水技术浅析[J].煤炭科学技术,2007,(1):72.

Abstract The high-pressure injection method to isolate the connectivity be tween the sealing section of drilling and rock fracture can accuratelymeasure gas pressure.This article introduces technology ofmulti-step subsealing to measure the gas pressure of the broken seam.Through measuring gas pressure of coalseam and analyzing the hole sealing technology,a more advanced method to measure gas pressure of coalseam has been found,which has certain applied value.

Key words down-direction hole;coalseam;gas pressure;measurement of pressure

Application of the Technology of Multi-step Sub-sealing on Measuring Gas Pressure in Down-direction Holes

SU Zu-lai
(Zhangji Coal Mine of Huainan Mining Group Co.L td.,Fengtai Huainan232174)

TD265.4

B

1671-4733(2010)03-0013-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2010.03.05

2010-08-25

苏祖来(1977-),男,四川内江人,工程师,从事煤矿安全技术管理工作,电话:13705543006。