煤层瓦斯压力测定钻孔新型封孔技术.pdf

2 0 0 3年第 2期 No ． 2 ～2 0 0 3 煤 炭 科 技 COAL S CI E NCE r E CHNO L OGY MAGA Z I NE l 7 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 l 2 0 0 3 0 2 -00 1 7 - 0 3 煤层瓦 斯压力 测定 钻孔新型封 孔技术 王轶波，陈彦飞，王 凯，张仁贵，何书建 中国矿业大学 能源科学与 工程学院 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 我 国煤矿绝大多数是瓦斯矿井 ， 瓦斯事故为煤矿生产 中最严重的 自然灾害之一。准确 测定煤层 瓦斯压力对矿井有效 而合理地制定 瓦斯 防治措施、预测预报煤 与瓦斯突出的危 险 性 ， 具有重要意义。在煤层 中直接打钻测定瓦斯压力时， 由于钻孔周 围微裂 隙发育， 封孔较为 困难。针对这一问题 ， 基于“ 固体封液体 ， 液体封气体” 的封孔原理 ， 提 出了煤层钻孔聚氯酯泡 沫一 压力黏液封孔测压技术， 并在康家滩煤矿实测煤层瓦斯压力中取得 圆满成功。 关键词 瓦斯压力； 聚氨酯泡沫； 压力黏液 ； 煤层测压技术 中圈分类号 T D 7 1 2 ． 3 文献标识码 B 8 0 年代以前， 国内外对煤层瓦斯压力的测定都 是从岩巷向煤层打钻孔 ，并用黏土、水泥砂浆、 胶 圈、 胶囊等固体物封孔， 从钻孔中引出测压管， 直接 用压力表读出煤层瓦斯压力。这种方法适用于封孔 段岩层坚硬致密的情况 ， 但是 当封孔段岩层为松软 砂岩 、 钻孔周围存在微裂隙或直接在煤 层打测压钻 孔时， 固体物便不能封严钻孔， 易漏气， 测出的瓦斯 压力值低于真实的煤层瓦斯压力。这样会导致错误 的技术判断， 极易造成事故隐患。中国矿业大学从 1 9 7 9 年开始经过不断研究探索， 提出了胶囊一 压力 黏液封孔测定煤层 瓦斯压 力技 术。它的基本原理 是 固体封液体， 液体封气体。即除了利用两个胶囊 封 孔外 ，在两个胶囊之 间充入具有一 定压力 的黏 液 ， 黏液 的压力略 高于瓦斯压力 ， 黏液在压 力作用 下渗入 钻孔周边裂隙 ， 杜绝瓦斯的泄漏 ， 从而使测 出的瓦斯压力值等于真实的煤层瓦斯压力⋯。 分子筛催化剂， 并达到国内领先水平。 “ 十五 ” 期 间 ， 国家拟在大同建设大 同煤矿集团 公司 1 5 0 0万t ／ a煤炭间接液化示范项 目。这一具有 战略意义的高新技术的产业化， 必将使我国煤炭转 化达到一个新的里程碑。 5 大 同煤伴产品的开发和应用 原煤在开采 、 洗选 、 使用过程 中必将 产生大量 的矸石、 中煤 、 煤 泥和煤灰 ， 若不加 以利用 ， 势必影 响生态环境 ， 制约煤炭经济的可持续发展。大 力发 展大同煤矸石建材 、 发电及煤灰制砖 ， 是变废为宝 、 化害为利 、 节 省土地 、 实现资源综合利用 、 保护生态 环境的有效途径 。 大 同石炭二叠纪煤层夹矸和 顶板矸石 中还 赋 存有层位 、 区域性稳定的优质高岭岩 资源 。高岭 岩 具有很高的工业价值和经济价值，经加工后的高岭 土产品广泛用于陶瓷、 造纸、 橡胶、 塑料、 油漆、 化工、 建材、 石油、 铸造、 医药、 高新技术等部门。提高大同 高岭岩的选矿水平 ， 加强高岭岩的磨矿 、 分级优化组 合 、 分级利用 ， 使产品多元化 ， 必将产生 良好的社会 效益、 经济效益和环保效益 。 总之， 坚持以发展为主题， 以结构调整为主线 ， 以市场为导向 ， 以效益为 中心 ， 以改革创新为动 力 ， 以科技进步为支撑，全面实施大同煤炭资源鬟台开 发利用工程 ，是推进大同煤炭工业和地方经济可持 续发展的必然选择 。 作者简介 彭建喜 1 9 6 6 一 。 男， 山西原平人 ， 1 9 8 9年毕生 于淮南矿业学院煤化工专业， 山西工业职业技术 学院讲 师。 工 程 师 ． 太原 理 工 大学在 读 研 究 生 。 维普资讯 1 8 煤炭科技 2 0 0 3年第 2 期 1 聚氯膏泡沫一 压 力黏液封孔测压技术 目前煤矿采掘巷道越 来越多地选择在煤 层中 布置 ， 多数情况下矿井测定煤层压力时不具备从岩 巷向煤层打钻封孔的条件， 因此研究可靠的在煤层 中直接打钻封f L a Y 压技术显得尤为迫切 。而煤层钻 孔周围微裂隙发育， 封孔较为困难。针对这一问题， 基于上述 “ 固体封液体 ， 液体封气体 ” 的封孔原理 ， 经过反复试验比较，确定采用聚氨酯泡沫一 压力黏 液封孔测定煤层瓦斯压力技术。该封孔技术与胶 囊一 压力黏液封孔测定煤层瓦斯压力技术相比， 具 有成本低 、 操作简单等特点。 1 ． 1 聚氯叠泡沫的反应机理及特性 聚氨酯泡沫是聚氨基 甲酸酯泡沫的简称 ， 主要 由黑料 多异氰酸酯R N C O 和 白料 聚醚多元R O H和助剂 混合发泡而成。这些原料阻燃 ， 不爆炸 ， 无腐蚀性。根据煤矿井下条件， 要求配制的聚氨酯 泡沫封孔材料具有 以下特性 ① 严密堵漏性 ； ②强 力附着性； ③快速发泡定型性 ； ④发泡倍数可调性 ， 且最小发泡倍数 2 0 ； ⑤抗静 电性 ； ⑥阻燃性 ； ⑦ 一 定的抗压 、 抗拉强度。 1 ． 2聚氯叠泡沫一 压力黏液封孔材料及工具 封孔铁管长9 ． 0 m， 为便于安装 ， 取 3根 3 ． 0 m 长铁管用接箍联接而成 ， 如图 l 所示。 在封孔管适当 位置固定两对挡盘 加胶垫 ， 构成两个聚氨酯泡沫 固体 封孔段； 两个聚氨酯泡沫封孔段之间为压力 黏液封孔段 ； 另外在孔底留出 1 ． 0 m长的钻孔段作 为测压室。测压管开口端位于测压室内， 其露出钻 孔一端接压力表；黏液管开口端位于黏液段内， 其 露出钻孔一端接黏液泵。聚氨酯封孔 剂两份 ， 每份 黑、白原料各 2 5 0 g 。毛巾两条，规格为 5 0 0 m m l 5 0 0m l n 。 l L 容积搅拌缸和搅拌棒各 2个 。 9m长导 杆一根。5 0 0 m l 量瓶、 l L水盆、 流量计各 1 个， 压力 表 2块 ， 黏液泵一台 ， 黏液适量。 9 1 0 1 测压室 ； 2 胶垫 ； 3 泡沫封孔段 ； 挡盘 ； 5 黏液段 ； 接箍 ； 7 一泡沫封 孔段 ； 8 封孔管 ； 测压管 ； l 黏 液管 图 l 封孔管安装 示意 1 ． 3聚氯叠泡沫一 压力黏液封孔测压工艺 1 在井下测试之前， 应在地面模拟钻孔中做 耐压试验， 试验压力高于井下瓦斯压力 5 _ 1 ． 0 蛐 ， 以观察整个测试系统的可靠性， 确保整个溯试系统 在井下安全可靠 。 2 在选定地点煤层内打测压钻孔， 并保证终 孔点位于煤层内。 钻孔直径小于 舳 衄 ； 打钻同时测 压人员可在巷道内将封孔管装配好， 在黏液泵内注 入黏液 ， 准备封孔 。 3 将测压钻孔内的煤渣及煤粉清理干净， 以 提高密封效果。 4 用细铁丝将两条毛巾分别绑在两个聚氨酯 泡沫封孔段的两个挡盘之间。 5 取两份封孔剂， 同时倒入两个搅拌缸内， 用 搅拌棒迅速搅拌 5 - 7 s ， 然后分别均匀地倒在两条 毛巾上， 转动封孔管使带有封孔剂的毛巾缠裹在封 孔管上， 最后用导杆将封孔管送至测压孔内预定位 置。注意 此过程必须在 3 0 s 内完成。 6 待孔内聚氨酯原料发泡凝固后 约 3 0 m in ， 将引出f L 3 b 的测压管接上瓦斯压力表， 黏液管接上 黏液泵和黏液压力表。利用两个聚氨酯泡沫段密封 钻孔，同时用黏液泵将压力黏液压入黏液封孔段， 并使黏液压力高于预计的瓦斯压力， 使之向钻孔周 边裂隙渗透， 增强密封效果。为了加速瓦斯压力的 上升 ， 缩短测压时间， 可向测压室充入高压氮气或 二氧化碳气体。 7 封孔以后， 要定时观察和记录瓦斯压力和 黏液压力。如黏液压力下降， 应开泵增压， 保证黏液 压力高于瓦斯压力 0 ． 3 加． 5 M e a 。如瓦斯压力连续 3 d 无变化， 则可认为这个稳定的压力就是煤层原始 瓦斯压力。 8 测压结束后 ， 可以 回收压 力表和 黏液泵 。 回收要严格按 照操作 程序进行 先释放 瓦斯 ， 后缓 慢泄出黏液 。 9 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 。 2现场应用 康家滩煤矿是神华集团神东煤炭公司所属的 大型 出口煤基地之一 ，矿井采用旺格维利 采煤 方 法， 设计生产能力为 1 2 0 万t ／ a 。 在目前开采条件下， 2 0 0 1年度矿井绝对瓦斯涌出量为 l 0 ． 0 4 m 3 ／ mi n ， 相 对瓦斯涌出量达 l 7 ． 9 9 m3 ／ t ， 瓦斯 问题 已开始对煤 矿的安全生产有所影响和制约。 维普资讯 2 0 0 3年第 2期 王轶波等 煤层瓦斯压力 测定钻孔 新型 封孔技术 1 9 准确测定瓦斯压力等煤层瓦斯基础参数 ， 对于 系统研究矿井瓦斯赋存状况 ， 科学合理地制定瓦斯 防治措施 ， 保证矿井安全生产具有重要意义。 2 ． 1 测压地点选择及测压钻孔参数 为了准确测定煤层瓦斯庄力 ， 测压地点应选在 不受断层影响和裂隙小的地区 ， 并具有代表性 。经 过分析和 比较 ， 最后确定了以下地点 回风大巷 3 l 联巷、胶带运输大巷 3 l联巷、 7 8 1 0 3 胶带运输巷 l 8 联巷 、 2 l 联巷和 2 2 联巷 ，共布置了 6个测压钻孔 ， 各钻孔位置如图 2所示。 7 l 回风大巷 ； 2 胶带运输大巷 ； 3 辅助运输大巷 ； 4 3 l 联巷； 5 _ _ - 7 8 1 o 3辅助运输大巷 ； 6 - _ 7 8 l o 3胶带运输大巷 ； 7 I 8联巷； 8 2 l 联巷 ； 9 2 2联巷 图 2 测 压 钻 孔位 置 示 意 由于 康家滩矿井采掘巷道 几乎全部布置在 煤 层 内， 只能直接在煤层 内打测压钻孔 ， 因此确定 采 用聚氨酯泡沫一 压力黏液封孔测压技术 。各钻孔都 沿煤层布置 ， 其主要参数如表 l 所列。 衰 1 鲁■压钻孔主要{ - | 散 2 ． 2煤晨瓦斯压力测定结果 2 0 0 2年 元月 1 2- 2 0日对该矿煤层进行瓦斯压 力测定的结果如表 2所列。根据表 2中数据可得 出 煤层瓦斯压力随赋存深度的变化关系 见图 3 。由 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 赋存 标 高 的 线性 回归 方 程 为 【 2 】 p - 0 ． 0 0 1 3 H 1 ． 3 7 2 9 1 式 中p 煤层瓦斯压力， MP e g H -煤层赋存标高 ， m。 利用式 1 即可对矿井煤层深部的瓦斯压力进 行预测。 衷 2康家雄矿煤屡瓦斯压力一定蕾暴 壕 啮 煤 层 标 高／ m 图3 瓦斯压 力与煤层赋存标高关系曲线 3结 论 聚氨酯泡沫一 压 力黏液封孔测压技术具有投入 费用较低、 实际操作简单等优点， 且许多材料可回收 复用。 从康家滩煤矿煤层瓦斯压力的测定结果可知 ， 该矿煤层瓦斯压力随煤层埋藏深度 的增加而增 大 ， 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 ，表明该技术应用于在煤层中直 接打钻封孔测定瓦斯压力是可行、 可靠和有效的。 参考文献 [ 1 ] 中国矿业学院瓦斯组．煤和瓦斯突出的防治 [ M] ．北京 煤炭 工业 出版社 ，1 9 7 9 ． 2 0 7 - 2 0 8 [ 2 ] 俞 启香．矿 井瓦斯 防治 [ M] ．徐 州 中 国矿业 大学 出版社 ， l 9 9 2 ．1 Ol 1 作者简介 王轶波 1 9 7 3 一 ， 男， 内蒙古鄂尔乡斯人， 1 9 9 7 年 毕业于太原理工大学，神华集 团神东公 司大柳誊煤矿助理工 程师， 中国矿业大学能源科 学与工程学院硬士在读。 收稿 日期 2 0 0 2 - 1 0 - 2 2 维普资讯