套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用.pdf

第37卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No13 2009年3月Coal Science and TechnologyMar . 2009 套 管 带 压 固 结 封 孔 技 术 在 瓦 斯 压 力 测 定 中 的 应 用 李 波 1 ,李长松 2 ,魏建平 1 ,韩红卫 2 ,孔祥辉 2 11河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室,河南 焦作 454000; 21焦作煤业 集团有限责任公司 鑫珠春工业有限责任公司,河南 焦作 454000 摘 要针对在顶底板承压水大、裂隙发育的煤层中各种测压封孔技术所存在的问题,提出了利用 套管带压固结封孔技术进行注浆封堵顶底板裂隙,阻止承压水和裂隙水进入测压室,同时减小测压 室体积,缩短瓦斯压力平衡时间,实现快速准确测定煤层瓦斯压力。应用该技术对鑫珠春煤矿一5 煤层进行了瓦斯压力测试试验并取得成功。 关键词瓦斯压力;煤层测压技术;套管带压固结封孔技术 中图分类号TD712 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336200903 - 0034 - 04 Applica tion of Pressur ized Cem entation Seali ng Technology with Ca si ng to Ga s PressureM ea surem en t L IBo 1 , LIChang2song 2 , WEIJian2 ping 1 , HAN Hong2 wei 2 , K ONG Xiang2hui 2 1. KeyLab of Gas Geology and Gas Control, Henan PolytechnicU niversity, J iaozuo 454000, China; 2.Xinzhuchun Industrial Co mpanyLtd . , JiaozuoCoalM ining Group, Jiaozuo 454000, China Ab stract According to the existing problemsof the differentpressuremeasurement and borehole sealing technology for the seam with high pressurized water in the roof and floo r and the well developed fissures, a p ressurized cementation technology with the casing wasprovided to app ly to the r oof and floor fissure grouting and sealing .The p ressurized cementation technology with the casing could prevent the p res2 surized water and the fissure water rushed in to the pressure measurement chamber, cou ld reduce the volume of the p ressure measure ment chamber, could reduce the gas pressure balanced time and could have a rap id and correctmeasure ment on the sea m gas pressure.The techno logy had been app lied to the gas pressure measurement test in the A5sea m of Xinzhuchun Mine with a success . Key words gas pressure; seam p ressure measu re ment technology; pressurized cementation technology with casing 基金项目新世纪优 秀人 才支持计划资助项目 NCET - 07 - 0257 ;国家自然科学基金资助项目 50504008 ;国家重点基础 研究发展计划973计划资助项目 2005CB221501 ;教育部 “ 瓦斯预测与治理 ”创新团队发展计划资助项目 IRT 6;“ 十 一五 ” 国家科技支撑计划资助项目 6BK 3B 我国煤与瓦斯突出灾害危害严重,给矿井的安 全生产带来严重的威胁。煤层瓦斯压力是预测煤与 瓦斯突出危险性的一个重要指标。准确快速测定煤 层瓦斯压力,对研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、 瓦斯流动、瓦斯抽放和煤与瓦斯突出的防治等问题 有重要意义 [ 1 ] 。 测压方法按测压方式分为主动测压和被动测 压,按封孔方法及材料分为胶囊胶圈 -密封黏 液封孔测压和注浆封孔测压 [ 2 ] 。砂浆、胶圈等固 体物质封孔主要适用于岩层坚硬致密的情况,但是 在岩层松软、岩层周围裂隙发育,直接向煤层中打 测压孔时,由于裂隙的存在封孔物不能堵死钻孔周 边裂隙,有漏气现象存在,瓦斯压力测定值偏小。 胶囊胶圈 -压力黏液封孔虽压力黏液可渗入封 孔段岩煤体裂隙,增大密封效果,但在松软 岩煤层中打测压孔时,封孔器有被埋入孔中 的可能,导致测压成本上升。上述这些封孔技术在 水压比较大、裂隙发育的煤层所测定的煤层瓦斯压 力数据出现不准确的现象。水压使得所测煤层瓦斯 压力的数据过大其中包含水压或由于受构造 应力影响,向斜轴部煤层底板裂隙发育,煤层受两 翼挤压,地应力异常,大的突水现象存在,在这种 裂隙发育条件较好的情况下所测煤层瓦斯压力数据 偏低或无测压数据。 套管带压固结封孔测压技术也是利用聚氨酯和 3 0 18 200A001 4 李 波等套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用2009年第3期 水泥砂浆封孔,由于利用套管带压固结技术进行注 浆封堵裂隙,阻止顶底板内的承压水和裂隙水进入 测压室,透水层中的水难以进入测压孔,这样测定 的瓦斯压力为煤层原始瓦斯压力,不包含水压。不 会出现由于测压孔在裂隙发育煤层而导致测压失败 的现象。同时套管固结封孔技术可以减小测压室体 积,缩短瓦斯压力平衡时间,使瓦斯压力恢复能较 快稳定。 1 套管带压固结技术 1基本原理。其基本原理是通过对含水层注 浆,充填含水层的含水空间,改变含水层的赋水 性,使含水层变为隔水层或弱含水层。由于利用导 管带压固结封孔技术封堵钻孔,可以隔绝测压钻孔 与周围围岩裂隙的连通,使钻孔与围岩的裂隙无法 导通,保证测压孔无漏水现象。 2技术工艺。测压孔设计为两级套管①先 用直径大于108 mm的钻头开孔,在钻进2～3 m 后退出钻杆,扫净孔内岩粉,将护口管直径小 于108 mm送进孔内,将水和水泥按一定比例制 成水泥浆注浆入孔内加固护口管,之后做耐压试 验,最低压力610 MPa,该级套管主要作用是保护 孔口。②孔口管耐压试验合格后,用直径大于89 mm直径小于108 mm的钻头打孔,打至含水层 顶面时停钻,下入 �89 mm套管,套管注浆固结和 封堵含水层水源,之后做耐压试验,最低压力610 MPa,保证钻孔扫孔后无水和不漏气。套管固结示 意如图1所示。 图1 套管固结示意 上述工作完成后,用直径大于63 mm直径小 于89 mm钻头扫孔,扫孔时要穿透煤层,然后用 正常封孔技术进行测压。 2 聚氨酯泡沫和水泥砂浆封孔测压工艺 在选定的测压地点进行测压,钻孔直径为 63～5;打钻同时测压人员可在巷道内准备好 所需材料,连接测压管。 2由用水改换用风扫孔,可以将测压钻孔内 的煤渣及煤粉清理干净,以提高密封效果。 3将2条毛巾分别绑在2个聚氨酯泡沫封孔 段的2个挡盘之间。 4取2份封孔剂,分别为黑料多异氰酸酯 RNCO和白料聚醚多元ROH和助剂,将 2份封孔剂分别均匀倒在2条毛巾上,同时转动测 压管,将带有封孔剂的毛巾缠裹在封孔管上,用细 铁丝绑好,最后用导杆将封孔管送至测压孔内预定 位置。 5等封孔剂凝固以后将准备好的水泥砂浆注 入测压孔中,待水泥砂浆凝固后,将引出孔外的测 压管接上瓦斯压力表为了加速瓦斯压力的上升, 缩短测压时间,可以向测压室充入高压氮气,进行 主动法测压。 6封孔结束后,要定时观察和记录瓦斯压 力、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。 7测压结束后,可以收回压力表。套管固结 封孔测压示意如图2所示。 1 筛孔管头;2 测压室;3 聚氨酯 封孔段;4 挡板; 5 测压管;6, 7,10 水泥;8 套管二;9 套管一;11 法兰;12 手把;13 测压注气口;14 瓦斯压力表;15 煤层 图2 套管固结封孔测压示意 3 现场应用 焦作煤业集团鑫珠春工业有限责任公司 设计生产能力为60万t/a,主采煤层为二1煤和一5 煤,服务年限58年。一5煤层正常生产期间的绝对 瓦斯涌出量最大为2153 m 3 /min,相对瓦斯涌出量 最大为6174 m 3 /t,为低瓦斯煤层。压力试验地点 选在一5煤层,该煤层顶板主要含水层为L8灰岩裂 隙含水层和L5灰岩裂隙含水层,其涌水特点是 一般从裂隙中涌出,随着新出水点的出现,老出水 点逐渐减少或干涸,涌水量一般在0105～0150 m 3 /m in,随着开采面积的增大水量无明显增加, 其补给量有限。该煤层底板主要含水层为L灰岩 裂隙含水层、O灰岩溶洞含水层。L灰岩裂隙含水 53 1 7mm 2 22 2009年第3期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 层其岩溶裂隙发育很不均匀,靠近断层带岩溶裂隙 较发育,富水性好;在完整地段发育较差。该层水 在遇断层或矿压集中地带多发生底鼓突水,突水量 一般为115～510 m 3 /min,最大可达10 m 3 /min, 该层水富水性强,水源充沛,是一5煤开采时底板 突水威胁最大的含水层。 311 瓦斯测压点的选择 为了准确测定煤层瓦斯压力,测压地点应选在 石门或岩巷中,岩性致密且无断层、裂隙等地质构 造带,测压钻孔应避开采动、瓦斯抽采及其他人为 卸压影响范围,不受断层影响和裂隙小的地区,选 择要具有代表性的地点。按上述原则,经分析和考 虑测压地点选在中北区石门,原二煤南区石门交叉 口处,见煤标高为- 60 m。 312 煤层瓦斯压力测定技术工艺 该试验测压孔设计为2级套管①先用 �108 mm钻头开孔,打2 m后下 �108 mm套管并进行水 泥固结,该级套管主要为护孔口。②用 �89 mm钻 头打钻,打至L5灰含水层顶面时停钻,下入 �89 mm套管,套管注浆固结和封堵L5灰以上水 源,之后并做耐压试验,最低压力610 MPa,保证 钻孔扫孔后无水和不漏气。 上述工作完成后,用 �63 mm钻头打钻至一5煤 012 m处,用水泥封堵L5灰水,经固结后扫孔,扫 孔时由用水改换用风,扫至一5煤处,扫孔时要穿 透一5煤。应用套管固结封孔技术对该矿一5煤层进 行煤层瓦斯压力测定,测定参数如下 倾角/- 90 煤层标高/m- 60 孔径/mm63 孔深/m1518 岩孔长度/m1416 封孔长度/m1410 表压/MPa014 313 煤层瓦斯压力恢复情况 由于经过3次12 MPa压力的注浆封堵裂隙, 填充了测压管附近的岩溶裂隙,使得测压数据不再 含有水压的因素。 通过煤层瓦斯压力自然恢复曲线可以看出,套 管固结封孔技术,使得测压气室的容积减小,瓦斯 压力恢复较快,经过,表压稳定在1M。 瓦斯压力自然恢复曲线如图3所示。 图3 54采区测定瓦斯压力自然恢复曲线 4 效果检验 为检验套管带压固结封孔技术所测煤层瓦斯压 力的准确性,利用煤层瓦斯压力间接计算法计算出 煤层瓦斯压力。在测定煤层瓦斯压力的同时,选择 了2个地点采取新鲜煤样配套作了煤对瓦斯吸附常 数、工业分析及其孔隙率。 由大量的研究表明煤层瓦斯含量X0与瓦斯 压力P满足郎格谬尔吸附方程,煤层瓦斯含量与 瓦斯压力的关系可描述为 [ 1 ] X abP 1 bP 1 0131Mad exp[ n ts- t ] 100KP k 1 X0 X 100- Mad- Af 100 2 式中 X 煤中可燃质中的瓦斯含量, m 3 / t; a 吸附常数,煤的极限吸附量, m 3 /t; b 吸附常数, MPa - 1 ; ts 实验室作吸附试验的温度,取30℃; t 井下煤体温度,℃,取23℃; Mad 煤中水分含量, ; Af 煤中灰分含量, ; n 系数,按n 0102 01993 0107P确定 ; K 煤的孔隙容积, m 3 /t; k 甲烷的压缩系数,取1108。 利用上述公式和测定瓦斯含量等参数,可间接 计算出各含量点瓦斯压力,瓦斯压力间接计算结果 见表1。 由瓦斯压力间接计算结果可以看出,煤层瓦斯 压力在0140～0142 MPa,其数据与套管带压固结 封孔技术所测煤层原始瓦斯表压力0140 MPa 基本相符,套管带压固结封孔技术所测煤层瓦斯压 力为煤层原始瓦斯压力,不含有其他干扰因素。 63 2 d0 40Pa 李 波等套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用2009年第3期 表1 瓦斯压力间接计算结果 采样地点 标高/ m 原煤瓦斯含量/ m3t- 1 a/ m3t- 1 b/ MPa - 1 灰分质量 分数/ 水分质量 分数/ 瓦斯压 力/MPa 54002回风巷距开口688 m处- 506133481276112551916641110140 54采区轨道下山距运输巷风桥向下30 m- 775105461840112962015061100142 5 结 论 1封堵裂隙,使得测压孔周围的含水层的水 分难以进入测压孔,这可以消除由水压带来所测煤 层瓦斯压力过大的情况。 2利用套管带压固结封孔技术进行注浆可以 消除因不能严密封闭钻孔周边的裂隙,易于漏气, 测出的瓦斯压力值通常低于真实的煤层瓦斯压力。 3可以避免在松软岩层或煤层打测压钻孔时 出现塌孔,糊孔时,测压封孔设备会被埋入孔中, 无法回收的现象。 参考文献 [ 1] 俞启香.矿井瓦斯防治[ M ].徐州中国矿业大学出版 社,1992. 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[ 6] 刘 由 页.煤层瓦斯压力测定中的注浆封孔工艺分析[ J]. 科技信息, 200711. 作者简介李 波1985 - ,男,河南周口人,硕士研究生, 主要从 事矿 井瓦 斯灾 害 防治 方面 的 学习 和 研究 工作。Tel 13839117169,E - mailanquanlibo1631com 收稿日期 2008 - 12 - 16;责任编辑王晓珍 上接第6页 率小于50的情况下,利用式1计算的结果与 模拟结果相近,误差不大,能满足煤柱设计的需 要;而当采出率大于50时,式1计算的结 果,大部分小于模拟结果,并且相差很大,此时, 采用式1对煤柱宽度进行设计时,对煤柱的稳 定性将非常不利,而一般条带开采采出率多小于 50,并且此公式具有计算方便、容易操作等优 点,在一般条带煤柱设计的应用上将有很大空间。 利用式6计算的结果与模拟结果都比较相近, 引入了采出率之后,公式考虑的影响因素更加全 面,计算的结果也与实际更加接近,这样能更合理 地对煤柱宽度进行设计,保证煤柱的稳定性的同 时,避免留设煤柱过宽。 3 结 论 1利用FLAC 3D数值模拟软件模拟了条带开采 煤柱塑性区宽度的分布情况,并通过线性回归方法 得出了塑性区宽度与采深、采高关系的比例系数为 15,大于1,与国内有关学者的观点 相吻合。在采出率小于5 的情况下,用此公式 进行条带设计具有计算简便,容易操作的优点,不 适合对采出率大于50的条带开采进行煤柱设计。 2利用二元线性回归的方法总结出了塑性区 宽度与采深、采高及采出率的关系公式,利用该公 式进行煤柱设计时,能更准确地确定煤柱宽度,有 利于煤柱的稳定。 参考文献 [ 1] MA N ian - jie, LI U Hong - tao,SH I Hao - yu,et al1Numeri2 cal Simulation Research of Coal Pillar Safety in Shang wan Mine [C ] / /A sia Pacific Symposium on Safety, 2005. [ 2] 王旭春,黄福昌,张怀新,等 1A1H1威尔逊煤柱设计公式 探讨及改进[ J ].煤炭学报,20026. [ 3] 郭文兵 1条带开采的非线性理论模型与应用研究[ D ].徐 州中国矿业大学, 2004. [ 4] 刘 贵 1古城煤矿深部厚煤层条带开采煤柱稳定性及对村 庄的影响研究[ D ].北京煤炭科学研究总院,2007. 作者简介刘 贵 1980 -,男,安徽蒙城人,硕士,助理 工程 师,从 事 “三 下 ”采 煤及 相 关 研 究 工 作。Tel010 - 84264163,E - mailliuguislsina1com 收稿日期;责任编辑曾康生 3 0 00710 004 92 02008 - 12 - 18 7