井筒下向孔测瓦斯压力封孔技术研究和应用.pdf

总第 1 8 2期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 2 7 9 8 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 7 井筒下向孔测瓦斯压力封孔技术研究和应用 吴 阳 天 r 河南理工大学 安全工程学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要 瓦斯压力是煤层瓦斯的重要基础参数， 瓦斯压力的准确测定对煤矿安全生产具有重要意义。文章 针对下向孔测压封孔过程中水大导致聚氨酯堵头无法反应完全 ， 造成封堵效果差的难题， 采用 自制造雪粉 堵头配合配套的封孔工艺 ， 成功地封堵浆液， 避免了浆液进入测压气室， 并运用这一封孔技术在现场成功 测得赵庄煤矿南苏风井的瓦斯压力。此法工艺简单， 效果容易保证 ， 对在复杂条件下的测压封孔有一定的 推广价值。 关键词 下向孔； 堵头； 造雪粉； 瓦斯压力； 井简 中图分类号 T D 7 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 ． 2 7 9 8 2 0 1 4 1 0 0 0 2 2 0 3 S h a f t Do wn wa r d Ho l e M e a s u r e me nt Ga s Pr e s s u r e S e a l i n g o f Ho l e Te c h n o l o g y Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n W U Ya n g H e n a n U n iv e r s i t y o fS c i e n c e a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t The g a s p r e s s u r e i s a n i mpo rta nt ba s i s o f c o a l s e a m g a s pa r a me t e r s ， i t h a s g r e a t s i g n i f i c a n c e o n g a s p r e s s u r e a c c u r a t e de t e r mi n a t i o n o n c o al mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n ． T h i s p a p e r a i mi n g a t l arg e w a t e r c a u s e p o l y u r e t h a n e p l u g c a n 1 r e s p o n s e c o mp l e t e l y d u r i n g t h e d o w n ward h o l e p r e s s u r e h o l e s e ali n g p r o c e s s ， i t c a u s e d t h e p o o r s e a l i n g e f f e c t p r o b l e m ， i t wa s c o o p e r a t e d t o f o r m a c o mp l e t e s e t o f h o l e s e a l i n g p r o c e s s b y u s i n g t h e s n o w ma k i n g p o w d e r p l u g， i t s u c c e e d e d i n b l o c k i n g gro u t ， a v o i d t h e s l u r r y i n t o t h e me a s u r i n g a i r c h a mb e r ， an d i t h a s s u c c e s s me a s u r e d o n s i t e g a s p r e s s u r e b y u s i n g a h o l e t e c h n o l o g y o f N a n s u V e n t i l a t i n g s h aft i n Z h a o z h u a n g C o al Mi n e ． T h i s p r o c e s s i s s i mp l e a n d e a s y t o g u ara n t e e e f f e c t ， i t h a s c e r t a i n p r o mo t i o n v a l u e f o r p r e s s u r e s e ali n g h o l e u n d e r t h e c o mp l e x c o n d i t i o n ． Ke y wo r d s d o w n w a r d h o l e ； p l u g ； s n o w ma k i n g p o w d e r ； g a s p r e s s u r e； w e l l b o r e 瓦斯压力是煤层瓦斯的重要参数， 是煤矿采掘过程 中进行煤与瓦斯突出危险l生 预测以及制定瓦斯灾害防治 措施的重要依据。因此， 煤层瓦斯压力的准确测定是有 效开展瓦斯预测和防治工作的重要技术保障 J 。 煤层瓦斯压力 的测定通常是在岩石巷道 中向煤 层打穿层上 向钻孔 ， 然后封孔测压。然而， 由于现场 条件的限制 ， 有时只能打下 向孔进行测压。 目前下 向测压孔的封孔方法主要有二次成孔二次注浆封孔 法 J ， 分步分段封孔法 I 4 J ， 马尾巴封孔法 J 。但是 这几种方法工艺相对来说 比较复 杂， 封孔效果难 以 保证， 使用都有其局限性。 就现在的研究现状来说， 下向测压孔的封孔存 在以下难题 ①由于水泥砂浆和水的重力引起的渗透 作用， 会使下向钻孔封孔时难以形成测压气室。②要 完全避开地质构造带、 围岩破碎带较为困难， 增加 了 2 2 封孔的难度。③若钻孔沟通含水层内的承压水， 水进 入钻孔 ， 甚至淹没钻孔， 就会影 响煤 中瓦斯的正常吸 附解吸和测压 的准确性。本文基于赵庄矿南苏风井 的实际条件 ， 对下向测压孔的封孔工艺进行探讨。 1 矿井 概况 晋煤集团赵庄矿南苏风井是为提升赵庄矿副立 井的提升能力而新建 的立井。现已掘至地下7 3 1 i n ， 距3号煤层 1 0 in， 但是揭煤前缺少煤层瓦斯 的相关 参数 ， 需打下向孔至煤层对瓦斯压力进行 实测。井 田构造总体为一走向 N N E 、 倾向 N W、 倾角 5 ～ 1 0 。 的 单斜构造， 在此基础上发育一系列 N N E向的宽缓褶 曲及次一级的小型短轴褶 曲， 并伴有少量断层和陷 落柱 。3号煤 层 位 于 山 西组 下 部， 上 距 砂 岩 2 4 ． 0 8～ 4 8 ． 5 3 in， 平均 3 2 ． 3 5 in； 下距 K 7砂 岩 0～ 收稿 日期 2 0 1 4 -0 6 - 2 5 作者简介 吴阳 1 9 8 8一 ， 男， 河南南阳人 ， 在读硕士研究生， 研究方向为瓦斯灾害防治。 2 0 1 4年 1 0月 吴 阳 井筒下向孔测瓦斯压力封孔技术研究和应用 第2 3卷第1 0期 l 2 ． 8 O m， 平均 7 ． 2 0 m， 层位稳定。是主要可采煤层 之一 。煤厚 06 ． 3 5 1T I ， 平均 4 ． 5 5 m。变 异 系数 2 5 ％ ， 可采性指数 0 ． 9 8 。顶板 主要 为泥岩 、 砂 质泥 岩 ， 次为粉砂岩 ， 局部 为中、 细粒砂 岩。底板主要为 泥岩、 砂质泥岩 ， 个别 为中、 细粒砂岩或粉砂岩。该 井 田含水层较多 ， 井筒 内淋水严重。 2 封孔工艺及原理 2 ． 1 封孔工艺设计原理 下 向孔封孔测压 的关键有两点 一是要成功地 形成测压气室 ， 不能被水泥浆液堵塞 ； 二是要成功地 封堵钻孔周 围裂隙 ， 防止形成瓦斯漏气 的通道。因 此 ， 需要选择合适 的材料做堵头。在现场淋水严 重 的情况下 ， 对堵头 的要求是既能起 到封堵水泥浆 液 的作用 ， 又能承受一定的压力 ， 使水泥在压力的作用 下能进入打钻时形成的孔壁裂 隙， 堵塞瓦斯 的漏气 通道。本次封孔测压通过挡盘和自制堵头的配合作 用达到这一 目的， 成功地测得 了赵庄矿南苏风井 的 3号煤层的瓦斯压力 。 2 ． 2 材料的选择 本次封孔采用两堵一注的封孔方式， 但是现场 由于淋水严重 ， 封孔时整个钻孔 已被水淹没 ， 用压风 将孔 内积水排出后也会在短时间内再次充满 。聚氨 酯遇水不能完全反应 ， 会影响封堵的效果 ， 导致水泥 浆液渗入测压气 室从而导致封孔 的失败 ， 因此堵头 的封堵效果是封孔成败的关键， 所以不能再使用以 往 的聚氨酯作堵头。针对钻孔特殊 的条件 ， 为了达 到封堵水泥浆液 的 目的， 选 用新 的封堵浆液 的材料 为造雪粉 ， 造雪粉堵头有两个特点 ① 自制造雪粉堵 头遇水膨胀 ， 反应迅速。② 自制造雪粉堵头膨胀后能 够很好地变形 ， 能与钻孔壁很好地契合 ， 充满整个钻 孔断面 ， 达到封堵浆液并带压的 目的。自制的造雪粉 堵头作为封堵浆液的封堵材料膨胀后如图 1所示。 图 1 造雪粉膨胀后模拟封孔 2 ． 3 现场操作步骤 封孑 L 工艺结构如图 2所示。 1 为了保证堵头 的封堵效果和降低水泥浆液 自身重力的影响， 选用 7 5 m m的直径钻头打钻， 钻 孔倾角 5 O 。 ， 钻孔完成后 ， 用压风把钻孔的钻屑排 出。 2 将 自制造雪粉堵头绑在预先焊有挡盘的测 压管和排水管上 具体位置为两挡盘的中间， 测压管 前段是打有 D1 0 I T I I T I 足够多的气眼的花管 ， 快速依 次连接中间管 ， 并将测压管 、 排水管送人设计的深度。 3 由于钻孔 已经被水充 满， 所 以不需要另外 向钻孔注水 ， 而钻孔轴向方向已经被挡盘所 限制 ， 所 以造雪粉堵头会在水的作用下在钻孔径向方向发生 膨胀变形 ， 从而紧贴钻孔壁 ， 达到封堵的效果。 4 1 0 mi n后 待造雪粉堵头膨胀完毕 ， 用压风 将孔 内积水排出 ， 然后安装孔 口端封孔装置， 孔 口端 用聚氨酯作封堵材料。 5 两端封堵完成 ， 用注浆泵把水 、 水泥 、 速凝 剂和膨胀剂混合均匀后以 2 M P a的注浆压力注入钻 孔两端堵头形成 的空腔 内， 当反浆管有浆液流 出时 关闭反浆管球阀， 继续注入 1 m i n以使孔内浆液在 较高的压力下能渗入煤层的孔隙、 裂隙内， 然后关 闭 注浆与反浆管球阀 ， 注浆工作完成 。 6 待浆液凝 固 2 4 h后 ， 用压风管通过变径连 接注浆管将测压气 室 内的积水通过排水 管排 出钻 孔。然后连接好压 力表 ， 封住排 水管。利用 煤层 自 然压力恢复法测量 3号煤层原始瓦斯压力。 图2 封孔工艺结构 2 ． 4 注意事项 1 下测压管 和排水管 的过程一定要 快速进 行 ， 可以事先将测压管两根连在一起 ， 防止在下管过 程 中造雪粉堵头完全膨胀堵住钻孔 ， 导致测压管和 排水管无法到达预定的深度 。 2 自制造雪粉堵头一定要安置在两个挡盘的 中间 ， 这样可以限制造雪粉堵头在钻孔轴 向方 向的 膨胀变形 ， 使其沿着钻孔径 向方 向膨胀变形 ， 以便与 钻孔壁紧密契合 。 3 待水泥浆液凝 固完毕后 ， 一定要用压 风将 测压气室中的水排 出， 防止 由于水的作用而影 响了 煤 中瓦斯的正常吸附解吸 ， 避免对测压结果的影响。 3 试 验结果 在赵庄矿南苏风井的井筒断面实施 了 2个测压 孔， 采用同样的封孔工艺进行封孑 L ， 钻孔的具体参数 见表 1 ， 封孔完成后每天观测压力表数据， 根据数据 显示， 自 封孔后压力表数据缓慢上升， 2 个测压孔都 在 l 周左右完成了测压， 压力表读数稳定并且不再 上升。根据该井筒施工前 的井检孔数据显示 ， 该井 23 2 0 1 4年 1 0月 吴 阳 井筒下向孔测瓦斯压力封孔技术研究和应用 第2 3卷第1 0期 筒范围内3号煤层处于风氧化带 内， 瓦斯压力较低。 赵庄矿曾经测定的瓦斯压力是 0 ． 4 6 M P a ， 本次测定 的压力应为真实的瓦斯压力 ， 瓦斯压力恢复曲线如 图 3和图4所示 。 表 1 测压钻孔的参数及测压结果 囊 嚣 时间，d 图3 1 号测压孔压力恢复曲线 4 结语 1 利用造雪粉做下 向测压孔下方堵头 ， 成功 地克服了现场淋水严重 的难题 ， 并且巧妙地利用孔 内积水作为造雪粉膨胀变形的媒介。借助挡盘在钻 孔轴 向方 向的限制 ， 使造雪 粉堵头在钻孔径 向方 向 的带压 ， 成功地将测压气室跟注浆 区域隔开 ， 避免了 浆液向下渗入测压气室。 曼 0 2 4 6 8 i 0 1 2 1 4 l 6 时间／ d 图 4 2号测压孔压力恢复曲线 2 在赵庄矿南苏风井 的现场应用表明该封孔 工艺操作简单 ， 效果好 ， 能解决施工 现场水大 的问 题。注浆过程能实现带压 ， 解决 了孔壁裂隙漏气的 问题。并最终成功测得 了瓦斯压力 ， 对下 向测压孔 的封孔有一定的推广价值 。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 袁亮． 松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[ M] ． 北 京 煤矿工业出版社 ， 2 0 0 4 1 2 ． 张瑞林， 刘晓， 吴仕彦． 俯角测压封孔技术应用研究 [ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 8 3 3 5 3 6 ． 苏祖来． 多步分段封孔技术在测量下向测压孔中的应 用[ J ] ． 淮南职业技术学院学报， 2 0 1 0 1 0 1 3 1 5 ． 韩剑． 岩巷下向孔瓦斯压力直接测定法的改进和应 用[ J ] ． 煤 ， 2 0 1 0 ， 1 9 1 2 1 92 1 ． 黄长国， 周华龙， 刘志伟． 下向测压孔封孔技术及应用 [ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 0 9 ， 3 6 S 1 1 1 1 1 1 2 ． [ 责任编辑 常丽芳】 上接 第 7页 加强筋 、 T形加强筋 、 半 圆环形 加强 筋 、 空心方形加强筋的抗拉 压 能力相同； 2 相同横截面积的 I 形加强筋、 T形加强筋、 半圆环形加强筋 、 空心方形加强筋的抗弯 曲能力大 小关系式 空心方形 半 圆环形 T形 I 形 ； 3 以I 形加强筋的抗弯曲能力为基准， 空心 方形加强筋是 I 形加强筋 的 1 ． 7 6倍 ； 半 圆环形加强 筋是 I 形加强筋的 1 ． 6 0倍； T形加强筋是 I 形加强 筋 的 1 ． 1 3倍 ； 4 相同横截面积的 I 形加强筋 、 T形加强筋 、 半 圆环形加强筋 、 空心方形加强筋的抗爆 承压能力 大小关系式 半圆环形 空心方形 T形 I 形。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] 参考文献 [ 1 1 ] [ 1 ] 吴中立． 矿井通风与安全[ M] ． 徐州 中国矿业大学 出 版社 ， 2 0 0 6 1 2 ． [ 2 ] 汪声， 金龙哲， 栗婧． 国外矿用应急救生舱技术现 状[ J ] ． 中国安全生产科学技术 ， 2 0 1 0 ， 6 4 1 1 9 1 2 3 ． [ 3 ] 金龙哲， 蒋仲安， 张英华． 矿山安全工程[ M] ， 北京 机 械工业出版社 ， 2 0 1 1 51 8 ． [ 4 ] 王进军， 陈光柱， 夏小东． 煤矿井下救生舱舱体结构设 2 4 [ 1 2 ] 计与分析[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 1 2 1 31 5 ． 金亮亮 ， 杨旭东， 罗德刚． 煤矿救生舱加强肋的设计与 分析[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 1 1 1 21 4 ． 胡益平． 材料力学[ M] ． 成都 四川大学出版社， 2 0 1 3 3 5 5 0 ． 贾锐， 石秀华 ， 徐宇明． 基于 A N S Y S的圆柱薄壳结构 模态分析[ J ] ． 弹箭与制导学报， 2 0 0 8 ， 2 8 6 3 1 4 3 1 6 ． 马立东， 潘海彦， 王 云． 井下救生舱抵抗爆炸冲击的 数值模拟[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 1 2 ， 3 1 2 0 1 7 21 7 6 ． 杨旭东， 金亮亮 ， 李家春． 煤矿救生舱的爆炸模拟分析 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 2 ， 3 2 2 1 1 31 1 4 ． 吴兵， 张莉聪 ， 徐景德． 瓦斯爆炸运动火焰生成压力 波的 数值 模 拟 [ J ] ．中 国矿 业 大 学 学 报， 2 0 0 5 ， 1 6 1 1 1 9 31 9 6 ． 田志敏 ， 邬玉斌 ， 罗奇峰． 隧道内爆炸冲击波传播特性 及爆炸荷载分布规律研究 [ J ] ． 振动与冲击 ， 2 0 1 1 ， 1 6 1 1 7 2 7 8 ． 王杨 ， 郭则庆， 姜孝海． 冲击波超压峰值的数值计算 [ J ] ． 南京理工大学学报， 2 0 0 9 ， 1 8 1 0 3 9 23 9 4 ． [ 责任编辑 常丽芳】