聚氨酯-水泥带压注水封孔测压技术研究.pdf

第 l 0卷第 7期 2 0 1 4年 7月 中 国 安 全 J o u r n a l o f S a f e t y 生 产 科 学 技 术 S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo l I 1 0 No ． 7 J u 1 ．2 0 1 4 文章编号 1 6 7 3 1 9 3 X 2 0 1 4 一 0 7 0 1 4 7 0 5 聚氨酯 一水泥带压 注水封孑 L 测压 技术研 究 董 贺， 王佰顺 安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 基于传统上向钻孔测压技术的分析 ， 提出一种新型上向孔测压技术一聚氨酯一水泥带压 注水封孔测压技术。该技术利用气体渗透性大于液体的弱点 ， 变传统封堵漏气通道为封堵液体泄 漏通道 ， 降低封堵漏气难易程度 ， 提高测压成功率； 同时利用水作为动力介质和辅助封孔材料， 实 现主动测压和钻孔带压注浆， 隔绝钻孔瓦斯与外界环境的直接接触 ， 提高系统本身测压的可靠性。 通过理论分析及与常用测压技术对比表明， 该技术用于煤层瓦斯压力测定是完全可行的。 关键词 瓦斯压力 ； 带压注水； 带压注浆 ； 主动测压；上向孔 中图分类号 X 9 3 6 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 1 1 7 3 1 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 3 - 1 9 3 x ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 2 6 S t u d y o n p r e s s u r e me a s u r e me n t t e c h n o l o g y o f w a t e r i n j e c t i o n s e a l i n g un de r pr e s s u r e b y p o l y ur e t ha ne - c e me nt DONG He，WANG F a c u l t y o f E n e r g y a n d S a f e t y ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e Ba i ． s h un ＆ T e c h n o l o gy， H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t r a d i t i o n a l g a s me a s u r e me n t t e c h n o l o g i e s o f u p w a r d h o l e d r i l l i n g， a n e w me a s u r - i n g t e c h n o l o gy w a s p r o p o s e d ，n a me l y p r e s s u r e m e a s u r e me n t t e c h n o l o gy o f w a t e r i n j e c t i o n s e a l i n g u n d e r p r e s s u r e b y p o l y u r e t h a n e c e me n t ．As t h e p e r me a b i l i t y o f g a s i s l a r g e r t h a n l i q u i d，t h e n e w t e c h n o l o gy s e a l e d g a s l e a k a g e c h a n n e l s i n s t e a d o f l i q u i d i n o r d e r t o r e d u c e t he de g r e e o f s e ali n g l e a k a g e a n d i mp r o v e t h e S u c c e s s r a t e o f p r e s s u r e me a s - u r e me n t ． At t h e s a me t i me，b y u s i n g t h e wa t e r a s mo t i v e me d i u m a n d a u x i l i a r y h o l e s e ali n g ma t e r i a l ，t h e a c t i v e p r e s s u r e me a s u r e me n t a nd d r i l l i n g g r o ut i n g u n d e r p r e s s u r e c a n b e a c h i e v e d．I t c a n c u t o ff t h e d i r e c t c o n t a c t o f g a s wi t h t h e e x t e rna l e n v i r o n me n t ，a n d i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f p r e s s u r e me a s u r e me n t s y s t e m i t s e l f ． By t h e o r e t i c a l a - n a l y s i s a n d c o n t r a s t i v e a n a l y s i s w i t h o t h e r g e n e r a l g a s me a s u r e me n t t e c h n o l o g i e s ，i t s h o w e d t h a t a p p l y i n g t h i s t e c h - n o l o gy o n p r e s s u r e me a s u r e me n t o f c o al s e a m g a s i s f e a s i b l e ． Ke y w o r d s g a s p r e s s u r e ；w a t e r i n j e c t i o n u n d e r p r e s s u r e ；g r o u t i n g u n d e r p r e s s u r e ；a c t i v e m e a s u r e m e n t o f g a s p r e s s u r e；u p wa r d- h o l e 0 引言 瓦斯压力是研究和治理煤层瓦斯灾害最重要和 收稿 日期 2 0 1 31 2 2 9 作者简介董贺， 硕士研究生。 最基础参数之一 ， 准确测定煤层瓦斯压力对 于预测 煤层突出危险性大小 ， 制定煤层瓦斯灾 害预 防和治 理措施 ， 评价 瓦斯 预抽措施效果具 有重要意 义 J 。 我国煤层瓦斯压力测定主要采取直接测定法 ， 且大 多采用上向孔进行， 但测压成功率不高 j 。在煤 层瓦斯压力测定过程 中， 常 出现 以下四种钻孔瓦斯 漏气情况 通过巷道围岩泄压圈及裂隙向外泄漏 ； 通 过钻孔次生裂隙向外泄漏 ； 通过密封材料 向外漏气 ； 1 4 8 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 1 0卷 通过测压仪器及连接装置向外漏气。 目前 ， 上向穿 层钻孔测压多采用 常规注浆封孔法， 二 次开孔二次 注浆法及“ 两堵一注” 封孑 L 法进行煤层瓦斯测定 ， 但 这些测压技术多有不足之处， 要么封孔不严密 、 要么 封孔 工艺 过 于复 杂 ， 难 以操 作 、 要 么 封孔 成 本过 高 一 。鉴于此 ， 为完善上向钻孔封孔测压技术 ， 提 高直接法测压结果的真实可靠性 ， 本文提 出聚氨酯 一 水泥带压注水封孔测压技术的研究 。 1 上向子 L 常用测压技术介绍 1 ． 1 常规封孔测压法 该测压技术通常是在合适 的地点布置一孔径大 小适中的测压孔 ， 待钻孔施工完毕后 ， 将测压管路 、 注浆管路分别下放至钻孔设计的深度 ， 而后用黄泥 、 木赛将孔 口封堵严实 ， 目前多采用聚氨酯封孔 口段。 待孔 口密封结实后 ， 连着注浆泵和注浆管 ， 将配比好 的水泥浆注入测压孔 内。注浆过程中 ， 可向水泥浆 中加入适量速凝剂 ， 待注浆达到预计深度后 ， 通常以 测压管返浆 为准 ， 关 闭注浆泵。待水泥浆凝 固 2 4 h 后 ， 安装压力表并进行煤层瓦斯压力测定 。 技术缺陷 ①被动测压， 测压时间较长。②水泥 浆靠重力作用凝结在钻孔底部 ， 不能有效封堵钻孔 围岩裂隙 ， 对于煤层致密坚硬性底板围岩封孔测压 较好 ， 准确测压适用有限。③压力表连接处易发生 漏气 ， 导致测压工作繁琐 、 费力、 误时。 1 ． 2两 堵 一注封 孑 L 测 压法 该封孔技术 可有效封堵钻孔周 围裂隙 ， 钻孔 按设计施工完毕后 ， 用管箍和生胶带分别将花管 1 ～ 2节 、 带挡板的镀锌铁管 1节 及镀锌铁管按 自 上而下的顺序连接好 ， 并用编织袋 和铁丝将沾有聚 氨酯的棉纱包裹在挡板处 ， 送至钻孔设计深度 。待 上堵头凝固后 ， 分别将返浆管 、 注浆管送至钻孔设计 深度 ， 孔 口用聚氨酯封堵固定 ， 而后将注浆泵与注浆 管连接进行注浆 ， 待返浆管返浆后 ， 关 闭返浆管球阀 进行带压注浆 ， 注浆压力 达到 2～3 MP a ， 并稳定 1 5 m i n后 ， 关闭注浆管球 阀， 此时封孔结束。待水泥 浆凝固 2 4 h后， 安装压力表并进行煤层瓦斯压力 测定 。 技术缺陷 ①聚氨酯反应速率快， 封堵上堵头比 较费力 ， 上堵头往往不能送至预定位置 ， 导致封孔深 度不合要求， 测压结果不理想。②返浆管下孔深度 大 ， 与测压管各关节处的管箍易发生卡管现象， 致使 返浆管下孔深度不够， 注浆封孔深度不合要求。③ 压力表连接处也易发生漏气。 1 ． 3二次开孔二次注浆封孔测压法 该测压技术为解决在复杂地质段测压 而提 出， 目前在煤矿应用较多， 其主要封孔工艺为 在选择好 的测压地点 ， 首先施工 1 3 3 ram的钻孔 ， 钻孑 L 施工深 度至煤层底板 2 m处 ， 退 出钻杆 。孑 L 口用带法 兰盘 套管和聚氨酯固定， 孔口固定后， 用注浆泵将配比好 的水泥浆带压注人岩孑 L 内， 待注浆压力达到 4～ 6 MP a 并稳定 1 5 rai n后 ， 注浆结束。此 时完 成一 次开 孔 ， 一次注浆 ， 待注浆完成 2 4 h后 ， 用 9 4 mm钻头沿 原孔中心线钻进 至设计深度 ， 压风清扫钻孔 ， 采用聚 氨酯水泥砂浆封孔法完成二次开孔二次注浆。待封 孔结束后 ， 安装压力表进行煤层瓦斯压力测定。 技术缺陷 ①工艺复杂， 费时费力， 封孔成本高。 ②实际操作中， 因管理不严 ， 一次注浆压力偏低 ， 封 孔深度不合要求， 效果不理想。③二次开孔时， 法兰 盘不易直接卸掉 ， 导致测压误工 、 费时。④压力表连 接处同样易出现漏气的发生。 2新型封孔测压技 术 2 ． 1 钻孔密封测压机理 如图 1所示 ， 聚氨酯 一水泥带压注水封孔技术 由聚氨酯 、 水泥、 水三部分组成。 压 图 1 聚氨酯 一水泥带压注水封孔示意 图 其中， 聚氨酯位 于孔 口外端 ， 用于固定孔 口； 水 第 7期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 4 9 泥位于封孑 L 段 的中部 ， 用于密封钻孔及钻孔周 围裂 隙 、 孑 L 隙， 防止漏水 ； 水位于测压管及钻孔顶部 ， 作瓦 斯压力传递介质及辅助封孔材料。在封孔过程 中， 水泥砂浆由注浆管注入钻孔 ， 待测压管返浆后 ， 停止 注浆， 为检验测压孔地点选择是否恰 当， 钻孔周围是 否存在小的构造裂隙， 可通 过井 下压风管路经测压 管向煤层补入空气 ， 一段时间后 ， 若钻孔有压 ， 则 由 测压孔向钻孔带压注水。此 时， 钻孔气体 因水 的充 填作用， 将逐渐被赶人煤层测压室内， 可有效防止压 力观测过程中钻孔瓦斯通过巷道泄压圈 向外泄漏 ， 同时气体因体积缩小 ， 压力将升高 ， 即相当于封孔结 束后 向钻 l l t “ 人高压气体 ， 实现主动测压 ； 其次 ， 水 泥浆在水压作用下， 不断渗入钻孔周围裂隙， 有效封 堵钻孔围岩裂隙 ； 另外 ， 水泥浆实现带压凝 固， 保证 了封孔材料的密封效果 ， 可有效防止水通过密封介 质向外泄漏。待注水压力达 到预定值后 ， 关 闭注水 球阀， 封孔结束， 进行煤层瓦斯压力测定。这样水作 为压力传导介质保留在测压孔内， 将瓦斯气体与测 压管 、 水泥 、 聚氨酯 、 钻孔隔离 ， 杜绝钻孔瓦斯发生漏 气的各种可能性 ， 提高测压系统的可靠性 。同时， 由 于气体渗透性大于液体， 因此， 对该测压技术来言， 钻孔封堵防泄漏的困难程度降低， 钻孔密封质量相 对变好 ， 可提高测压成功率 ， 且可有效解决压力表连 接处易漏气的问题 ， 实现测压技术的本质安全 、 测压 工作 的便捷高效 。 2 ． 2封孑 L 测压工艺 ①在选定地点施工钻孔至煤层 0 ． 5 m。②花眼 管用纱 网包裹好 ， 并用生胶带和管箍将测压管及注 浆管 每节 2 m 连接好 ， 送至钻孔设计深 度。③孔 口段用聚氨酯封堵 2～3 i n ， 水泥砂浆按水灰 比 1 1进行调配， 并经由注浆管注入钻孔 ； 待测压 管返浆 后 ， 停止注浆 ， 关闭注浆球阀。④安装好压力表 ， 利 用现场压风管路 ， 由测压管向钻孔注入空气 ， 注气结 束时 ， 关 闭注水球 阀， 并观测 压力 表压力 值 ， 记为 P 。⑤打开注水球 阀， 向钻孔注入清水 ， 待注水压 力达到预定值时， 停止 注水 ， 关 闭注水球 阀， 封孔结 束。⑥进行瓦斯压力观测， 若观测值连续三天波动 小于 0 ． 0 5 M P a ， 则测压结束 。 2 ． 3 封孔参数的确定 准确测定煤层瓦斯压力的关键在于测压地点的 选择 、 钻孔封孔深度的大小及封孔质量的好坏 ， 为满 足钻孔具有足够 的封孔深度 ， 测压孔施 工参数 的设 计及测 压 地 点 的选 择 可 参 照 国标 A Q ／ T 1 0 4 7 2 0 0 7 中规定 。为确保钻孔全岩密封且封孔质量 较好 ， 封孔参数一注浆深度 、 注水压力的合理取值尤 为重要 ， 故需确定图中测压气室长度 ， 和带压注水 段长度 的关 系。 假设煤层不透气 ， 由理想气体 自 由运动平衡方程 PVn R T可知 P l p 2L 1 L 1L 2 1 式 中 P 为压风管路压力 ； P 为注水压力 ； L 为测压室长度 ； L 为带压注水段长度 。 为防止带压水注满整个测压气室而转变为承压 水或压人煤层孔 隙， 影响瓦斯压力测定 ， 同时又为保 障水泥带压封孔 的效果 ， 故注水压力不亦过 高或过 低。一般我国煤矿井下 P 值为0 ． 6 M P a ， 测压钻孔 参数设 计 时通常取 为 1～2 m， 在此 ， 本文 取 0 ． 5 m。因煤层预计瓦斯压力不 同， 钻孔封孔参数取 值分别如下 1 2 MP a时 P 2 取 2 MP aP 2 ， 此时 l L 28 ． 3 P 2， 并满足 一 8 ． 3P21 0m 。 2 t 9 2 1 1 ． 7 m， 封孔结束后并放出适量水 ， 防止钻孔水压为 承压水 。 上述各式 中， 表示钻孔长度 ， 1 9 表示煤层预 计瓦斯压力 ， 其他符号含义不变。 2 ． 4 测压结果的确定 因钻孔 内水压 的影响 ， 为此须对所测煤层 瓦斯 压力做如下修正 P P op g l s i n O 2 式 中 P为煤层瓦斯压力 ， M P a ； P 。 为压力表读 数 ， MP a ； f 为钻孔水柱长度 ， m； 0为钻孔仰角 ， 。 ； P 为水密度 ， g ／ c m 。 3 可行性分 析 聚氨酯 一 水泥带压注水封孔测压技术所需设备 分别为注浆泵、 镀锌铁管 、 聚氨酯 、 水泥、 速凝剂 、 生 胶带、 三通、 球阀、 压力表 、 扳手 ， 且均为现有测压技 术通用材料， 来源丰富， 经济可行。 该技术测压结果科学可行的关键在于封孔效果 1 5 0 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 1 0卷 的好坏及测压结果的真实可靠。为此 ， 以封堵孔深 种测压技术做一下对 比分析 ， 其对 比结果见表 1 。 为 2 0 m的测压孔为列 ， 将该技术封孔效果与上述几 表 1 封孑 L 参数对比 由表 1可以看 出， 带压注水法封孔深度最大， 注 浆深度最大， 注水压力与带压注浆压力相当 ， 这表明 聚氨酯 一水泥带压注水测压技术具有较好 的封孔质 量 ， 用于煤层瓦斯压力测定技术可靠 。 对于测压结果 ， 因煤层具有一定透气性 ， 带压注 水的过程中， 气体并非处在完全密闭的有限空间内。 根据瓦斯气体在煤层运移规律可用达西定律进行研 究 J ， 即 Q K A h 一h ． ／ L 3 式中 Q为单位时间渗流量 ； h 一h 为经过长 的沙柱的水 头 损失 ； A为 圆筒 横 截 面；K为 比例 系数 。 可得 q一 KV p其中， q 表示单位时间通过单 位面积的气体流量， V p称为压力梯度， 也称为渗 透系数。 因此， 封孔结束后， 钻孔实际注水量要大于理论 值 ， 记水柱长度偏差为 △ z ， 则基 于上述公式可推导 出 △ Z 计算式 ，， △ z 一 K 1 2 L l ／ r l V p d 。 L 1 P 1 一 P 1 ／ P 1 4 故所测煤层瓦斯压力计算误差△ p 为 r ， 1 A p P g 【 1 2 L ／ r I l V p d L 1 p 1 一 P 1 ／ p l J 5 其 中， r 为钻孔半径 ， 为带压注水时长。 由式 5 可知， 压力误差计算存在诸多难以准 确确定的参数 ， 结果无法准确算出。为便于分析 ， 将 式 5 简化为 △ pp g △ ／ s i n O。由于我 国煤层透气 性普遍偏低n ， 实际带压注水 时间短 ， 且注水压力 不高于预计煤层瓦斯压力 ， 故钻孔 内水压为静水压 ， △ z 不大于测压室长度。则 △ Z 取最大值 为测压室长 度 ， s i n 0 取最大值 1 ， P取 1 g ／ m l ， g取 9 ． 8 m ／ s 时 ， 测 压误差最大 ， 此时却 z i p 0 ． 0 0 4 9 MP a， 即误差 小于 0 ． 0 0 5 MP a 。 通过以上分析可知 ， 聚氨酯 一水泥带压注水测 压技术不仅取材丰富 、 技术可行 ， 而且封 孔质量 高、 测压结果真实可靠。这表 明， 该技术用于煤层瓦斯 压力测定是科学可行的。 4结论 1 聚氨酯 一水 泥带压注水封孔测压技术 具有 封孔材料来源广泛、 工艺操作简单， 封孔成本低， 封 孔深度大， 封孔质量高 ， 测压结果误差小的特点 。经 理 论 分 析 ， 测 压 结 果 误 差 计 算 式 为 A p 一 r ．r ， p g I K 1 2 L 1 ／ r 【 V p d 十 L 1 P l P 1 ／ p 1 l ， 且最 一 J U 大误差不超过 0 ． O 0 5 M P a 。 2 该技术 以水作 为辅 助封孔材料 ， 带压注水 ， 实现水泥带压封孔工艺与主动测压工艺的融合 ， 可 保证水泥 段有 效封孔 质量 ， 同时可缩 短测 压所 需 时长 。 3 在煤层瓦斯压力测定过程 中， 瓦斯气体只在 煤层测压室内表达压力， 水作为压力传递介质， 隔绝 其与钻孔、 封孔材料和测压管的直接接触， 可提高测 压系统的可靠性 ， 防止各种漏气情况 的出现 ； 同时 ， 由于液体 的渗透率低 ， 容易封堵 ， 通过变以往封堵漏 气通道为通过封堵漏液通道来实现准确测压 ， 相对 提高了封孔质量， 可提高测压成功率。 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 ． 1 9 9 2 [ 2 ] J I A N G C h e n g l i n 。F a s t d e t e r m i n a t i o n o f g a s p r e s s u r e b e f o r e c o a l u n c o v e ri n g i n c r o s s c u t a n d s h a f t[ J ] ．J o u r n al o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 8，1 8 第 7期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 5 1 4 4 9 4 - 4 9 9 [ 3 ] 郑万成， 杨胜强， 马伟． 影响煤层瓦斯压力测定的因素 分析[ J ] ． 煤矿安全， 2 0 0 9 ， 4 8 2 - 8 4 Z HE NG W a n - c h e n g ． YANG S h e n g q i a n g。 MA W e i ． An a l - y s i s o n t h e i n flue n c e f a c t o r s o f g a s c o al s e a m g a s o r e s s u r e i n d e t e r m i n a t 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n d i t i o n s[ J ] ．E n e r g y T e c h n o l o g Y a n d Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 9 ， 1 3 7 3 9 [ 7 ] 杨洋， 将承林， 何明霞． 近距离煤层群条件下穿层瓦斯 压力测定技术[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 1 ， 3 9 2 5 1 _ 5 4 YANG Ya n g ， J I ANG C h e n g l i n， HE Mi n g - x i a ． Ga s p r e s s u r e me a s u r i n g t e c h n o l o g y wi t h B o r e h o l e t h r o u g h s e a ms i n c l o s e r a n g e s e a m g r o u p [ J ] ． C o al S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 5 1 - 5 4 [ 8 ] A Q 1 0 4 7 2 o o 7 ， 煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方 法 [ s ] ， 2 0 0 7 [ 9 ] 冯增朝． 低渗透煤层瓦斯强化抽采理论及应用[M ] ． 北京 科学出版社 ， 2 008 [ 1 0 ] 周世宁， 林柏泉著． 煤层瓦斯赋存与流动理论[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 9 国家安全监管总局 开展 2 0 1 4年安全生产重大事故防治关键技术科技项 目 征 集工作 2 0 1 4年 6月 3 0 1 3， 国家安全监管总局办公厅发出关于开展 2 0 1 4年安全生产重大事故防治关键技术科 技项 目征集工作的通知 安监总厅科技函[ 2 0 1 4 ] 7 5号 。为推进实施“ 科技兴安” 战略， 调动社会力量参与 安全生产科技攻关 ， 进一步强化预防和遏制重特大事故科技保障能力 ， 国家安全监管总局决定开展 2 0 1 4年 安全生产重大事故 防治关键技术科技项 目的征集工作 。围绕 2 0 1 4年度安全科技攻关指南 安监总厅科技 函[ 2 0 1 4 ] 7 1 号 确定的攻关方向， 面向全社会征集与生产安全事故预防和控制、 提高安全监管监察水平和应 急救援能力紧密相关的科技攻关项 目。采取 网上 申报 网址 h t t p ／ ／ w w w． s a f e t y t e c h ． o r g ． c a 和纸质 申报材 料报送相结合的方式。推荐单位将所推荐的项目于2 0 1 4 年 8 月 1 5 13 1 8 0 0前在线提交， 并于 8 月2 0日前 将加盖公章的 项 目 建议书 和 2 0 1 4年安全生产重大事故防治关键技术科技项 目汇总表 纸质材料 2份、 推荐函 1 份一并寄送至中国安全生产协会。