胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术的研究与应用.pdf

第 1 1 卷第 7期 2 0 1 5年 7月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u rna l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V0 1 ．1 1 No ． 7 J u 1 ．2 0 1 5 文章编号 1 6 7 31 9 3 X 2 0 1 5 一 0 7～0 0 8 0 0 5 胶囊 一聚氨酯联合封孔测压 技术 的研 究与应用 蒋 云 ， 朱天成 ， 汪腾翔2 1 ． 安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．国投新集阜阳矿业有限公司 口孜东矿， 安徽 阜阳2 3 6 0 0 0 摘要 基于现有封孔测压技术的分析 ， 提出一种胶囊 一聚氨酯联合封孔测压技术。该技术利用 弹性封孔胶囊和聚氨酯材料形成两级封堵 ， 强化封孔质量， 减少钻孔暴露时间。通过现场对比试 验， 结果表明， 该技术能够快速、 有效完成钻孔的封堵， 实现快速测压， 相对于现有的水泥砂浆封孔 测压法， 其具有测压准确度高、 耗时短、 成本低等优点， 可较好的满足煤层瓦斯压力测定的需求。 关键词 胶囊 ； 聚氨酯； 两级封堵 ； 快速测压 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 5 ． 0 7 ． 0 1 3 Re s e a r c h a n d a p pl i c at i o n o f p r e s s u r e me a s u r e me n t t e c h no l o g y by c o mb i n a t i o n s e a l i ng o f c a ps ul e a n d po l y u r e t ha ne J I ANG Y u n ，Z HU T i a n c h e n g ，WA NG T e n g x i a n g 2 1 ．S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ．K o u z i d o n g Mi n e ，G u o t o u X i n j i F u y a n g Mi n i n g C o ． ， L T D， F u y a n g A n h u i 2 3 6 0 0 0， 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 e x i s t i n g 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 gy f o r s e a l i n g ，a 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 b y c o mb i n a t i o n s e a l i n g o f c a p s u l e a n d p o l y u r e t h a n e w a s p u t for w a r d ．I t c a n f o r m t wo s t a g e s e a l i n g b y u - s i n g e l a s t i c s e ali n g c a p s u l e a n d p o l y u r e t h a n e ，S O a s t o s e n g t h e n the q u ali t y o f h o l e s e ali n g a n d r e d u c e t h e t i me o f d ril l i n g e x p o s u r e ．By ma k i n g a fie l d c o n t r a s t e x p e rime n t ，i t s ho we d t h a t t h e t e c h n o l o g y c a n r a p i d l y a n d e ff e c t i v e l y c o mp l e t e t h e ho l e s e ali n g，a n d r e a l i z e r a p i d p r e s s u r e me a s u r e me n t ． Co mp a r e d wi t h t h e e x i s t i n g p r e s s u r e me a s u r e me n t me t h o d b y c e me n t mo r t ar s e ali n g，t h i s t e c h n o l o g y h a s s o me a d v a n t a g e s s uc h a s h i g h a c c u r a c y，s ho rt t i me - c o n- s u mi n g a n d l o w c o s t o f p r e s s u r e me a s u ri n g，a n d i t c a n b e t t e r me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r e s s u r e me a s u r e me n t o n c o a l s e a m g a s ． Ke y wor ds c a p s u l e；p o l y u r e t h a n e r ；t wo s t a g e s e ali n g；r a p i d p r e s s u r e me a s u r e me n t 0 引言 在煤层孔 隙中， 存在的游离瓦斯分子会因热运 动而与煤壁产生碰撞， 在碰撞的过程中所表现出的 作用力即为煤层瓦斯压力 。 收 稿 日期 2 0 1 5 0 31 8 作者简介 蒋云， 硕士研究生。 基金项目 安徽理工大学科研项目 K Y 1 4 0 3 自 煤炭开采以来， 准确获取煤层瓦斯压力对研 究煤层体中瓦斯的储量 、 瓦斯 的流动性质 、 预测煤层 瓦斯突出危险性的大小和如何制定合理的瓦斯 防治 措施具有重要意义 J 。同时， 由于测压方法选择不 当或操作不当等因素所带来 的的瓦斯数据误差会对 煤矿安全生产造成很大的负面影响。所以在具体工 程实践 中， 准确获取瓦斯压力值对 整个煤炭生产系 统 的意义非常重大。 在现场测定煤层瓦斯压力过程 中， 能够获取到 准确的瓦斯压力数据的关键在于封孔的速度和封孑 L 第 7期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 8 1 的质量， 保证所施钻孔煤层的瓦斯逃逸量处于最低 水平 ， 从而使得瓦斯压力表所示压力值更接近所测 煤层中的原始瓦斯压力 。 1 现有测压技术优缺 点分析 查 阅近年来封孔测压技术的相关资料 ， 较为常 用的封孔测 压方法大致分为黄泥 粘土 封孔 测压 法 、 水泥沙浆浇灌封孔测压法、 聚氨酯带压封孔测压 法和胶囊 一粘液封孔测压法 。 。 黄泥 粘土 封孔测压法， 该封孔测压方法一般 选用可塑性强的粘土或黄泥作为封孔材料， 在具体 操作过程 中， 此方法操作简单 ， 涉及 的封孔设备少 ， 耗费的成本较低， 但此种方法封孔耗时长， 耽误生 产 ； 而且封孔长度受限制 ， 不适合 长距离封孔测压 ； 另外 ， 该方法对粘土制作要求高 ， 不仅要求粘土的软 硬适 中， 而且粘土形状要 与钻孔相适应 。该方法 主 要适用于岩层坚硬少裂 隙的石 门揭煤 的瓦斯压力 测定 。 水泥沙浆浇灌封孔测压法， 该方法的应用情况 最多 ， 其可以满足较长钻孔的封孔测压需求 ， 对操作 人员 的技术水平要求低 ， 尤其是采用带压注浆封孔 时 ， 对钻孑 L 周边 的裂隙密封效果更好 。但该方法所 涉及 的测压器材不能 回收 ， 造成很大浪费 ； 而且测压 工作需等到浆液凝 固后才能进行 ， 严重耽误生产时 间 ， 另外 ， 该方法不能满足封孔段岩层为松软的砂岩 等地质条件复杂的煤层区域的测压。 聚氨酯带压封孔测压法 ， 该方法克服 了上述两 种测压方法在裂隙发育的煤岩体上测压封孔不严密 等缺点 ， 测压过程操作简单。但是技术人员对聚氨 酯的膨胀时间难 以确定 ， 需多次封孔来保证封孔的 质量 ， 从而增加封孔时间。 胶囊 一粘液封孔测压法 ， 该方法尤其适用于钻 孔周 围存在裂隙的测压环境 ， 其封孔时间短 ， 密封质 量高 。但其装置的造价较高 ， 测压过程 中若遇钻 孔周 围煤岩体的垮塌 ， 容易卡住胶囊 ， 使胶囊较难回 收 ， 倘若存在膨胀泥岩时， 胶囊直接被废弃 ， 从而造 成仪器设备的损失 ； 此外 ， 该方法的封孔 长度短 ， 一 般 5 m左右 ， 很难满足长钻孔 的测压要求 。 基于上述分析 ， 笔者从封孔 的速度 和封孔 的质 量这两个角度出发 ， 提 出一种胶囊 一聚氨酯联合封 孔测压技术 ， 该技术既可提高封孔速度 ， 同时可强化 封孔质量 ， 一定程度上提高了测压的准确性。 2装置设计 2 ． 1 装置结构设计 本文提 出的封孔测压技术所涉及的装置 由滤网 罩 、 一次性弹性封孔胶囊 、 注塑管 、 注塑压力表、 注塑 泵 、 瓦斯管 、 瓦斯 阀门、 瓦斯压力表、 注水管 、 注水阀 门、 水压表和高压水泵组成。其中， 注塑管上设置几 个直径 1 c m的圆孔 ， 当然 ， 设置 圆孔 的数量是根据 封孔段的长度来选择的， 封孔段越长 ， 设置的圆孑 L 越 多。注水管和瓦斯管紧贴注塑管外壁面固定。装置 的结构示意图如图 1 所示。 1一滤网罩； 2一次性弹性封孔胶囊； 3一毛巾； 4一注水管； 5一注水阀门； 6一水压表； 7一高压水泵； 8一瓦斯压力表； 9一瓦斯阀门； 1 0一瓦斯管； 1 1一 注塑管 ； 1 2一圆孔 ； 1 3一注塑压力表； 1 4一注塑泵 图 1 装置 的结构 示意 Fi g． 1 The s t r uc t ur e o f t he de v i c e 2 ． 2最优化聚氨酯的配置方案 为 了满足封孔 的要求 ， 本技术涉及 的聚氨酯封 孔材料 的膨胀性 能需达到最佳状态。为此 ， 在实验 室的条件下 ， 对聚氨酯的膨胀性能进行了分析研究 。 资料表 明， 聚氨酯的膨胀性能主要 与环境温度和 白 料黑料 A料 B料 的配 比有关 ， 在 同等实验条 件 下 ， 周围环境温度高的聚氨酯膨胀倍数大于周围环 境低的聚氨酯膨胀倍数 ， 周围环境温度高 的聚氨酯 的膨 胀 时 间 小 于 周 围 环 境 低 的 聚 氨 酯 膨 胀 时 间 。为此 ， 根据该技术 的应用环境的温度来确 定实验室温度 ， 本实验中， 实验室的环境温度控制在 1 8～ 2 5 ℃， 实验采用 6种不同的黑 白料配 比方案 混 合后体积相同 ， 通过实验， 确定膨胀性能最佳的对 应 白料黑料 A料 B料 配比， 实验结果如图 2 。 8 2 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 l 1 卷 逛 拦 渣 ．鸟 乓 厘 童 耀 苍 拦 蛰 图 2 不同 A B料配比下的膨胀开始所耗时间与膨胀倍数 Fi g ． 2 I n f l a ti n g ti m e c o n s u m i n g a n d t h e e x p a n s i o n r a t i o u n d e r d i 仃e r e n t r a ti o o f AB ma t e r i a l 从图 2可以明显看出 聚氨酯 白料黑料 A料 B 料 配比在 l 1 ． 1 左右膨胀性能达到最佳状态 ， 此时 膨胀时间为 5 ra i n ， 但在具体工程实践中， 为了保证 技术人员有条不紊的进行封孔， 聚氨酯膨胀开始时 间应稍微长些 ， 否则会 因技术 人员紧张等因素造成 A B料混合材料报废 ， 所 以在此选用 白料黑料 A料 B料 配 比为 1 1 ． 1 ， 此配 比下 的膨胀倍数也到达最 大， 且 5 m i n内足以保证技术人员将 A B料混合物输 送到钻孔中的指定位置。 2 ． 3 技术原理 在测压过程中， 一次性弹性封孔胶囊在钻孔 中 充水膨胀 ， 弹性封孔胶囊 的外壁与煤岩体的壁 面 自 适应耦合， 形成一级封堵， 减少瓦斯外溢， 这同时会 对聚氨酯的初期膨胀结构起到一定保护作用。 注塑管连接注塑泵 ， A B料混合物从注塑管 外 壁面所开设 的圆孔外溢 ， 一定时间后 ， A B料混合物 发生化学反应， 生成大量微孔泡沫， 并向四周渗透扩 散 ， 密封钻孔间的环形空间， 形成二级封堵 ； 靠注塑 管壁面上的不同圆孔数量来实现不同封孔长度。 采用 主动法测压 ， 即通过瓦斯管 向钻孔测压室 内注入一定压力的补偿气体 ， 缩短 了瓦斯压力 达到 稳定状态的时间， 而采用氮气作为补偿气体时误差 较小， 能够较准确测得煤层原始瓦斯压力 。 3 使用步骤 1 首先用 Z Y一1 2 5 0型全液压钻机在需要测定 煤层瓦斯压力的煤岩体上施一直径 7 5 m m的钻孔， 钻孔长度根据具体煤层地质构造确定， 然后退出钻 杆 ， 清理钻孔钻屑。 2 钻孔清理完毕后 ， 用 毛巾包裹好 注塑管上开 有四个圆孔的管段 ， 再将整个封孔测压装置通过注 塑管推送到钻孔 中的指定位置 如图 3 ， 打开高压 水泵， 向弹性封孔胶囊内注入高压水， 封孔胶囊与钻 孔避免形成 自适应耦合 ， 完成一级封堵 。 3 技术人员根据封孔段 的长度 ， 确定所 需 A B 料混合液的量 ， 然后按照白料黑料 A料 B料 配 比 为 1 l 1 ． 1 完成混合液的配置。 4 接着将注塑泵与注塑管连通 ， 向钻孔 中注入 A B料混合物， A B料混合物通过注塑管壁上的圆孔 渗透到毛巾中， 随着 A B料混合物的膨胀， 完成钻孔 的二级封堵 。 5 安装瓦斯压力表。 6 为 了缩短瓦斯压力平衡时间， 在上述封孔步 骤结束后， 依据主动测压法， 通过注气管向瓦斯测压 室内注人约为煤层瓦斯压力 0 ． 5倍 的氮气 J 。 7 上述工作完成后 ， 每隔 1 2 h观察并记录瓦斯 压力表示值 ， 如果监测到的瓦斯压力稳定 ， 则可将该 稳定值作为该煤层的原始瓦斯压力 ， 此时便可 以结 束测压工作。 4 应 用举例 河南某煤矿设计生产能力 1 8 0万 t ／ a ， 设计服务 年限为 4 5年 ， 井 田东西长约 1 4公里 ， 南北宽约 4公 里 ， 面积 2 4 ． 1 5平方公里 ， 矿井主要开采煤层为二叠 系下统山西组二 1煤层 ， 其煤厚 自西 向东呈现逐渐 增大的趋势 范围为 0～ 2 6 ． 7 9 m 。在现场测试 中， 为了准确测定煤层瓦斯压力参数， 测压地点选择在 受断层和裂隙影响小的区域 ， 周围没有采动 、 抽放的 影响。根据该矿井的 2 l 采 区现场实际资料 ， 技术人 员选择该采区的 2 l回风下 山和 2 l轨道下山这两个 区域作为测试区域， 其煤层倾角为8 。 一 1 7 。 ， 煤层厚 度为3 ～ 5 m， 煤层底板标高为 ⋯1 6 0 2 2 0 m， 分别 在这两个 区域施 l 钻孔和 2 样 钻孔 ， 根据施钻探煤的 结果 ， 这两个 区域的煤层厚度变化均较大 ， 局部存在 瓦斯积聚的现象 。为 了避免煤层顶板水对测压结果 的影响， 所施钻孔不穿透煤层 ， 1 钻孔倾角为 4 0 。 ， 第 7期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 8 3 1 一滤网罩 ； 2一 一次性弹性封孔胶囊； 3一聚氨酯 ； 4一注水管 ； 5一注水阀门； 6一 水压表； 7一高压水泵； 8一瓦斯压力表； 9一瓦斯阀门； 1 0一瓦斯管； 1 1一 注塑管； 1 2一 注塑压力表； 1 3～注塑泵 图3 装置工作状态示意 Fi g ． 3 Th e s t a t e o ft h e d e v i c e wo r k i n g 煤层 顶板 标 高 一1 6 0 m， 煤孔 长度 3 ． 5 m， 岩孔 长度 1 4 m， 封孔段长度 1 0 m， 2 群 钻孔倾角为 4 O 。 ， 煤层顶 板标高 一 2 2 0 m， 煤孔 长度 4 m， 岩孔长 度 1 5 m， 封孔 段长度 1 0 m。每 l 2小时记录瓦斯压力表数据一次 ， 经过 7天的观察 ， 1 钻孔内的瓦斯压力在 7 2 h后基 本稳定在 0 ． 2 8 M P a 左右， 2 样 钻孔内的瓦斯压力在 7 2 h后基本稳定在 0 ． 3 1 M P a 左右 ， 1 和 2 样 钻孔 的瓦 斯压力监测 曲线如图 4所示 。可见由于该装置的密 封效果较佳 ， 测压气室 内的瓦斯压力 回升较快 ， 一定 程度上提高了测压效率。 0．5 0．4 室0 ．3 0 ．2 0 ． 1 0 2 4 4 8 7 2 9 6 1 2 0 1 4 4 l 6 8 时间／ l l 图4 1 和 2 钻孔的钻孔瓦斯压力监测曲线 F i g ． 4 Ga s p r e s s u r e mo n i t o r i n g c u r v e s o f 1 a n d 2 j ；} d r i l l i n g 5 效果检验 5 ． 1 实验室分析计算 为了检验所述封孔测压技术 的可靠性 ， 在施孔 的过程 中， 对所测压区域的两个地点进行采样分析 ， 通过实验仪器对 所采集 的新鲜煤样 的瓦斯吸附常 数 、 灰分、 水分和孔隙容积 等物理参数进行分析 ， 通 过郎格缪尔吸附方程和实验测得的相关参数， 计算 出两个测压点的瓦斯压力值 ， 结果如表 1所示。根 据瓦斯压力间接计算结果 可以看 出， 煤层瓦斯压力 在0 ． 2 9 ～ 0 ． 3 3 M P a 之间， 其数据与 1 和2 钻孔现场 测压值 0 ． 2 8～0 ． 3 2 MP a基本 吻合 。所 以所述胶囊 一 聚氨酯联合测压装置所得瓦斯压力数据可以作为 煤层原始瓦斯压力 ， 从而验证 了所述封孔测压装置 的可靠性。 表 1 煤层瓦斯吸附常数及相关指标测定成果表 Ta bl e 1 The c o ns t a nt s o f c oa l s e all ga s a d s or ptio n an d t he de t e r mi n at i o n o f r e l at e d i nde x 5 ． 2技术对 比 为了突出胶囊 一 聚氨酯联合封孔测压技术的优 越性， 将该技术与该矿现有的水泥砂浆封孔测压技 术进行对比。在距 1 钻孔 5 m处施直径 7 5 m m的 3 测压钻孔 ， 在距 2 钻孔 4 m处施直径 7 5 mm的 4 测 压钻孔 ， 然后采用水泥砂浆封孔测压技术对 3 和 4 测压钻孔进行瓦斯压力测量 ， 其 中 3 钻孔的封孔长 度与 l 钻孔的封孔长度相同， 4 钻孔的封孔长度与 2 钻孔的封孔长度相 同， 测压过程 中钻孔未 出现渗 水现象。同时分别对 3 和 4 测压钻孔进行采样分 8 4 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 1 1 卷 析， 在实验室条件下反推算出两个钻孔的瓦斯压力 值。具体参数对比见表 2 。 表2 两种测压技术相关参数对比 Ta b l e 2 Th e r e l a t e d p a r a m e t e r s o f t wo k i n d s o f pr e s s ure t e c hn ol o gy 从表 2可以明显看出 ， 该矿现有的水泥砂浆封 孔测压技术的瓦斯压力稳定 时间较长 ， 且瓦斯压力 测量误差 △ P相对较大； 此外 ， 现有 的水泥砂浆封孔 测压技术封孔耗费 的时间相对较长 ， 且耗费 的材料 成本也相对较高 ， 又因为该技术必须在水泥凝 固后 才能上表测压 ， 延长工期 ， 增加了生产成本。而胶囊 一 聚氨酯联合封孔测压技术可以实现 即装即测的功 能 ， 缩短了封孔等待时间和钻孔暴露时间， 使泄漏瓦 斯量处于较低水平， 提高瓦斯压力的上升速度， 实现 快速测压。根据工时和材料成本对比推算， 采用胶 囊 一 聚氨酯联合封孔测压技术较该矿现有的水泥砂 浆封孔测压技术降低生产成本 3 0 ％左右 。 6 结语 1 针对工程的具体情况 ， 采用 白料黑料 A料 B 料 配 比为 1 1 ． 1 ， 达到 聚氨酯膨胀性 能 的最 佳状 态 ， 较好的满足了封孔测压的要求 。 2 胶囊 一聚氨酯联合封孔测压技术 首先利用 弹性封孔胶囊作为一级封堵， 再利用聚氨酯膨胀形 成二级封堵， 这两级封堵强化了封孔质量， 同时封堵 时间较短 ， 缩短钻孔暴露时间， 降低瓦斯外泄量 ， 为 瓦斯压力的准确获取奠定 可靠基础 。此外 ， 该技术 还减小了瓦斯卸压圈和瓦斯运移距离 ， 缩短瓦斯 压 力平衡稳定时间， 达到了快速测压的 目的。 3 该技术相对该矿现有的水泥砂浆封孔测压 技术具有一定的优越性， 其测试的数据准确度高， 工 期短 ， 生产成本较低 ， 可为同类条件下瓦斯测压钻孔 封孔工作提供新的技术途径。 参考文献 [ 1 ] 俞启香． 矿井瓦斯防治[ M] ． 第二版． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 9 2 1 - 8 [ 2 ] 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 ZHE NG W a n - e 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 f f a c t o r o n i n fl u e n c e of c o al g a s p r e s s u r e d e t e r- mi - n a t i o n [ J ] ． C o a l Mi n e S a f e t y ， 2 0 0 9 4 8 2 - 8 4 [ 3 ] 董贺， 王佰顺． 聚氨酯一 水泥带压注水封孔测压技术研 究[ J ] ． 中国安全生产科学技术， 2 0 1 4 ， 1 0 7 1 4 7 - 1 5 1 DONG He ， WANG B a i s h u n ． S t u d y o n p r e s s u r e me a s u r e m e n t t e c h n o l o g y of 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 m e n t [ J ] ． J o u r n al of S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 4， 1 0 7 1 4 7 - 1 5 1 [ 4 ] 公衍伟， 蒋承林， 吴爱军， 等． 浅议 目 前瓦斯压力测定 方法的优缺点[ J ] ． 煤 ， 2 0 1 1 ， 20 1 0 3 0 - 3 1 G O N G Y a n - w e i ， J I A N G C h e n g l i n ， WU A i - j u n ， e t a1． T h e a d v ant a g 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