顺煤层钻孔聚氨酯长距离快速封孔测压技术.pdf

第 3 4卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 河南理工 大学 学报自然科学版 J O URNAL OF HE NAN P 0L Y T EC HNI C UN I V ER S I T Yf NA T URAL S CI E NC E Vo 1 ． 3 4 NO ．1 Fe b ． 201 5 DOI 1 0 ． 1 6 1 8 6 ／ j ． c n k i ． 1 6 7 3 9 7 8 7 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 2 顺煤层钻孑 L 聚氨酯长距离快速封孔测压技术 杨 宏 民 ， 王 启 宇 1河南省瓦斯地质与瓦斯 防治重点 实验室 省部共建国家重点实验室培育基地 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 0； 2 ． 河南理工 大学 安全科学与工程 学院， 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 摘要 顺煤 层 长钻孔 采 用聚氨 酯封 孔 必须解 决聚 氨 酯初 始发 泡 时间 、 注入 方式 、 封 堵 方 式等 关 键 工艺 问题 。通过在 南庄 1 2号煤层 的现 场试 验 ， 采 用 3 5 m 封 孔段 长度 、 1 1 ． 2 5的 聚氨 酯黑 白料 配 比、 两堵 一 注封 孔 方式 ， 测得 煤 层 瓦斯 压 力 为 0 ． 3 9～ 0 ． 7 4 M P a ， 成 功 解决 了顺 煤 层钻 孔 测 不 出煤 层 瓦斯压 力 的 问题 ， 其 最大测 值 比 瓦斯 压 力反 演值 低 1 9 ． 5 7 ％ ， 说 明聚氨 酯封 孔本 煤 层测 压仍 存在技 术 难度 大 、 测 值偏低 等 问题 ， 但研 究结果 对 于 同类 条件 下 瓦斯压 力的 准确 测定 具有 指导 意 义。 关 键 词 顺煤层 钻 孔 ； 聚 氨酯 ； 封孔 快 速测 定技 术 中 图分类 号 T D 7 1 2 文献标 识码 A 文章编 号 1 6 7 3 9 7 8 7 2 0 1 5 0 1 - 0 0 0 6 4 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 b a s e d o n p o l y u r e t h a n e f a s t h o l e s e a l i n g i n l o n g b o r e h o l e a l o n g s e a m YA NG Ho n g mi n 一， WANG Qi y u 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y C u l t i v a t i o n B a s e f o r G a s G e o l o g y a n d G a s C o n t r o l， H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0， H e n a n ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f s t y S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， He n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0， He n a n， C h i n a Ab s t r a c tW h e n u s i n g p o l y u r e t h a n e f o r g a s p r e s s u r e me a s u r e me n t i n a n a l o n g c o a l s e a m h o l e，t h e fir s t f o a mi n g t i me o f p o l y u r e t h a n e ，t h e me t h o d s o f i n j e c t i o n a n d s e a l i n g a r e t h e k e y t e c h n o l o g i e s t h a t mu s t b e s o l v e d ．I n t h e s i t e t e s t o f No ． 1 2 c o a l b e d i n Na n z h u a n g c o a l mi n e，t h e r e s u l t s i nd i c a t e d t ha t wh e n s e a l i n g l e n g t h i s mo r e t h a n 3 5 m，t h e p o l y u r e t h a n e r a t i o b e t we e n b l a c k a n d w h i t e ma t e r i a l s i s 11 ． 2 5 ，a n d w h e n u s i n g t h e me t h o d o f i n j e e t i n g p o l y u r e t ha n e i n t o a n d be t we e n t wo b l o c k s ，t h e p r o b l e m o f me a s u r i n g t h e p r e s s u r e i s r e s o l v e d s uc c e s s f ul l y， a n d t h e ma x i mu m me a s u r i n g g a s p r e s s u r e i s 1 9． 5 7 p e r c e n t s ma l l e r t h a n t h e i n v e r s i o n c a l c u l a t i o n v a l u e ．Th e r e - s e a r c h i n d i c a t e s t h a t t h e a l o n e -- c o a l -- s e a m h o l e -- s e a l i n g u s i n g p o l y u r e t h a n e i s s t i l l t h e t e c hn i c a l p r o b l e ms o f mo r e d i f f i c u l t y a n d s ma l l e r me a s u r e d v a l u e，b u t t h e r e s u l t s o f t h e s t u d y s t i l l h a v e a c e r t a i n i n s t r uc t i o n a l s i g n i f i c a n c e t o s i mi l a r e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ． Ke y wo r d s h o l e a l o n g c o a l s e a m ；p o l y u r e t h a n e；h o l e s e a l i n g；r a p i d me a s u r e me n t t e c h n o l o g y 0 引 言 瓦斯 防治是煤 矿安全最重 要的工作之 一 ， 煤 层 瓦斯 压 力与煤 层 瓦斯 含量 和 矿井 瓦斯 涌 出量 的大 小有关 ， 它 不仅是矿井 通风 、 安全 设计 的重要 参数 ， 而且也是 煤与 瓦斯 突 出危 险性 预测 和 防突措 施 效 果评价 的主要指标之一 。因此 ， 准确测定 煤层 瓦斯 压力对 瓦斯 矿井 十分 重要 ⋯ 。 收稿 日期 2 O 1 4 ． O 9 2 O 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 1 7 4 0 8 1 ；河南省重大科技攻关项 目 0 9 2 1 0 2 3 1 0 0 3 7 。 作 者简介 杨宏 民 1 9 6 7 一 ， 男， 陕西铜川人 ， 博士 ， 教授级高工 ， 主要从事煤矿火灾 、 瓦斯防治技术 等方面 的研究与教学工作 。 E ma i l y a n g h m h p u ． e d u ． c n 第 1 期 杨宏 民 ， 等 顺煤层 钻孔 聚氨酯长距离快速封孔测压技术 7 瓦斯压力 测定 时 ， 通 常采 用穿 层 钻 孔测 压 法 ， 即从巷道穿过岩层 向邻 近煤层施工直径 为 5 O～ 7 5 m m的钻孔 ， 孔 中安放 测压管 ， 在岩石段将 孔密封 后 ， 用压 力 表 或 自动测 压 仪 直 接 测 定 煤 层 瓦 斯 压 力 J 。由于岩石一般 都 比较完 整致密 ， 所 以封孑 L 效 果较好 。但是 多数 测压 地 点不 具 备 穿层 钻孔 测 压 的条件 ， 不得不 采用顺煤层 钻孔测 压 的方法 。而顺 煤层钻 孔 由于 钻孔周 围的煤层透气 性 比岩层 好 ， 封 孔难度 大 ， 导致测 压封孔不 严密 ， 容易漏 气 ， 造 成测 定 的瓦斯压力 严重偏小 甚至测压 不 出瓦斯 压力 。 南庄 煤矿 1 2号煤 层 的井巷 布置不 具备穿 岩测 压的条件 ， 为了能够成功在 1 2号煤层顺煤层钻孔 中成功测定 瓦斯压 力 ， 试验采用 针对顺 层钻 孔 的聚 氨酯长距 离 快 速 封 孔 测 压 技 术 ， 对 合 理 的 封孔 长 度 、 封孑 L 方 式以及 聚氨酯 的初始 发泡 时间 等关键 工 艺参数进 行 了研究 。 1 封孔优缺点及关键工艺 聚氨 酯 具 有 膨 胀 倍 数 大 5～2 0倍 、 黏 结 力 强 、 不延燃 及现 场 配置 简单 等 特 点 ， 已被 广泛 应 用 于煤层 瓦斯抽采 钻孔 的封 孔领域 ， 通 常封 孔长度 不 大于 8 m。 顺煤层 钻孔 测压 时 ， 钻 孔长 度 往往 3 0 m ， 由于普 通聚氨酯 发 泡时 间短 约 3 m i n ， 而 煤层 测 压钻孔 往 往 较 长 3 0 5 0 m ， 难 以 在有 限 的时 间 3 mi n 发泡之 前 内将 聚 氨酯 注 满 钻 孔 ， 容 易造 成 压注过 程 中就 开 始发 泡 而导 致 堵泵 、 堵 管 、 堵孔 的 现象 。另 外 ， 聚 氨 酯 有 较 高 的 发 泡 倍 数 3～2 0 倍 ， 发泡膨胀时向自由空间延展， 如果不限制其延 展空 间 ， 最终会 充满测压气 室 ， 并从 孔 口大量 泻 出 ， 不能有效渗入煤体裂隙， 影响封孔效果。 因此 ， 采用顺 煤层 长 钻孔 聚氨 酯封 孔 ， 必须 解 决两个 关键工 艺 技术 问题 一 是 调 节 聚氨 酯 配方 ， 使初 始发泡 时间能够满 足注入 时间 的需 要 ； 二 是采 取 “ 两 堵一 注 ” 的措 施 ， 使 注 满 的 聚氨 酯 在 限定 空 间内向钻孔周围的煤体裂隙内延展， 同时提高聚氨 酯 的致密程度 和其在接 触面上 的附着能力 。 2 快速封孔工艺 2 ． 1 顺 煤层测压钻 孔长 度及封孔段 长度 的确定 顺煤层测压钻孔 的长度和封孑 L 段长度应根据 煤体 的卸压 带宽 度 ， 巷道 排 放带 宽 度 ， 聚氨 酯 的抗 压 强度和煤 层的透气性 等 因素综 合分析 确定 。 卸压带 内存在较 丰富 的裂 隙和缝 隙 ， 如果在 此 范围内封孑 L ， 即使孔 内封孔效果很好 ， 但瓦斯在压 力作用 下会通过 这些裂 隙流动和泄 露 ， 也会 造成测 压失 败 ， 因此 ， 泄 压带 就是 “ 无 效封 孔带 ” 。卸 压带 宽度通常为 5～ 8 m， 一般不大于1 0 m ， 所以封孔 长 度至少应 大于卸压带 宽度 。 瓦斯 排放带 是煤 层原 始 瓦斯 能够 通 过裂 隙 运 移 排放到井巷 内的最 大宽度 ， 在这个 范 围内瓦斯 含 量 和瓦斯压力 均 低 于原 始瓦 斯压 力 和原 始 瓦斯 含 量 。因此 ， 要测 得 原始 瓦 斯压 力 ， 测压 钻 孔 长度 必 须 大于瓦斯 排放 带 宽度 。根 据矿 井 瓦斯 涌 出量 预 测 标准 的巷 道预排瓦斯 带宽度经 验值 ， 取暴露 时 间为 3 0 0 d ， 南庄煤矿 l 2号煤层无烟煤的瓦斯排放 带 宽度为 1 3 m， 所 以封孑 L 长度也要 大于 1 3 m。 测压过 程 中的瓦斯 泄 漏 主要通 过孔 壁 泄漏 和 封孔材料 渗透 两个 途 径 ， 因此 ， 封孔 材料 的性 能和 封孔长度 是影 响 瓦斯 泄漏 量 的两 个 主要 因素 。 聚氨酯 发泡后形成 一种不 连通的多孔 材料 ， 具有一 定 的透气性 ， 但 当其 长 度超 过 一定 值 时 ， 相 互 不连 通 的孔 可 有 效 阻 止 流体 的流 动 ， 起 到 有 效 封堵 作 用 。因此 ， 确定 封孔 长 度 时 ， 不 但要 考 虑 聚氨 酯 的 抗压性和透气性 ， 而且还要考虑聚氨酯有效封孔段 长 度必须大 于在 特定压力 下 的耐压 长度 或有效 密 封 长度 。一般 这 一 长 度 不小 于 1 5 m。聚 氨 酯 的 耐 压性 如表 1 所 示 。 表 1 不同配 比聚氨酯的透气压力 Ta b． 1 Ai r p r e s s u r e o f di f f e r e n t r a t i o p o l y u r e t h a n e 黑 白料配比 透气压力／ MP a 黑 白料配 比 透气压力／ MP a 1 0 ． 7 0． 9 O l 0． 8 1 ． 2 O 1 0 ． 9 1 ． 3 5 1 1 ． 0 1 ． 4 7 1 1 ． 1 1 ． 5 6 l 1 ． 2 1 ． 7 0 1 1 ． 3 1 ． 7 2 利 用带 压 注浆封 孔 实现 封堵孔 壁 内深部 煤体 瓦斯 裂隙 时 ， 在 煤 层 瓦斯 抽采 工 作 面 煤 壁 打 瓦斯 抽 采钻 孔 ， 封孑 L 段长 度 为 1 5 I l l 是足 够 的 。在 掘 进 头前 方 瓦斯 压力测 定 钻孔 深度 分 析 中 ， 瓦斯 压 力 测定钻 孔 深度应 大 于 1 5 ． 7 9 I n 。参 考 瓦 斯抽 采 钻 孔深度 以及 掘进 工 作 面前 方 测 压 的 经验 ， 封 孔 长 度不小 于 1 5 m。 南庄 矿 1 2号煤 层 顺 煤 层 测 压 钻 孔 封 孔 长度 不应小 于 2 8 i n 包 括泄 压带 范 围 ， 考 虑 到在 打钻 过程 中煤体 受 到 震 动 ， 会 人 为增 加 钻 孔 周 围的 裂 隙， 结合南庄煤矿打钻和地质条件， 现场试验选取 封孔 长度 为 3 5 m。 2 ． 2聚氨 酯发 泡 时间 对 于 3 0～4 0 i n钻 孔 的注 浆 封 孔 而 言 ， 从 制 浆 、 注浆 到 冲洗泵 和管 路 系统 ， 需 要 5～1 5 mi n时 8 河南理工大学学报 自然科学版 2 0 1 5年第 3 4卷 间， 普通聚氨酯 3 mi n发泡 时间不 能确保 聚氨酯 在 发泡 前完 全注 满 钻 孔 ， 且 聚 氨 酯 在 泵 内发 泡 会 造 成压 注泵堵 塞 ， 使泵 无法 冲洗 和再 使用 ， 严 重阻 碍 聚氨 酯用 泵 注 入 封孔 的应 用 。 因此 ， 必 须 研 制 专 用 的聚氨酯 配 方 ， 将 初 始 发泡 时 间 调 整到7 m i n 以 上 。 研 究表 明 ， 聚氨酯 黑 白料 的 比例 与发 泡时 间 、 膨 胀系 数 的关系 如 表 2所 示 。 表 2 不 同配 比聚氨酯膨胀倍数 和膨 胀时间 T a b． 2 Ex p a ns i o n r a t i o a n d t i me o f d i f f e r e n t r a t i o po l y u r e t ha n e ⋯．． 膨胀 发 泡 时 间／ ⋯． 膨胀 发泡时19／ 比 配比 倍数 i 倍数 rai n 1 0． 7 5． 0 2 0 1 0． 8 6 4 2． 0 1 0 ． 9 7． 2 2． 5 1 1 O 8 ． 5 3 ． O l 1 1 9． O 4． O 1 1 ． 2 8 ． 2 7 O l 1 ． 3 7 5 8． O 从 表 2可知 ， 黑 白料 比例应 大 于 1 1 ． 2 ， 膨胀 系数为 7倍 左 右 ， 发 泡 时间 大 于 7 mi n ， 可 以满 足 现 场注 浆封 孔 的需要 。 2 ． 3 聚 氨 酯发泡 膨 胀空 间的 限定 现 场试 验采 用 “ 两堵 一 注 ” 的方 式 ， 使 聚 氨酯 在 有 限的封 孔段 内膨 胀 ， 有 效地 封堵 了煤 体裂 隙 。 基 本方 法 首先 在 预 留测压 气 室 外 侧 的 管 上 缠上 双 段棉 纱作 为 “ 内堵 ” ， 同 时在 钻 孔 的孑 L 口处 堵上 棉 纱作 为 “ 外堵 ” ， 然 后通 过 注 浆 泵 或压 注 桶 把 两 种 液体 混 合后快 速 注入 两堵 范 围内 的测压 管与 钻 孑 L 孑 L 壁 之 间 的空 间 ， 当看 到孔 口处 的棉 纱 上 侵 透 了聚 氨酯 ， 就停 止 注 入 。聚 氨酯 长 距 离 快 速 封 孔 测压 T艺 如 图 1所 示 。 4 5 6 7 8 9 1 o 。 j 喜粤毒 等 叁 ≤豢 譬 ≥ s √ 1 3．j 2 _| 长 ． 。 1 聚氨酯材料封孔 工艺示意 图 F i g ． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f h o l e s e a l i n g p r o c e s s pol yu r e t ha n e 1 ． 压风管，2 压汴桶 ，3 - 注液管，4 ． 压力表，5 一 阀门， 6 - 测压管，7 ． 外堵 ，8 - 钻孔，9 ． 内堵，1 O - 测压气室，1 1 阀r ] 3 现场测试 结果及可靠性分析 3 ． 1 现 场试 验条 件 南庄煤矿为高瓦斯矿井 ， l 2号煤层平均厚度 1 ． 2 2 m， 夹矸 厚 0 ． 0 8～0 ． 6 5 m， 顶 板 为 泥 岩 、 砂 质 泥岩 ， 底板 为砂 质泥 岩 、 泥岩 、 中／ 细砂 岩 。南庄 煤 矿 4 6 0 9回采 工作 面形 成不 久 ， 巷道 中没 有施 工 抽 采 钻孔 ， 所 以不存 在 周边 钻孔 对测 压钻 孔 的影响 。 因此 ， 测 压 选择 在 4 6 0 9工作 面 回风 巷 和进风 巷 各 布置 2个测 压钻 孔 ， 其 中 1号 、 2号 钻孔 分 别 位 于 4 6 0 9工作 面 回风 巷 距停 采 线 2 8 0 ， 5 3 0 m 处 ， 3号 和 4号钻孔分别位于 4 6 0 9工作面进风巷距切 巷 4 0 0 ， 2 0 0 m 处 。4个 钻 孔 均垂 直 于 巷 道煤 壁沿 煤 层 向 工 作 面 回采 区 域 方 向施 工 ， 钻 孔 长 度 均 为 4 0 m。为 了便 于 封 孔 操作 和测 压 管 固定 ， 采 用 全 程聚 氨酯 封孔 方式 ， 封孔 段为 由孔 口向里 3 5 m。 3 ． 2现场试 验 结果 煤 层 瓦斯 压力 测 定 采 用 自然 压力 恢 复 法 ， 测 得 的瓦斯 压力恢 复 曲线 如 图 2～ 5所 示 。 O 4 室o 3 0 ． 2 0 ． 】 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 时问／ d 图 2 1 号测压钻孔压 力恢复 曲线 Fi g． 2 Pr e s s ur e r e c o ve r y c u r ve of No． 1 h ol e O 5 0 ． 4 至 o 3 0． 2 0 l 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 O 时 In l ／ d 图 3 2号测压钻孔压 力恢 复曲线 Fi g． 3 Pr e s s u r e r ec ove ry c ur v e o fNo． 2 h ol e ．7 ．6 ．5 ．4 ．3 ．2 ．1 0 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 时『 目 J ／ d 图 4 3号测压钻孔压力恢复 曲线 Fi g． 4 P r e s s ur e r e c ov e r y c ur v e of N o．3 ho l e 矗 0 量 邕 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 时IN／ d 5 4号测压钻孔压力恢 复曲线 Fi g． 5 Pr e s s u r e r e c o ve r y c ur v e o fNo．4 h ol e 第 1 期 杨宏 民， 等 顺煤层钻孑 L 聚氨酯长距离快速封T L bN , 0 压技术 9 由图 2 5可知 ， 4个 测 压 钻 孔 瓦斯 压 力 稳 定 的绝 对值 分 别 为 0 ． 4 8 ， 0 ． 5 0 ， 0 ． 7 4 ， 0 ． 3 9 MP a 。从 压力 恢 复 曲线 来 看 ， 4个 测 压 地 点 均 没 有 出现 因 为封孑 L 质量问题 而引起 的压力突降 ， 也没有 出现 水 压影 响 而呈 现 的 压力 直 线 上 升 特 征 ， 均 表 现 出 典 型 的瓦斯 压力 恢 复 特 征 ， 表 明 瓦斯 压 力 测 定 结 果 比较 可靠 。 3 ． 3测试 结果 可靠 性分 析 由于无法得 到煤 层 瓦斯压力 的“ 真值 ” ， 因 此 ， 评 价瓦 斯压 力 测 定 准 确 与 否 通 常采 用 根据 瓦 斯 含量 反演 计 算瓦 斯压 力 的方法 。 在每个 测 压 孔施 工 完 成 后 ， 用煤 样 罐 采 取 孔 底煤 样 并进 行 现 场 瓦斯 解 吸速 度 测 试 ， 再 将 煤 样 罐 送 至实 验室 按照 G B ／ T 2 3 2 5 0 --2 0 0 9煤层 瓦斯 含量井下直 接测 定方 法 进行 煤层 瓦斯 含量测 定 ， 按照相关标准测定煤的吸附常数和煤质参数 ， 测 定 结果 如表 3所 示 。 表 3取 自3号测压孔 煤样的相关参数 Ta b． 3 Re l a t e d p a r a me t e r s o f c o a l s a mp l e f r o m No ． 3 h o l e 再根 据 这 些 参 数 ， 按 照 式 1 对 3号 钻 孔 的 瓦斯 压力 进行 反 演计 算 ， 计 算 结 果 3号孔 瓦斯 压 力 为 0 ． 9 2 MP a 。 比较 得 知 ， 3号钻 孔 煤 层 测 压 实 测 结 果 比瓦斯 压力 反演 结 果小 1 9 ． 5 7 ％ 。 1 0 0 1 1 0 3 1 M圳 ， 一 6 p ． 。 ⋯ ’ 1 式 中 为煤层瓦斯含量 ， m ／ t ； p为煤层绝对瓦斯 压力 ， MP a ； 。为吸附常数 ， 试验温度下煤的极限吸 附量 ， m ／ t r ； b为 吸 附 常 数 ， MP a ～； M 为 煤 中水 分 ， ％ ； A 为 煤 中灰 分 ， ％ ； y为煤 的视 密度 ， t ／ m ； K为 煤 的孔 隙率 。 在 瓦斯压 力 反 演 计算 公 式 应 用 中 ， 由 于 承 压 状 态 煤层 的视 密 度 、 孔 隙率 K均 与 松散 状 态 的 颗 粒 煤 的视密 度 和 孔 隙 率 的 测 值 有较 大差 异 ， 水 分 的影 响修 正项 也并 非确 定不 变 ， 而是 随水 分 、 煤 质的变化而变⋯ ； 再加上煤质参数测定误差在计 算 中的积 累 ， 会 使 计 算 的 瓦斯 压 力 值 与 真 值 之 间 存 在一 定 的差异 ， 因此 ， 这种 比较仅 是 测值 准确 性 的粗略评价 ， 并不能视为是与真值 的比较。 4 结 语 采 用 聚氨 酯 长距 离快 速 封 孔 测压 时 ， 封 孔 长 度大 于 2 8 m， 聚氨 酯初 始 发 泡 时 间大 于 8 mi n ， 且 应采用两堵一注的方式提高聚氨酯对煤层裂隙的 封堵 效果 。采 用此 方法 实测 的瓦斯压 力值 比较 接 近煤 层 原 始 瓦斯 压 力 值 ， 但 比反 演 的 瓦斯 压 力值 小 1 9 ． 5 7 ％ ， 说 明聚氨 酯可 以用于 顺煤 层 钻T L Jq 4 压 时 的封 孔 ， 但仍存 在封孔难度 大 ， 测值偏低 等问题 。 参 考文献 [ 1 ] 王春光 ． 聚氨酯在煤层孔测瓦斯压力 中的应用 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 7 5 1 9 2 1 ． [ 2 ] 于不凡 ． 煤矿瓦斯 灾 害 防治及 利用 技术 手册 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 5 3 7 - 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