下向测压孔封孔技术应用研究.pdf

2 0 1 1 年第 1期 中州 煤 炭 总第 1 8 1 期 下 向测 压 孔 封 孑 L 技 术 应 用研 究 衡献伟 ， 杨 世峰 ， 李 辉 1 ． 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；2 ． 新 疆 拜 域 音 西 铁 热 克 煤 业 有 限 公 司 ， 新 疆 阿克 苏8 4 2 3 1 6 摘 要 在 注 浆封 孔 法 中 ， 与 上 向 穿 层 测 压孔 封 孔 相 比 ， 由于 水 泥 浆 和 水 的 重 力 作 用 ， 下 向穿 层 测 压 钻 孔 封 孔 时 难 以形 成 测 压 室 ， 导 致 测 压 不 准 确 。 对 下 向测 压 钻 孔 封 孔 技 术 进 行 了研 究 ， 详 细 叙 述 了下 向测 压 钻 孔 的钻 孔 施 工 、 封 孔 材 料 、 封 孔 要 求及 封孔 过程 。该 技 术在 中平 能 化集 团 一矿 得 到现 场 应 用 ， 取 得 了较好 的效 果 。 关键 词 瓦斯 压 力 ； 下 向孔 ； 封 孔 技 术 中 图分 类 号 P 6 3 4 ． 8 文 献标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 1 010 0 0 90 3 Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o n Do wn wa r d ho l e S e a l i n g Te c h no l o g y f o r Ga s Pr e s s ur e Te s t i n g He n g Xi a n we i ， Ya n g Sh i f e n g ， Li H u i 1 ． S c h o o l o f S a f e t y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 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 ， C h i n a ； 2 ． Xi a n g B a i y u y i n x i T i e r e k e C o a l I n d u s t r y C o ．， L t d ．， A k e s u 8 4 2 3 1 6， C h i n a Abs t r a c t Co mpa r e d wi t h s e a l i ng u p wa r d h o l e t e c h n o l o g y f o r t e s t i n g g a s pr e s s u r e． i t i s ha r d t o f o r m p r e s s ur e r o om u s i ng s e a l i n g d o wn wa r d ho l e t e c hn o l o g y f o r t e s t i n g g a s pr es s ur e a m o n g s e a l i n g h o l e s me t ho d s by g r o u t i n g， a n d t he r e s ul t s o f t e s t s we r e n o t c o r r e c t b e c a us e o f t h e we i g ht o f c e me n t s l ur r y a n d wa t e r ． The p a pe r s t u d i e d t h e t e c h no l o g y o f s e a l i n g d o wnwa r d ho l e f o r t e s t i n g g a s pr es s ur e， a n d t h e c o n s t r uc t i o n o f d o wn wa r d ho l e， s e a l i n g ma t e r i a l s， s e a l i n g r e q ui r e me n t s a n d s e a l i n g p r o c e s s we r e de s c r i b e d i n d e t a i l ． Th i s t e c hn o l o g y wa s u s e d i n Pi n g d i n g s ha n No ．1 M i n e， a n d a c hi e v e d a g o o d e ffe c t ． Ke ywo r ds g a s pr e s s u r e； d o wn wa r d ho l e； ho l e s ea l i n g t e c h n o l o g y 煤 层 瓦斯压 力是 瓦 斯 涌 出 和 突 出 的动 力 ， 准 确 测定 瓦斯压 力对 矿井 有 效 而 合 理地 防治 瓦 斯 灾 害 ， 预测 预报煤 与瓦斯 突 出危 险 性 ， 制 订 防 突消 突 措 施 等均具 有重 要意 义 。 目前 ， 瓦斯压 力 的测 定一 般采 用直 接法 ， 即从 巷 道 向煤 层 中打 钻 孔 ， 然 后 封 孔 测 定 煤 层 瓦 斯 压 力 。 然 而 瓦斯压 力 的测试 工作 易受 到 围岩 的完整及 赋水 性 、 钻孔 的位 置 、 施 工工 艺 、 封 孔质 量 、 测 压孔所 穿煤 层 的松 散度及 人 为 因素 的影 响 ， 以 至 于测 压 钻 孔施 工 的成 功率 较低 ， 一般 7 0 ％ ， 甚 至低 至 5 0 ％ 。其 中 ， 封孔 质量 是一 个 重 要 因 素 。按 测 压 钻 孔 封孔 材 料 的不 同 ， 可 分为胶 囊 胶 圈 一 密 封 黏液 封 孑 L 测压 法 和注浆 封孔 测压 法 。在实 际 运 用 中 ， 注浆 封 孔 法 在穿层 测压 中 以其 简 单 、 成本 低 取 得 了较好 的效 果 ， 而在顺 层测 压孔 中 ， 胶 囊一 密封 黏液封 孔测 压法 测 定 的压 力更 加 准确 。 在 注浆 封 孑 L 法 中 ， 下 向孔 封 孔 与上 向穿层 测压 孔 封 孔相 比 ， 由 于水 泥浆 和水 的 收 稿 日期 2 0 1 01 01 9 作者简介 衡献伟 1 9 8 4 一 ， 男， 河南太康人 ， 河南理工 大学硕 士在 读 ， 主要研究方 向为安全技术及工程。 重 力作用 ， 下 向穿层 测 压 钻 孔封 孔 时 难 以形 成 测 压 室 ， 导致测 压不 准确 。因此 ， 笔 者对下 向测压 孑 L 封 孔 技 术进行 了应 用研究 。 1 下 向测 压 孑 L 施 工 工 艺 1 ． 1 钻孔 施工 1 在选 定地 点用 坡度规 确定 钻 孑 L 俯 角 ， 以 4 5 。 ～ 6 0 。 为 宜 。向下施 工 7 5 mm钻孔 ， 当钻 孔施 工 至 目标 煤层 顶板 5 0 0 mm位 置 ， 取 出 钻杆 并 通 知封 孔 人员 到场 做封孔 准备 。 2 换用 2 j 4 2 mm 的钻 头 沿 原来 钻进 方 向继续 钻进 ， 施工 到 目标 煤 层 的底 板 ， 并 进 入 底 板 不 少 于 1 ． 5 m。在 钻 孔 施 工 结 束 后 应 记 录 下 钻 孑 L 参 数 主 要包括 钻孔 方位 、 倾角 ， 煤 、 岩孔段 长度 ， 钻孔见 煤时 间 、 施 工完 毕时 间 、 孔径 及孔 深 。 3 施工 过程保 持 匀速 钻 进 ， 保证 钻 孔平 直 、 孔 形 完整 。钻 孔施工 好后 ， 立 即用压风 清洗 钻孔 ， 清除 钻屑 ， 保 证钻 孔 畅通 。 1 ． 2封 孔材 料及 设备 封孔 材料主 要 为水 泥 、 化 学 试 剂 草 酸 、 氢 氧化 9 2 0 1 1 年第 1 期 中州煤炭 第 1 8 1 期 铝 、 碳酸氢 钠 、 氧 化 锌 、 碎 砂 石 、 黄 豆 少 许 、 1 5 mm测压管 其 中 1根预先打上 花眼 、 2 j 1 5 mm管 接 头 、 托盘 、 圆环形胶皮 垫圈 厚 5 0 mm， 直 径 略大于钻 孔直径 、 压力表 、 8 0目铁砂 网 、 生胶带 、 棉纱 布 、 细铁 丝等 。封孔设备 主要为 注浆泵 、 管钳 、 扳手等 。 1 ． 3封 孔要求 按安 全生 产行 业 标 准 A Q ／ T 1 0 4 7 --2 0 0 7 煤 矿 井下煤层 瓦斯 压 力 的 直 接测 定 方 法 的规 定 封 孑 L ， 所 有测压 孑 L 均应从孑 L 口封至测 定煤层 与顶板交界 面 的整个岩孔段 ， 在煤层 顶板岩性较 完整致 密 的地方 ， 封 孔深 度可 减 小 ， 但 不 能低 于 1 5 m； 测 压 管连 接 头 要用 生胶带缠绕 不少 于 2 O圈 ， 使连 接严密不 漏气 。 1 ． 4封孔过程 在 下 向测 压孔 的施 工 过 程 中 以用 压 风排 渣 为 主 ， 也 可以用水排 渣 ， 但 无论 采用 何 种 排渣 方式 ， 当 钻孔长度 达到一 定值 后 ， 均会 出现不 能 完全 排渣 的 现象 ， 所 以为 了不 影响测压 室的质量 ， 下 向钻孔 需要 穿透 目标 煤层 且 进 入煤 层 底板 至 少 1 ． 5 m。因 此 ， 在注浆封 孔前 ， 首先 利用备用 风管 向孔 内压风 ， 将 积 水或钻屑 吹出 ， 保证封孔 质量 ， 然 后通过 孔底 的注 浆 管注人浆 液。① 先 用 铁 砂 网将 预 打 上 花 眼 的 1 5 m m测 压管 的一 端及 所 有 花 眼包 裹 严 密 ， 再 用 细铁 丝绑扎 牢 固 ； ② 将 圆环形 托 盘置 于 与花 管连 接 的托 盘上方 并将托盘 与管 接 头焊 接 在一 起 ， 再绑 上 捋成 长条形 的棉纱布 ； ③ 每根 2 j 1 5 mm测 压管 连 接 头上 的丝 口都要用 生 胶 带 缠 绕 不 少 于 2 0圈 ， 再 用 2 j l 5 m m管接头相互连接 ， 并用管钳拧紧； ④测压管下到 位后 ， 为 了防止测 压室 内水 与上部水 流动 、 交换 形成 积水 而影 响测 压效 果 ， 向测 压 室上 部填 充 拌有 水 泥 的碎 砂石 含少 许黄 豆 形 成 阻隔层 ， 阻 断测压 室 内 外水 的交换 ； ⑤ 另设 2 j 1 5 m m钢 管作为 注浆 管 ， 使其 下至孔底， 即④ 中阻隔层的上部 ； ⑥安设 2 j 1 5 m m、 长 3 m的钢管 作为排气 管 ， 固定孔 口段前 ， 先将其 与 测压管 固定一起 ， 防止 坠入 孔底 ； ⑦用 聚氨 酯和棉纱 布封孔 口段 ， 长 约 2 m； ⑧ 注浆 时 ， 排气 管 有 浆 液排 出即停止 注浆 ， 同时关 闭排气 管和 注浆 管 阀门。 2测压 室 形成 原 理 及 数据 处 理 2 ． 1测压 室形成 为防止封 孔过程 中测压室充 入水泥浆 而堵塞花 眼 ， 采 用在花 眼管后端 焊接垂直 于测压管 、 直径 略小 于钻 孔直径 的铁 质 圆挡 盘 ， 并 将 已加 工好 的橡胶 垫 圈 固定 其上 ， 以承载上部浆 液产生 的重力 ， 并 在橡胶 1 0 ． 垫 圈上部测 压管 四周绑 定 棉纱 布 ， 测 压管 布设 完 毕 后 在注浆前从 孔 口填 入拌有 水 泥 的碎砂 石 加少 许 黄 豆 等材料 ， 形成 浆液 隔 离层 ， 然后 注浆 封 孔 。下 向测 压封孔 如图 1所示 。 压力表 图 1 下 向测 压 孔 封孔 示 意 2 ． 2数 据处理 由于 此种 测压 技术 在封 孔 过程 中 ， 不 能完 全排 出测压室 和测压 管 内 的积水 ， 所 以在 最 终 瓦斯 压力 的计算 时运用 以下公式进 行校正 j 。 P P Ls i n o t ／l O 式 中 ， P为煤层 瓦斯压 力 相对 压力 ， MP a ； P 表为压 力 表读数 ， M P a ； L为 测 压管 长 度 ， I l l ； O ／ 为钻 孔 倾 角 假设 测压管 与钻孔轴 线平行 。 3 应 用 实例 中平 能化 集 团一矿 是平 煤 股份 的 主力矿 井 ， 设 计生产 能力 4 Mt ／ a 。井 田内含 丁组 、 戊 组 、 己组 、 庚 组 4个 煤 组 ， 该 矿 主采 丁 、 戊 组 煤 ， 其 中 丁 煤 层 为 该 矿 的主采 煤 层 之 一 。 目前 ， 丁 煤 层 已开 采 至三 水平 ， 随着 开采深 度的增 加 ， 煤层 中软分层增 厚处 瓦 斯 涌出量 明显增 大 ， 在 掘 进过 程 中 曾 出现过 涌 出异 常和放煤炮 现象 ， 进 行突 出危 险性 预测时 ， 出现 预测 指标 超标 。根 据 三 水平 丁二 采 区 的实 际 情 况 ， 3条 下 山 轨 道下 山 、 胶带 下山 和 回风 下 山 中仅 回风 下 山施工 至采 区底 部且 沿 丁 煤层 顶板 布 置 ， 存 在 打 钻距离 长 、 巷帮 淋水 现 象 等 问题 。为 了较 准确 地获 取丁 煤层 瓦斯 压 力 ， 应 用 以上 技 术在 丁 二 回风下 山施工 2个 下 向测压 孔 进行 瓦斯 压 力测 定 ， 具 体施 工参数及 测定结果 见表 1 。 中平 能化 集 团一 矿 丁二 采 区丁 煤层 已测 瓦斯 压力 统 计 结 果 见 表 2 。将 现 场测 定 结 果 与 统 计 的 丁 煤 层 瓦斯 压力进 行 回归 分析 图 2 。结果表 明 该采 区测压范 围 内的煤 层瓦斯 压力随埋 深增加 而逐 2 0 1 1 年 第 1 期 衡 献伟等 下 向测压 孔封 孔技 术应 用研 究 总 第 1 8 1 期 渐增 大 ， 相 关系数 为 0 ． 9 6 1 4 ， 呈 较 明显 的线性 关 系 ， 符合煤 层 瓦斯压 力 分 布 的一 般 规 律 ， 证 明 了该 方 法 测定 瓦斯压 力结果 的可靠性 。 表 1 丁 煤层现场施 工参数 及测定结 果 表 2丁 煤 层 已测 瓦斯 压 力 统计 山 皇 出 埋深／ m 图 2煤 层 瓦 斯 压 力 与 埋 深 关 系 4 结语 下 向测压 钻孔 封 孔 技术 ， 为 成功 测 压 提供 了技 术 保 障。该 技术 在 中平 能化集 团一 矿 的成功应 用证 明 了其 可行性 ， 扩 大 了采 用 直 接 法测 定 煤 层 瓦斯 压 力 的选 点范 围 ， 节 约 了开拓巷 道成 本 。 1 采用 二 次 成 孔 钻 进 ， 有 效 解 决 了在 浆 液 重 力及 注浆 压力 的作 用 下测 压 管 或 托 盘滑 落 、 浆 液 封 堵测 压 室问题 。 2 采 用 管接 头 处 焊 接托 盘 ， 托 盘 上 固定 直径 略大 于钻 孔 直 径 的橡 胶 垫 圈 并 在 其 上 部 布 满棉 纱 布 、 拌 有水 泥 的碎砂 石 、 黄 豆 少许 黄 豆 能使 碎 砂石 顺利 到达孔 底 的 方式 ， 既 实 现 了长距 离 封 孔 ， 又在 注浆 室与测 压室 间形 成隔 离层 ， 成 功 营造测 压室 ， 从 而提 高封孑 L 成功 率 。该技 术具有 材料便 宜 、 速度快 、 封孔深 度较 长 、 注浆 对 钻孔 周 围岩 体 的裂 隙有 一定 的封堵 作用 且对 人员技 术要 求有 所降低 等优 点 。 参考 文献 [ 1 ] 贾 金峰． 测压封孔技术在桃园矿的推广 与应用 [ J ] ． 陕西煤炭 ， 2 0 0 8 6 8 3 8 4． [ 2] 吕闫生， 张子戌． 提高测压钻孔瓦斯压力测定成功 率分析[ J ] ． 煤 炭工 程 ， 2 0 0 4 1 1 4 6 48 ． [ 3 ] 国家安全生产监督管理总局． A Q ／ T 1 0 4 7 --2 0 0 7煤矿井下煤层 瓦斯压力的直接测定方法 [ s ] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 赵志法 ， 张庆华 ， 黄长国 ， 等． 下向穿 松软煤层涌水钻孔测压技 术研究 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 8 3 5 3 4 3 6 ． 责任编 辑 刘 光雨 上接 第 2页 吕 需 潍 1 考1 旃 褥 潍 一 5 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 距端头距 离／ m 图 4顶 板 运 移 曲线 示 意 3 结 语 1 工 作 面支 架 工 作 阻 力不 大 ， 支 架 初 撑 力 能 达到额 定 初 撑 力 的 7 9 ％ ， 工 作 面 周 期 来 压 步 距 为 1 2 ． 7 m， 来 压期 间 动载 系 数 较 小 。说 明 在该 地 质 条 件下 ， 所 选支 架 能满足 工作 面支护 的要 求 。 2 在顶 煤 较 破 碎 的工 作 面 进 行 放 顶 煤 开采 ， 顶煤能 否放 出 已经不 是 主 要 问题 ， 而保 持 端 面 顶 煤 的完整 性 、 阻止顶 煤在端 面 的 冒落 是关键 ， 不 仅在 工 艺上要 求及 时移架 支 撑 顶 煤 ， 更 重要 的是 要 求 支 架 尽可 能将 顶板 全部封 闭 ， 尤 其是 端 面顶煤 ， 保 持顶 煤 的完 整性 ， 并对 端面 附近 的煤壁 进行有 效 支护 。 3 由于移 动 支 承压 力 的影 响 ， 巷 道 虽 然 产 生 变形 ， 但无 论 是 顶 底 板 或两 帮 ， 围 岩 煤 的 移 近 量 均非 常小 ， 变形 速度 也 很 小 ； 而 后 开始 显 著 增加 ， 到 工作 面前 方 1 2 m处 ， 巷道 的顶底 板移 近速度 和两 帮 移近 速度 急速增 加 ， 这 与 工作 面前 方 支 承压 力 分 布 规律 吻合 。 参考 文献 [ 1 ] 闻全 ， 王海燕 大倾角厚煤层轻放 采场矿压显现特 点[ J ] ． 矿山 压力 与顶 板 管 理 ， 2 0 0 4 4 7 4 - 7 5 ． [ 2] 来兴平 ， 程文东 ， 刘 占魁 ， 等． 大倾 角综采放顶煤开采数值计算 及相似模拟分析[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 3 ， 2 8 2 1 - 4 ． [ 3] 罗友德 ， 刘平安 ， 原钦岭 ， 等． 大倾 角轻型支架综采放顶煤工作 面开采工艺探索[ J ] ． 中州煤炭 ， 2 0 0 1 2 1 0 一 l 2 ． [ 4 ] 刘庆林 ， 盂祥瑞 ， 赵光明 ， 等． 大倾角综采 工作面矿压显现规律 研究 _ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 8 1 2 2 - 2 4 ． 责任 编 辑 秦 爱新 1 1