长距离下向测压钻孔排水与封孔技术改进.pdf

7 2 能 源 技 术 与 管 理 E n e r g y T e c h n o l o gy a n d Ma n a g e me n t 2 0 1 4年第 3 9卷第 5期 Vo l _ 3 9 No ． 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 9 9 4 3 ．2 0 1 4 ．0 5 0 2 8 长距离下向测压钻孔排水与封孔技术改进 张 开加 中煤科工集团 沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 6 [ 摘要] 煤层瓦斯压力是反映煤层突出危险性的重要指标，准确的测定煤层的瓦斯压力对 预测煤层的煤与瓦斯突出危险性、 制定合理的瓦斯治理措施有着重要意义。在 富水 围岩条件下 ， 采用长距 离下向穿层钻孔封孔测压时， 由于钻孔 中的积水难以排除干 净， 影响封孔测压工作 ， 难以保证所测瓦斯压力的准确性 。针对此问题 ， 根据水泥浆 特性 ， 改进原排水与注浆封孔技 术， 并通过在贵州某煤矿的现场实践 ， 证 明此方法 的 可行性 。 [ 关键词 ] 瓦斯压力 ； 长距 离； 下向穿层钻孔 ； 排水； 封孔 ； 水泥浆特性 [ 中图分类号 ]T D7 1 3 ． 3 [ 文献标识码 ]B [ 文章编号 ]1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 1 4 0 5 - 0 0 7 2 - 0 3 0 引 言 煤层瓦斯压力是反映煤层突出危险 l生的一个 重要参数。煤层瓦斯压力测定工作的准确性对预 测煤层的煤与瓦斯突出危险性 、制定合理 的瓦斯 治理措施有重要意义 l 】 ] 。 根据与水平面的角度 ， 测 压钻孔分为上向测压钻孔与下 向测压钻孔 ，上 向 测压钻孔封孔测压过程相对容易 ，下向测压钻孔 封孔难度较大。下向钻孔封孔 的主要难题是排 出 钻孔中的积水 ， 在富水围岩条件下 ， 采用长距离下 向穿层钻孔封孔测压 时该 问题尤其突出。 1 试验 区概 况 该煤矿位于贵州省遵义市 ， 产量为 6 O万 t ／ a ， 开采标高 9 0 0 ～ 2 0 0 m， 可采煤层共 5层 ， 自上而 下分别为 3 、 5 、 9 、 1 5 、 1 6 煤层。 为预测 1 6煤工作面 的突出危险l 生， 需测定该工作面区域 1 6煤 的瓦斯 压力。 经分析 ， 部分测压钻孔需利用位于 9煤底板 的瓦斯抽放巷向巷道底板方向施工 。从底抽巷施 工 l 6 煤的测压钻孔必须穿过 1 5 煤，封孔段长度 需超过 1 5煤一定距离 ，以保证所测 l 6煤 的瓦斯 压力不受 l 5煤的影响。为满足预测工作的需要 ， 个别下向测压钻孔长度超过 8 0 m， 封孔长度超过 5 0 m。由于钻孔长度较大 ， 且围岩富水性较好 ， 打 钻过程使用水排 出钻孔中钻屑 。 体 的物理性质 ， 钻孔成孔及封孑 L 均较困难。因此 ， 测压钻孔一般选择穿层钻孑 L 。 目前 ， 国内常见的封 孔方法有粘土封孔 、 水泥浆封孔 、 聚氨酯封孔和胶 圈粘液封孔等口 ] 。 各种封孔方法有各 自优缺点 ， 水 泥浆封孑 L 因其施工方便 、应用范围广 、成功率较 高、 成本较低等特点 ， 一直是煤矿现场使用最多的 一 种方法。 上向测压钻孔采用水泥浆封孔方法时，首先 将测压管与注浆管放入钻孔内；然后使用粘土或 聚氨酯材料将孔 口封堵严实 ， 封孔长度较大 时， 在 孔 口用木楔加固 ，防止孔 口封堵段在水泥浆的重 力作用下被挤压出钻孔 ； 最后 ， 使用封孔注浆泵通 过注浆管注入调配好的水泥浆，待测压管中流出 水泥浆 ， 说 明已经注满 ， 即可关闭注浆泵 ， 完成封 孔工作 。 下向测压钻孔采用水泥浆封孔方法的步骤与 上向钻孔相似 ， 如钻孔内无积水时， 将棉纱材料固 定在测压管前段 ， 然后送人钻孔至待定位置 ， 依靠 棉纱将封孔段下端封堵严实 ，采用人工或注浆泵 将水泥浆注入钻孔中。但是， 如果钻孔内有积水， 向钻孔内注浆会很困难 ， 往往会因为注浆量少 、 水 泥浆被严重稀释而至封孔失败 。 因此 ， 一般首先需 要将钻孑 L 内的积水排 出， 然后再进行注浆。 3常用钻 孔排水 方法 2 测 压 钻 孔 封 孔 方 法 积 水 篇 测压钻孔一般有顺层测压钻孔和穿层测压钻 常用的排水方法主要是利用井下压风系统的高压 孑 L 2种 。 前者是在煤体 中顺煤层施工钻孔 ， 由于煤 风流将钻孔 内的积水排出[3 ] ， 详细步骤如下 2 0 1 4年 l 0月 F e b ． ， 2 0 1 4 张开加长距离下 向测压钻孔排水与封孔技术改进 7 3 1 钻孔穿过煤层 0 ． 5 ～ 1 m后 ，停止钻进 ， 水 管继续供水 ， 清除钻孔 中的钻屑 ， 待钻孔流 出水流 较干净后停止供水。 2 退出钻杆 ， 然后在钻孔 内放入 高压软管 ， 高压软管另一端连接井下压风管道，也可不退出 钻杆 ， 直接在钻杆外端连接井下压风管道。 其排水 方式如图 1 所示 。 接井下 层 图 1 常用测压钻子 L 排水示意 图 3 逐渐开大压风管路 阀门 ，利用高压风流 将钻孔内积水 冲出，待钻孔 内无水排 出或水流呈 间歇状喷出时， 关闭压风管路阀门。 钻孔内积水排出后，按照步骤进行注浆封孔 工作 。 该方法操作简单， 不需要其他设备， 对深度较 小的钻孔排水效果很好 ， 能满足注浆封孔 的需要 。 但在深度较大、 钻孑 L 或钻孔围岩中裂隙水丰富、 钻 孔涌水量大的情况下 ， 该方法的排水效果差 ， 很难 保证封孔的质量 。 4 改进后排水及 注浆封孔方案及应用 水泥浆初凝前为塑性液体 ，有一定 的粘度与 稠度 ， 并且其粘度与水灰 比的关系密切 ， 水泥浆液 的水灰 比越小 ， 其粘度越大 ， 水泥浆 比重可按下 式计算 D 】 二 l 1 ／p 1 W／ C 1 ／ p l W ／ C 式 中 P为水 泥浆 密度 ， d m ； p 为 水泥 比密 度 ， 9 m 。 ； W／ C为水灰质量 比。 煤层瓦斯压力测定注浆封孔用水泥浆 的水灰 质量 比为 2 1 E s ] ， 普通水泥密度一般取 3 ． 1 5 9 m 。 根据上式计算水灰质量比为 2 1 的水泥浆的密 度为 1 ． 2 9 d ms 。由上式可以看出 ， 水泥浆密度与水 灰质量 比呈反 比， 即水泥浆液的水灰质量 比越小 ， 则其密度越大。 由于水泥浆密度 比水的密度大 ，并且水泥浆 液具有一定的粘性 ，因此可以通过在钻孔封孔段 的底部 自 下而上地注入水泥浆，利用密度较大的 水泥浆将水排出， 使排水与注浆的程序合二为一， 如图 2所示 。 煤层 积水 图 2改进后排水注浆方案示意 图 具体方案如下 1 使用 8 9 m m钻头施工测压钻孔 ，打钻 完成后使用清水尽量清除钻孔中的钻屑。 2 退 出钻杆 ，在加工好的测压花管 的挡盘 处缠裹棉纱 ， 并用铁丝 固定好。 准备一根注浆用的 软管 ， 软管长度需大于封孔长度 ， 在连接测压钢管 放入钻孔 的过程中将软管一起送人钻孔 。下 向钻 孔特别是当钻孔角度较小时 ，钻孔 内不可避免地 会残 留一些钻屑 ， 当测压管和软管送不动时 ， 可以 将测压管连接压风管路 ， 利用压风清除钻屑。 进行 该操作时 ， 工作人员须离开孔 口， 防止被冲出的积 水或钻屑伤害。 3 当测压管放置到预定位置后 ，反复提拉 几次测压管， 使挡盘处的棉纱卡死在钻孔中。 将测 压管用铁丝 固定在巷道壁上 ，防止注浆过程 中滑 落 ， 同时 ， 小幅度提拉高压软管 ， 保证软管可 以活 动。 4 连接高压软管与注浆泵 出口，然后注入 水泥浆， 在保证注浆泵正常工作的情况下， 尽量减 小水灰 比， 提高水泥浆的密度和粘度 ， 并且控制注 浆速度不要太快。 同时 ， 随着浆液的注入逐渐提出 钻孔 中的高压软管 ， 钻孔 的积水被逐渐排出。 5 当钻孔 口流 出比较浓的水泥浆时，从钻 孔中拔 出注浆用 的软管。下 向测压钻孔注浆后经 过一段时间浆液面可能会下降 ，应注意观察并及 时补充。注浆封孔结束 2 4 h后 ， 待水泥浆完全凝 固， 再安装压力表测量瓦斯压力。 按照上述封孔方案 ， 在试验区现场对 4个 1 6 煤层瓦斯压力测定钻孔进行封孔测压 ，煤层瓦斯 压力 表压 测定结果分别为 0 ． 5 8 M P a 、 0 ． 6 2 MP a 、 0 ． 6 4 MP a 、 0 ． 6 1 M P a 。同一工作面区域另外 2个采 用上向测压钻孔测定的煤层瓦斯压力 表压 经修 正后最终结果分别为 0 ． 6 2 MP a 、 0 ． 5 9 MP a 。 74 能 源 技 术 与 管 理 E n e r g y T e c h n o l o gy a n d Ma n a g e me n t 2 0 1 4年第 3 9卷第 5 期 V0 1 ． 3 9 No ． 5 5 结语 针对长距离下向测压钻孔 的封孔测压中存在 的排水困难、 封孑 L 效果差等问题， 结合水泥浆的特 性对常用方法进行了改进，利用水泥浆密度比较 大且具有一定糌眭的特点 ，从底部开始注入水泥 浆液 ， 将钻孔中的积水逐渐排 出， 并 同时完成注浆 封孔工作。 在贵州某煤矿现场 ， 使用改进后 的方法 测定 的煤层瓦斯压力 表压 为 0 ． 5 8 ～ 0 ． 6 4 MP a ， 同 一 区域采用上 向测压钻孔测定 的煤层 瓦斯 压力 表压 为 0 ． 5 9 ～ 0 ． 6 2 MP a ， 两种方法所测结果基本 一 致 ， 能反映该 区域煤层瓦斯压力的情况 ， 证 明该 方法是可行的。 改进后 的排水注浆方法与常用方法相 比， 不 仅解决 了排水困难和影 响注浆封孔质量的问题 、 保证 了所测煤层瓦斯压力的准确性 ，而且可以同 时完成排水与注浆工作 ， 使两者合二为一 ， 简化了 下向钻孔测定煤层瓦斯压力的工序。 [ 参 考 文 献] [ 1 ] 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 ． [ 2 ] 李建铭． 煤与瓦斯突出防治技术手册[ M] ． 北京 中国 矿业大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 张智峰 ，张瑞林 ． 长距离 下向穿层测压钻孔排水 与封 孔技术[ J ] ． 煤矿安全， 2 0 1 2 7 6 6 6 8 ． [ 4 ] 王雄鹰． 水泥浆液粘度随时间变化的试验研究 [ J ] ． 山 西建筑 ， 2 0 0 9 6 1 0 1 1 ． [ 5 ] 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 ] ． [ 作者简介] 张开加 1 9 8 3 一 ， 男， 助理工程师， 硕士， 毕业于中国矿 业大学 北京 ， 现在 中煤科 工集团沈阳研究 院主要从事矿 井瓦斯防治研究工作。 [ 收稿日期 2 0 1 4 0 5 0 8 ] 上接第 6 4页 在 1 1 - 2煤层顶板 ， 距 1 4 1 2 1 轨 顺垂距 2 5 3 0 m， 平距 2 5 ～ 3 0 m。高抽巷抽采卸压 瓦斯的同时 ，施工穿层钻孔抽采 1 3 1 煤层瓦斯 ， 每 9 0 m布置 1 组穿层孔 ， 每组 3个 。预计抽采瓦 斯量为 2 0 2 6 m 3／ m i n ， 抽采浓度 2 5 ％， 抽采混合量 最大为 1 0 4 m3 ／ m i n 。 3 1 4 1 2 1 工作面瓦斯治理效果分析 1 4 1 2 1 孤 岛工作 面在 2 0 1 0年 1 2月一2 0 1 1 年 2月期间风量较小 ， 仅有 1 3 0 0 m 3 ／ m i n左右 ， 其 他时间段风量都大于 2 5 0 0 m 3 ／ m i n ，平均风量约 达 2 4 3 5 m3 ／ m i n 。同时工作面风排 瓦斯量平均为 9 ． 2 5 m 3 ／ m i n 。风量变化趋势平缓 ， 风排瓦斯量与风 量变化趋势一致。由此可知 ， 合理分配风量 ， 既可 满足工作面通风需求，又有利于高瓦斯工作面稀 释排放瓦斯。 1 4 1 2 1 孤岛工作面回采过程 中绝对 瓦斯涌出量平均值达到 4 8 m3 ／ mi n ， 相对瓦斯涌出 量平均值达到 9 ．3 m 3 ／ t 。 工作面瓦斯监控探 头 T 5 、 T 、 T 7 和 T 8 平 均读 数分别为 0 ． 4 6 ％， 0 ． 4 7 ％， 0 ． 4 9 ％， 0 ． 4 5 ％。1 4 1 2 1 孤岛工作面瓦斯浓度平均值 0 ． 5 3 ％，其 中回风巷 道瓦斯浓度 0 ． 4 8 ％， 上隅角瓦斯浓度 0 ． 4 4 ％， 煤壁 附近瓦斯浓度 0 ． 6 7 ％，采空 区瓦斯浓 度 0 ． 8 3 ％， 1 4 1 2 1 工作 面瓦斯平均抽采率为 8 0 ％， 工作 面 整个 回采过程 中未出现瓦斯超限现象。 综上所述 ， 1 4 1 2 1 工作面回采过程中采取地 面井 、 顺层钻孔 、 采空 区埋管 、 高抽巷抽采卸压瓦 斯 、高抽巷及底抽巷穿层钻孔抽采瓦斯综合防治 措施 ，瓦斯得到有效治理，瓦斯平均抽采率达 8 0 ％， 实现 了高瓦斯易 自燃煤层安全快速 回采 。 4 结论 1 建立 了 1 1 - 2煤层瓦斯梯度关系式 ， 预测 1 4 1 2 1 工作面煤层瓦斯含量为 5 ． 9 8 m3 ／ t ， 1 1 - 2煤 层瓦斯总含量 9 3 7 ． 4 3 91 0 4 I n 。 2 根据相关理论计算公式得出 1 4 1 2 1 采 煤工作面相对瓦斯涌出量为 9 ．4 2 m 3／ t ，并预计出 不同 日产量情况下的绝对瓦斯涌 出量。 3 工作面瓦斯治理采取地面井、 顺层钻孔 、 采空区埋管 、 高抽巷抽采卸压瓦斯 、 高抽巷及底抽 巷穿层钻孔抽采瓦斯综合防治措施 ，达到了瓦斯 治理预期 目的。 4 1 4 1 2 1 工作 面回采期 间在风量合理配 给和多项瓦斯治理措施综合作用下，工作面平均 瓦斯 浓度为 0 ． 5 3 ％，工作面平 均瓦斯抽采 率达 8 0 ％，实现了高瓦斯易 自燃孤岛工作面煤层安全 快速回采 。 [ 作者简介] 戴军超 1 9 8 1 一 ， 男， 工程师， 本科学历， 现任淮南矿业 集团 有限责任公司丁集煤矿抽排区副区长， 主要从事煤 矿 “ 一通三 防” 技术研究和管理工作 。 『 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 4 ]