下向测压钻孔封孔技术研究.pdf

第 1 0卷第 4期 2 0 1 4年 4月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u r n a 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 0 No ． 4 Ap r ．2 01 4 文章编号 1 6 7 31 9 3 X 2 0 1 4 一 0 40 1 0 9 0 5 下向测压钻孔封孔技术研究 水 王明重 ，吕 辰 ，陈 凯 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 ．煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要 目前复杂煤层赋存条件下下向钻孔测定煤层瓦斯压力普遍面临钻孔封孔效果不理想、 煤 层瓦斯压力测定失败、 钻孔进水损坏压力表等问题。针对此， 提 出了一种新的测压封孔技术即联 合持续增压二级封孔测压技术， 阐述了该工艺的基本原理， 配制了新型发泡水泥和封孔粘液， 并进 行了工业性试验。试验结果表明， 应用该项技术能够有效地动态封堵发育中的裂隙从而实现准确 快速测压。 关键词 复杂煤层； 下向钻孔 ； 封孔； 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 4 ． 0 4 ． 0 1 9 Re s e a r c h o n s e a l i n g t e c h ni qu e f o r d e t e r mi n a t i o n o f g a s pr e s s ur e by do wnwa r d- ho l e dr i l l i ng WANG Mi n g z h o n g ， L V C h e n ， CHE N Ka i ’ 1 ． I n s t i t u t e 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 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 ． H i s h E f fi c i e n t C o a l M i n i n g K e y l a b o f C o - c o n s t r u c t i o n o f A n h u i P r o v i n c e w i t h M i n i s t r y of E d u c a t i o n ， H u m 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 At p r e s e n t ，t he d e t e r mi n a t i o n o f c o a l s e a m g a s p r e s s u r e b y d ril l i n g d o wn wa r d i n c o mp l e x c o a l s e a m o e c u r r e n c e c o n d i t i o n i s g e ne r a l l y f a c e d wi t h p r o b l e ms s u c h a s u n s a t i s f a c t o r y d r i l l i ng ho l e s e a l i n g，f a i l u r e o f c o a l s e a m g a s p r e s s u r e d e t e rm i n a t i o n a n d e v e n d a ma g e o f pr e s s u r e g a u g e d u e t o wa t e r i n b o r e h o l e ．I n t h i s p a p e r，a n e w p r e s - s u r e h o l e s e a l i n g t e c h n o l o g y a c o mb i n e d s u p e r c h a r g i n g s e c o n d a ry p o r e p r e s s u r e s e a l i n g t e c h n o l o gy wa s p u t f o r w a r d， t h e ba s i c p rin c i p l e o f t h e p r o c e s s wa s e x p o u n d e d，a ne w t y pe o f f o a me d c e me n t a n d s e ali n g ho l e muc u s we r e t he n p r e p a r e d a nd t h e i n d u s t ria l t e s t wa s c a r r i e d o u t ．Re s u l t s s h o we d t h a t t h e n e w t e c h n o l o gy c a n d y n a mi c all y fix de v e l o p i n g f r a c t u r e e f f e c t i v e l y S O a s t o r e ali z e r a pi d de t e rm i n a t i o n o f c o a l s e a m g a s p r e s s u r e ． Ke y wo r d sc o mp l e x c o a l s e a m ； d o wn wa r d - h o l e d ril l i n g；s e a l e d d ril l i n g；me a s u rin g p r e s s u r e 0 引言 随着矿井 的延伸和开采力度的不断加大 ， 瓦斯 问题越来越凸出， 防止煤与瓦斯突出已经成为煤矿 安全生产所面临 的主要 问题之一 。煤层原始 瓦 收稿 日期 2 0 1 31 21 5 作者简介 王明重 ， 硕士研究生 。 基金项目安徽理工大学科研资助项 目 Z Z 1 3 0 8 斯压力直接反应着瓦斯灾害 的危险程度 ， 因此煤层 瓦斯压力的准确快速测定对 防治矿井瓦斯灾 害具有 非常重要的现实意义 。 瓦斯测压效果不单依赖于煤层瓦斯赋存条件， 更取决于瓦斯测压的工程质量 ， 因此准确测定煤层 瓦斯压力的关键是封孔质量的高低。目前， 对于复 杂地质条件下的封孔技术主要有套管带压封孔技术 和胶囊 一 粘液封孔技术。套管带压封孔技术由于施 工 比较困难 ， 在现场较少使用 。在复杂煤层赋存条 l 1 0 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 l 0 卷 件下采用下向钻f L N压时 ， 由于测压区域地层构造 较复杂 ， 煤层顶底板岩层裂隙较发育 ， 甚至在破碎岩 层 中存在含水层 ， 容易形成沟通测压气室与岩层水 的裂隙通道。因此 ， 仅仅采用胶囊 一黏液封孔技术 测压 ， 对于岩层裂隙的封堵效果不理想 ， 所测得的瓦 斯压力值一般误差较大 j 。总体而言， 现有 的瓦斯 测压方法仅局限于如何封堵钻孔 ， 而未涉及到如何 有效地封堵和处理。由于矿 山压力的作用以及采动 的影响而不断发育扩张的煤岩层裂隙及瓦斯泄露通 道， 从而导致测压期间瓦斯潜能得以释放， 煤体发生 位移变形和泄压 。鉴 于以上情况 ， 本项 目提 出了联 合持续增压二级封孔技术 ， 阐述 了该工艺的基本原 理 ， 配制了新型发泡水泥和封孔粘液 ， 确定了相关的 工艺参数 ， 进行了工业性试验并取得了良好的效果。 1 联合持续增压二级封孔技术基本原理 联合持续增压二级封孔测压技术 ， 是基于复杂 煤层赋存条件下岩层及煤层 中存在的应力扰动沟通 裂隙 ， 对于部分岩层先进行套管封孔 ， 对于煤层部分 再采用胶囊 一粘液封孔 ， 在测压 的整个过程 中进行 不 问断承压注浆 ， 从而使封孔阶段始终处于动态 的 承压状态 ， 防止 由于在测压的过程 中由于矿山压力 的作用使煤岩层变形裂隙的增多而漏气 ， 达到改变 瓦斯测压钻孔周 围煤体特性和动态密封微孔裂隙的 目的， 并采用主动式测压的方式实现快速测压。 对于裂隙较发育的岩层段 ， 利用套管带压固结 封孔技术通过对裂隙较发育的岩层含水层区域进行 高压注浆 ， 固结破碎岩层 、 封堵裂隙并充填含水层的 含水空间 ， 改变含水层的性质结构 ， 使含水层成为弱 含水层甚至隔水层 。同时采用一级套管， 形成一 个有效的隔水密闭层 ， 使钻孑 L 与围岩 的裂隙无 法导 通以阻止顶底板 内的承压水 和裂隙水进入测压 钻 孑 L ， 从而确保了前段测压钻孔 的密闭性。其基本工 艺是首先在岩层中打钻 ， 然后将套管放人钻孔 ， 再往 套管和钻孔之间进行高压注浆以封堵固结岩层裂隙 和套管。 而对于煤层段 ， 采用 的是胶囊 一 粘液封孔技术 ， 即固体封液体， 液体封气体的方式。由于处于承压 状态的粘液在高压下的渗透作用， 能够劈裂、 扩展孔 壁内煤体裂隙， 能够进一步充填钻孑 L 周围裂隙， 提高 粘液渗透扩散 的深度 J 。在高渗透压力梯度 作用 下渗人煤体微裂 隙内的粘 液形成 空间 网状立体分 布 ， 能够 固结封堵煤层裂隙 ， 提高测压钻孔的封孔质 量 ， 从而使所测的瓦斯压力值等于或接近于煤层原 始瓦斯压力值 J 。同时减少钻孔和裂隙的暴露时 间以及扩散泄露的瓦斯量 ， 减小瓦斯卸压圈范围， 缩 短 了测压时间。 2新型封孔材料的配制 2 ． 1 新型发泡水泥的配制方案 结合本项 目的具体情况 ， 对于裂 隙较发育 的煤 岩层 ， 测压封孔时由于裂隙较大 以及煤 岩层本身的 强度较低 ， 需要采用 向煤 岩体注浆 以固结煤 岩体。 这就需要配制满足以下 四个要求的发泡水泥 ①凝 固时间短； ②流动性较好； ③抗压能力强； ④对岩层 的粘结能力强。 对于井下膨胀水 泥材料进行封孔 ， 选择合适 的 膨胀剂非常关键 。向水泥 中加入膨胀剂 ， 利用膨胀 变形补偿限制下的收缩变形， 抵消水泥浆结构在收 缩凝固过程 中产生的大部分甚至全部的拉应力 ， 从 而使混凝土结构不产生裂纹或将裂纹控制在工程允 许的范围之内 J 。以众 多学者研究成果为基础 ， 并 结合本项 目的实际应用要求 ， 最终采用的几种膨胀 剂试验配比方案如表 l所示 。经过进一步材料性能 测试 ， 采用方案 2的配 比作为本项 目最终使用 的膨 胀水泥。 表 1 膨胀水泥的最佳配比数据 g 2 ． 2 特性粘液的配制方案 由于矿山压力的作用， 在采动影响下， 煤层中的 裂隙始终在发育着。但是对于裂隙比较发育并且易 受采动影响的煤层， 在两个胶囊之间注入的乳化液 水分过高， 而过高的人为注入的水分能够进一步弱 化煤层和软岩， 这一点可以从所测得的胶囊 内的水 压的降低可知。由于水的渗流作用单纯地使用胶 囊 一粘液封孔技术很难达到理想的封孔效果 j 。 第 4 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 针对这种情况本项 目通过实验配置 了一种新型封孑 L 粘液 。结合现有封孑 L 材料 ， 提出了新 的材料配 比方 案 ， 并通过试验确定 了新型粘液 的配 比。材料 的特 性要求是具有一定的流动性 、 韧性和粘性 ， 对凝固时 间有一定的要求。实验 的主要思路是尽量减少粘液 中的水分， 以降低对煤岩体的侵蚀弱化作用， 通过在 乳胶粘液 中添加 1 0 ％的表面活性剂， 以增加粘液的 持续渗透封堵作用【 8 j 。 结合现有工艺 ， 根据本项 目的具体要求 ， 通过实 验配制了一种新型粘液 ， 具体试验配 比如表 2所示。 经过进一步材料性能测试 ， 采用方案 2的配 比作为 本项 目之中使用的注浆粘液。 表 2新型封孑 L 粘液的最佳配 比数据质量百分 比／ ％ 方醋酸聚乙 邻苯二甲 过硫 乳化剂 十二烷基 ． 案 乙烯酯 烯醇 酸二丁酯 酸钾0 P ． 1 0 磺酸钠 。 3封孔步骤 ’ 。 1 先用直径 1 5 6 mm的钻头开孔 ， 在钻进 3 ． 5 m 后退出钻杆， 利用压风吹净孔内钻屑， 将套管 直径 1 1 5 mm 送进孔 内， 安装法兰盘 ， 将通过实验配制好 的发泡水泥承压注入钻孔内以加固护口管， 之后做 耐压试验 ， 最低压 力 6 ． O M P a ， 泥浆 必须搅拌 均匀 。 注浆过程中应 坚持 “ 小流量 ， 长时间” 的原则 ， 使孔 内压力逐渐上升 ， 以便能够更多的渗入 ， 该级套管的 主要作用是保护孔 口段 。注浆结束后 ， 要用清水清 洗注浆泵 ， 防止泥浆堵死管路。 2 孔 口管段耐压试验合格后 ， 用直径 9 4 m m 的 钻头打孔， 打至距煤层底板 1 ． 5 m时停钻， 先对钻孔 验孔、 捅孔 ， 施行全孔长下抽放管， 压风扫孔， 将测压 钻孔 内的煤渣和煤粉清扫干净 以保证封孔和测压质 量， 以提高封孔效果， 保证钻孔扫孔后无水和不 漏气 。 3 如图 1 所示 ， 将绑有三个预先放有聚氨酯 白 料 的特制胶囊的注浆管放入钻孔， 再通过注浆 管向 其中注入聚氨酯黑料。等聚氨酯发泡凝固之后， 将 准备好的粘液注入胶囊之间的二级钻孔空间， 在整 个测压过程 中始终维持 1 2 ． O MP a的注浆压力。封 孔管外露长度不超过 3 0 0 mm， 注浆管外露长度不超 过 4 0 0 m m。 4 将钻孔法兰盘外 的测压管安装 上瓦斯压力 表， 为了提高瓦斯压力的上升速度， 缩短测压时间， 通过充气管向测压气室充入一定压力的氮气， 采用 主动法测压。测压管前端安装专用测压端头， 以防 止煤粉进入堵塞测压管路。 5 封孔完成后 ， 要定 时观察 和记录瓦斯压力 ， 若瓦斯压力连续 3 d 无明显变化， 则可认为这个稳定 的压力即为煤层原始瓦斯压力 。 6 注浆器在使用后 ， 打开注浆器排气阀， 卸掉 注浆 器 腔 内压 力 ， 拆 下 注浆 管， 用 清水洗 净 清洗 干净 。 1 一煤层； 2 一测气室； 3 ， 9 一固定卡环； 4， 6 ， 8 一胶囊； 5 ， 7 一注粘液管； 1 0 ， 1 4 一发泡水泥； 1 2 一套管； 1 3 一法兰盘； 1 5 一充气管； 1 6 一测压管； 1 7 一岩层裂隙 图 1 联合持续增压二级封孔工艺示意图 4 应用 实例 平煤股份某矿主要可采煤层为己组 ， 设计 服务 年 限7 4 ． 6年。矿井开拓方式采用一对立井 ， 两个水 平 一 5 2 5一一 7 0 0 分区开拓， 采区上、 下山开采， 目 前仅开采 一 5 2 5水平 ， 煤层倾角 8 。 一1 6 。 之间。该矿 2 0 0 2年 3月 1 2日一水平 己 煤层发生煤与瓦斯 突出 ， 全矿井瓦斯绝对涌出量为 3 6 ． 1 7 m ／ ra i n ， 瓦斯 相对涌出量为 9 ． 8 3 m ／ t 。井 田内构造情况中等， 二 1 煤层水文地质条件中等偏复杂型的矿床； 七 4 、 四 舛 鸽 8 0 2 O l 1 O 8 2 l O 1 吣 ● O O 2 4 3 3 3 2 O 8 4 4 3 0 O 2 5 6 2 3 3 4 1 2 3 l 1 2 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 1 0卷 2煤层水文地质条件属简单型。影响该采 区的水害 类型为顶板砂岩水 ， 底板在岩水 ， 断层水和老空水 ， 其中断层水和老空水对掘进影响较大。 在己一采 区进行测压 ， 由于在测压的过程 中始 终以 I O MP a 压力注浆封堵裂隙， 填充 了测压管附近 的原始及采动裂隙， 排除了水压等外在 因素对测定 塞 凝 图2 1 静 钻孔瓦斯压力 为检验联合持续增压二级封孔测压技术所测煤 层瓦斯压力 的准确性 ， 在测定煤层瓦斯压力 的同时 ， 在测压区域选择 了2个地点采取新鲜煤样通过实验 分析了煤对瓦斯的吸附常数及其孔隙率并进行了工 业分析。煤层 瓦斯含量 与瓦斯压力 满足 L a n g m u i r 吸附方程 ， 利用文献 3的式 1 和以上测定煤层瓦 煤层瓦斯的影响。从煤层瓦斯压力 自然恢复曲线能 够看出 ， 采用联合持续增压二级封孔测压技术使得 测压气室的气密性良好， 瓦斯压力恢复较快， 经过 2 天 ， 测压表基本稳定在3 ． 5 9 3 ． 6 2 MP a之间。1 和 2 钻孔瓦斯压力 自然恢复曲线分别如图 2和图 3 所示 。 矗 室 图3 2 钻子 L 瓦斯压 力 斯相关参数， 能够反算出各测压点的瓦斯压力， 计算 结果如表 3所示。瓦斯 压力在 3 ． 6 13 ． 6 2 MP a之 间， 其反算结果 与 1 、 2 钻孔实测瓦斯压力值 3 ． 5 9 3 ． 6 2 M P a 基本一致。所以可将联合持续增压 二级封孔测压技术所测得的瓦斯压力值作为煤层的 原始瓦斯压力。 表 3瓦斯压力 间接计算结果 5结论 I 针对本项目的具体情况， 通过实验配制了新 型发泡水泥和封孔粘液 ， 配置 的新型封孔材料有效 地满足了复杂地质条件下的封孔技术要求。 2 固结破碎岩石 ， 在 复杂煤层赋存条件下 ， 通 过采用套管带压注浆固结技术对裂隙较发育的岩层 进行注浆固结， 有效地封堵了测压钻孔与围岩裂隙 的沟通。 3 动态 封堵 裂隙， 在煤层 阶段 采用粘液封堵 ， 能够在整个测压的过程中动态封堵由于矿山压力的 作用导致 的不断发育的煤岩层裂隙。 参考文献 [ 1 ] 苏祖来． 多步分段封孔技术在测量下向测压孔中的应 用[ J ] ． 淮南职业技术学院学报， 2 0 1 0 ， 1 0 3 1 3 1 5 S U Z u l a i ． A p p l i c a t i o n o f t e c h n o l o g y mu l t i s t e p s u b s e a l - i n g o n me a s u r i n g g a s p r e s s u r e i n d o wn w a r d - d i r e c t i o n O 5 O 5 0 5 O 5 4 3 3 2 2 l l 0 O 5 O 5 O 5 0 5 第 4 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 1 3 h o l e s [ J ] ． J o u rnal o f H u a i n a n V o c a t i o n a l ＆T e c h n i c a l C o 1 ． 1 e g e ， 2 0 1 0 ， 1 0 3 1 3 1 5 [ 2 ] 俞启香． 矿井瓦斯防治 第二版 [ M] ． 徐州中国矿 业大学出版社， 1 9 9 3 ， 2 0 9 2 0 1 [ 3 ] 李波， 李长松， 魏建平， 等． 套管带压固结封孔技术在 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