主动封孔测压技术应用中的问题分析及对策.pdf

4 能 源 技 术 与 管 理 2 0 1 1 年第 1 期 d o i l O ． 3 9 6 9 i s s n ． 1 6 7 2 9 9 4 3 ． 2 0 1 1 ．O1 ．0 0 2 主动封孑 L 测压技术应用中的问题分析及对策 赵文斌 ， 蒋承林 ， 吴爱军 ， 刘辉辉 中国矿 业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 1 2 2 1 0 0 8 [ 摘要 ] 为解决主动式封孔测压技术应 用过程 中出现的问题 ， 从“ 人 一机 一环境 ” 综合 系统 理论 出发 ， 把主动式封孔测压看作是一个 系统 ， 分析 了在 实际操作 中测压准确性的 影响因素， 发现测压人 员基本技术素能、 测压设备 的技术工艺、 测压地点的选择 、 煤 矿管理制度是影响其准确性的主要 因素，并针对各个影响 因素的特点以及其在 系 统里所起到的作用和相互之间的关系， 提 出了使 系统最优化的解决对策。 [ 关键词] 瓦斯压力； 主动式封孔测压； 系统论 [ 中图分类号 】T D7 1 3 ． 2 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 ]1 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 1 1 1 - 0 0 0 4 4 3 0 引 言 瓦斯压力是煤矿瓦斯灾害发生的动力 ，准确 测定煤层瓦斯压力对预测预报煤与瓦斯突出危险 性和矿井合理地制定防治瓦斯措施具有十分重要 的意义。 目前主动式封孔测压技术因其测压快捷 方便而得到广泛应用 ， 但在云南 、 贵州 、 四川等地 大量的测压 实践表明， 测压钻孑 L 成功率达到 7 0 ％ 就算是比较高的了。分析测压系统中各个环节容 易出现的问题 ，以便针对现场出现的情况找到比 较好的解决办法。 1 主动式封孑 L 测压原理 主动式封T L J 压是基于周世宁院士发 明的 M一Ⅱ型瓦斯压力测定仪⋯。其原理是“ 固体封液 体 ， 液体封气体” ， 既利用两个膨胀胶囊 ， 在胶囊之 问充入具有一定压力的粘液 ，粘液的压力略高于 煤层的瓦斯压力 ，粘液在压力作用下渗入钻孔周 边裂隙， 杜绝瓦斯的泄露 ， 从而使测 出的瓦斯压力 值等于煤层真实的瓦斯压力。 2 主动式封孑 L 现场应用 中出现 问题 分析 从系统的角度分析 ，主动式封孔测压的现场 操作是一项特殊的“ 人 一物 一环境” 系统 __] ． 程 2 ] ， 准确测定煤层瓦斯压力是测压人员 ， 测压仪 ， 测验 条件及管理四个环节紧密相关的一个系统，其中 任何一个环节出现失误都会直接关系到煤层测压 的成败 。 基金项 目 国家重点基础研究项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 4 3 2 ． 1 人的因素 人是测压的主体 ，同时又是影响测压的主要 因素， 可以说测压结果的准确性主要取决于人。现 场测压人员的责任心不强和不规范操作最容易导 致测值的不准。 2 ． 2 物的因素 2 ． 2 ． 1 测压设备的故障因素 测压设备必须具有 良好 的技术和质量状态， 否则也会导致测压结果 的不准确。由于测压设备 的一些元件本身的稳定性不高，使用 时问较长时 会发生损坏， 使得测定结果错误 。M一Ⅱ型瓦斯压 力测定仪进行封T L , g 压时涉及到的设备主要有胶 囊 、 瓦斯管 、 乳化液泵 、 瓦斯压力表等。 这些设备的 技术和质量状态与测压结果有密切关系。现场应 用 中常 现 以下问题 ①各个管路连接处失去密 封性。由于胶囊上的水管 ， 粘液管， 瓦斯管的连接 处都采用压接连接方式 ，在使用过程中由于连接 处松动、表面生锈等原因，致使连接处失去密封 性 。 ②各个管路容易堵塞。 由于水管 、 粘液管 、 瓦斯 管直径都比较小 。水管容易被水 中所携带的泥沙 堵塞 ； 粘液管中粘液浓度配 比要适 中， 太粘稠了不 但加压费力且压力上升速度慢 ，还比较容易堵塞 粘液管； 粘液太稀 了， 起不到封堵裂隙的作用。③ 水泵和粘液泵的压力表的连接处及开关位置泄漏 现象很频繁。在将水压和粘液压力分别压到 3 MP a 和 2 MP a 后 ， 常常在观测时间内， 因为开关处水和 粘液 回流泄漏 ， 而使得测压失败。 2 ． 2 ． 2 钻孔成孔质量与密封液泄漏量分析⋯ 测定煤层瓦斯流动参数 中，钻孔 内的瓦斯泄 漏 主要有以下三种情况 ①钻孔 内的瓦斯通过巷 2 0 1 1 年第 1 期 赵文斌 ， 等主动封孔测压技术应用中的问题分析及对策 5 道的泄压圈和裂隙向外泄漏 ；②钻孔 内的瓦斯通 过钻孔密封段 的煤体 向外泄漏 ；③钻孔内的瓦斯 通过孑 L 内封孔材料之间的裂隙向外泄漏。 对于第一种泄漏 ，只要将钻孔密封段 的位置 布置在距巷道煤壁足够远的地方 、使密封段脱离 巷道的泄压圈既可以解决。 对于第二种泄露 ， 只要 密封段的长度足够长 ， 使瓦斯难 以越过封孔段 ， 也 就可以很好的解决。 对于第三种情况 ， 钻孑 L 周围煤 岩体的性质和成孔质量很关键 ，直接影 响到测压 的成败。 尽管胶囊粘液封孔仪器的设计很完美 ， 但 是钻孔 内壁是否光滑 、 平直 ， 以及钻孔周 围是否含 有裂隙发育直接影响到密封 的可靠性 。 M一Ⅱ型测 压仪是基于固体封液体 ， 液体封气体的原理 ， 把密 封气体转化为密封液体 ，封孔的可靠性主要取决 于是否能够维持密封段中密封液的压力。 2 ． 2 ． 2 ． 1 钻孔周围缝隙流体流动微分方程 钻孔周边密封性能的好坏主要 以泄漏量大小 来衡量，而泄漏量的多少则由钻孔周边缝隙中流 体流动状态所决定。为了建立钻孔周边缝隙 中流 体流动的方程 ， 假设 ①密封体与钻孔壁之间存在 狭窄的缝隙， 缝隙内粘液流动属于稳定层流； ②密 封体与钻孔壁之间是固定的 ， 无相对运动 ； ③不考 虑钻孔壁对流体的吸收作用 ；④粘液为不可压缩 流体且质量可 以忽略。 根据以上假设 ，可 以建立钻孔周围裂隙中粘 液的流动微分方程 1 ， 由力的平衡原理和牛顿摩 擦定律可得 旦 1 d r L 式 中， 为密封液 的粘度 MP a S ； “为缝隙 中 流体流动速度， m ／ s ； P 。 、 P 为密封介质 胶囊 、 外界 的压力 ， P a ； L为密封胶囊的长度 ， m。 根据其上假设 ， 边界条件为 l - - r 0 时 。 u 0 r R时 ， u 0 2 式中， r o 为密封胶囊 的半径 ， m； R为钻孔的半 径 ， m。 由 1 、 2 式可得钻孔周 围缝隙粘 液的流动 的速度方程 一 P 1 - p 2 3 2 ． 2 ． 2 ． 2 钻孔周边缝 隙中粘液泄漏量的计算及其 影响因素分析 1 假设钻孔周边与密封体之间的缝隙形成 两平行圆柱面的同心环缝 隙， 如图 1所示 ， 缝隙宽 度 A h R r o 为一常量 ， 则泄漏量 q为 4 将 3 式代入 4 式 ， 积分并考虑到 A h ≤尺可 得同心环缝隙中粘液泄漏量的计算公式 g 5 式中， d为钻孔直径 ， m； 其余符号同前。 图 1 钻孑 L 密封体设计示意图 2 假设钻孔周边 与密封体之 间缝隙产生偏 心， 其偏心距为 e ， 密封体偏心设计图如图 2所示。 图 2密封体偏心设计 示意 图 钻孔周边与密封体之 间的缝隙 A hR r o 为 变量 ， 则缝 隙问微小流量为 r ⋯ 3 d q R d 6 把 6 式在 0 - 2 r内积分 ， 可得偏心环缝 隙中 液体泄漏量的计算公式 q ／ t h 7 ,ro 1 1 t r 、 1 ／4 Z L 式中， 6 为偏心率； 其余符号同前。 根据 以上建立模型及推导公式可知 钻孔成 孔密封后 ，影响钻孔周边粘液泄漏量 的主要 因素 有缝隙宽度 ， 密封液粘度 ， 钻孔直径和偏心率等。 2 ． 3环境的因素 准确测定煤层瓦斯压力 ，测压地点选择也是 相当重要 ， 在选择测压地点时， 由于地测报告 中提 供的地质资料中， 本身存在很多不确定性因素， 致 使所测压力不能很好的反映实际情况。 目前影响 测乐不准确的地质 因素 主要有以下 几种情况 ① 6 能 源 技 术 与 管 理 2 0 1 1 年第 1 期 构造地带。 构造地带破坏了煤层 的连续完整性 ， 使 煤层 的瓦斯运移条件发生改变[ 3 ] 。在围岩透气性 较好 的开放型地区 ， 构造越复杂 、 裂隙越发育 ， 则 该处通道就越多，排气就越快 ，保存瓦斯的就越 少 ， 开放区域所测瓦斯压力偏小。因此 ， 在构造附 近所测得瓦斯压力都不能反映煤层 的真实情况。 ②近距离煤层的穿煤层测压。许多矿井开采煤层 都是不止一层 ， 例如 ， 贵州 ， 云南 ， 四川等地 ， 地质 构造复杂 ， 煤层数多而且层间距不大 ， 测定某 煤 层瓦斯压力有时相当困难 ，许多情况下在穿煤层 测压时 ， M一 Ⅱ型瓦斯压力测定仪往往不能严密的 封住钻孔 j ， 或者因为煤层之间裂隙沟通 ， 所测得 瓦斯压力往往两层 的混合压力。③特殊性质顶底 板岩层 。钻孔开孔位置附近的岩石 的性质对测压 影响很大。松散破碎岩层成孔后 ， 孔壁粗糙 ， 且碎 石居多 ，在封孔过程中胶囊不能很好的和孔壁紧 密接触 ，致使粘液很容易从胶囊和孔壁之间缝隙 泄露 ， 起不到封堵瓦斯的作用 ， 同时由于孔内裂隙 发育 ， 测压室内瓦斯容易放散 ， 使所测压力值误差 很大 ，而且在松散破碎岩石钻孔封孔时极易出现 塌孔现象 ， 造成胶囊拔不出来而增加测压成本 。 在 膨胀性岩层 中的钻孔封孔时，由于该岩层遇水膨 胀致使胶囊卡住拔不出来 ， 造成测压成本提高。 2 ． 4管理的因素 有些矿井或科研鉴定机构对测压工作重视不 够 、 管理不科学 、 不严格等， 这也会 间接导致测压 结果的不准确。比如对测压人员不培训或培训不 严格， 测压人员不固定， 人员流动性大 ， 使测压人员 的业务素质存在极大缺陷。 3 解 决对 策 1 人是系统 的核心 ， 是影 响测压准确性的 主要 因素 ， 要加强对测压人员的培训和技术指导， 增强责任心和操作的规范性 。 2 操作人员每次测压之前都需要检修测压 设备 ， 保证水管 、 粘液管 、 瓦斯管连接点无漏和各 个管道通畅， 用清水配比适宜浓度 的封孔粘液 ， 既 不堵塞粘液管又起到很好的封孔作用 ， 另外 ， 封孔 后 1 0 ra i n ，若看到放在水中的瓦斯管中有气泡 冒 出， 则证明瓦斯管通畅， 可以安装瓦斯压力表 。 3 为了提高煤层钻孔 瓦斯压力测定的准确 性， 在钻孔施工过程 中要控制钻机的钻进速度 ， 稳 定钻机 ，这样减少了在钻机钻进过程中形成的新 的裂隙 ， 提高了岩石的致密性 ， 同时使钻孔 内壁平 滑 、 笔直 、 偏心率小 ， 保证 了封孔胶囊和钻孑 L 的紧 密接触 。 4 测压点要求尽可能选择在煤岩体赋存稳 定的地带 ， 尽量避开断层 、 褶皱等地质构造地带 ， 测压钻孔必须布置致密岩石 中，当只能选择煤层 的顶 底 板岩石松散破碎带或岩层含水带作为测 压地点时 ， 必须对这些测压地点采取措施 ， 如采用 注浆法 ，通过往钻孔内注高压水泥浆来封堵破碎 的岩石 ， 以及导水裂隙 ； 当只能穿越煤层测压时 ， 必须将穿越的煤层隔离 ， 先用 1 0 8 mm钻头打钻 ， 钻孔穿越隔离煤层顶 底 板 1 m左右 ， 然后注入 高压水泥浆 注浆压力为 1 2 MP a 封堵煤层裂隙 ， 待水 泥浆凝 固后 ，再用 7 5 m m钻 头钻至待测煤 层 ， 即可实现穿煤层测压。 5 有效 的管理能够使得人 、 设备 、 环境组成 一 个能够有效实现预期 目标的系统。管理是贯穿 在整个测压过程 中，每一环节准确的实现都离不 开严谨 、 科学 的管理方法， 所以无论是科研鉴定机 构还是煤矿自身在测压时都应重视管理。 4 结论 分析了主动式封孔测压技术应用过程 中出现 各个问题 ， 将 主动测压工艺看做一个系统 ， 根据系 统论进行分析了系统的特点 ，存在的问题及各个 影响因素 ， 提 出具体解决方案。人是系统的核心 ， 是影响测压准确性的主要因素；测压设备是测压 准确性 的物质保障 ；有效的管理能够使得人 、 设 备 、 环境组成一个能够有效实现预期 目标的系统。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ]周世宁． 煤层瓦斯赋存 与流动理论 [ M] ． 北京 煤 炭工 业 出版 社 。 1 9 9 7 [ 2 ]张景林 ， 等． 安全 系统工 程[ M] ． 北京 煤炭 工业 出版 社 ． 2 0 0 2 『 3 ]张子敏． 瓦斯地质学[ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版 社 ． 2 0 0 9 [ 4 ] 解 庆雪 ． 煤巷构筑岩段法测定 瓦斯压 力技 术研 究[ D] ． 徐州 中周 矿业 大 学 ， 2 0 0 9 『 5 ]国家安全生产监督 管理总局， 国家煤矿安全监 察局． 煤 矿安全规程 『 M] ． 北京 煤炭工业 出版社， 2 0 1 0 [ 作者简介 ] 赵文斌 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山东临沂人 ， 中国矿业大学安全 工程学 院硕 士研 究生 ，主要 从事矿井 瓦斯 防治方面 的研 究。 [ 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 9 1 9 ]