帶壓注漿封孔工藝在測定煤層瓦斯壓力中的應用

公衍偉，解慶雪，鄧素華

(1.貴州省煤礦設計研究院，貴州貴陽550000;2.貴州省礦山安全科學研究院，貴州貴陽550000)

煤層瓦斯壓力作為礦井中煤層瓦斯的基本參數，不僅決定著煤層瓦斯含量與涌出量的大小，同時也是預報煤與瓦斯突出危險性的主要參數之一，其大小直接影響著以此為依據而制定的瓦斯防治措施的有效性與經濟性。因此，對其進行準確測定，具有重要意義［1］。

1 煤層瓦斯壓力測定方法

1.1 測定方法介紹

以往科研工作者在煤與瓦斯突出預測方面做了大量的工作，尤其在煤層瓦斯壓力測定方面，對封孔工藝進行了大量的研究，并付諸于實際應用中。目前煤層瓦斯壓力測定的主要測壓方法有間接測壓法和直接測壓法。直接測壓是指在煤層巷道或者巖層巷道向待測煤層打鉆孔，利用封孔裝置將鉆孔封堵，通過瓦斯壓力測量裝置中的壓力表讀出瓦斯壓力［2］。間接測壓法就通過煤層瓦斯的一些特性，并結合現場實際情況推算出煤層瓦斯壓力［3］。

直接測定法又分為黏土封孔、水泥砂漿封孔、膠圈黏液封孔以及膠囊黏液封孔等方法［4］。由于黏土封孔方法測定出的瓦斯壓力存在很大的誤差，因此，此方法已經很少用于瓦斯壓力的測定。

間接法測定煤層瓦斯壓力分為儀器監測法［5］和煤層瓦斯含量推算法［6］。儀器監測法是指對瓦斯壓力進行數據采集，并將其轉化為相應的信號，通過發射裝置將信號發射出去，接收裝置將接收到的信號進行處理得到相應的瓦斯壓力值。瓦斯含量推算法是指通過現場實測的瓦斯量，結合實驗室測得的煤層的相關參數進行推導計算出最終的煤層瓦斯壓力。

1.2 各種封孔方法比較

每種封孔方法由于操作工藝的難易程度以及勞動強度的不同都有其適宜的封孔條件，煤層瓦斯壓力測定工作者可以根據不同的瓦斯地質條件以及現場條件選擇不同的測定瓦斯壓力方法。

(1)黏土封孔 優點為簡單易行，能夠封堵各種傾角的鉆孔;缺點為勞動強度大，很難掌握黏土的軟硬，導致封孔效果不好，目前很少采用此方法進行測壓。

(2)水泥砂漿封孔 優點為操作簡單，水泥砂漿與鉆孔裂隙有一定程度的結合，應用廣泛;缺點為由于水泥砂漿不帶有壓力，水泥砂漿不能夠很好的與鉆孔中的裂隙進行有效地結合。

(3)膠圈黏液封孔 優點為密封瓦斯的性能得到提高，密封材料能夠回收，從而可以進行多次煤層瓦斯壓力的測定工作;缺點為膠圈的塑性不是很好，變形范圍有限，不能很好地與鉆孔孔壁接觸，易漏氣，操作相對較麻煩。

(4)膠囊黏液封孔 優點為膠囊能夠與孔壁緊密接觸，密封效果好，該方法能夠有效地控制瓦斯測量室的大小，并能很快地使打鉆破壞的煤層壓力達到平衡;缺點為膠囊容易從鉆孔中噴出，造成財產損失和人員受傷，在鉆孔巖性不穩定的條件下，膠囊容易被卡在鉆孔中。

(5)儀器監測法 優點為具有一定的創新性，封孔簡單，對工人的技術要求降低，并可以遠距離實時監控;缺點為由于井下的復雜條件可能會對信號傳輸產生一定的影響，從而產生一定的誤差。

(6)瓦斯含量推算 優點為簡單易操作，在很短的時間內便會計算出瓦斯壓力值，通過推算得出的瓦斯壓力值可以作為參考之用;缺點為在推算瓦斯壓力值中，存在一定的誤差。

在實際的煤層瓦斯壓力測定過程中，應用最為廣泛的煤層瓦斯壓力測定方法為水泥砂漿封孔方法。傳統的水泥砂漿封孔工藝為:把測壓管送入孔內，送入幾條黏土至擋板處輕輕搗實，把測壓管固定，送入注漿管與檢查管并在孔口用黏土與木楔固定住。用注漿機把調制好的水泥砂漿壓入孔中，當檢查管流出砂漿時，封孔作業終止。常規的水泥砂漿封孔工藝中水泥砂漿沒有帶上壓力，當檢查管中流漿液的時候就停止注漿，這樣很容易造成水泥砂漿不能夠很好地跟鉆孔孔壁緊密結合，從而造成測壓失敗。

2 帶壓注漿封孔工藝

2.1 帶壓注漿封孔工藝過程

帶壓注漿封孔工藝是在傳統的水泥砂漿封孔的基礎上，通過注漿泵向鉆孔的封孔段中注入高壓水泥漿配液，將高壓水泥漿配液壓入到鉆孔孔壁中的裂隙，圖1為帶壓注漿封孔工藝示意。

圖1 帶壓注漿封孔工藝示意

當鉆孔施工結束之后，按照圖1利用聚氨酯進行封孔，聚氨酯段長度為1～1.5m，當封孔結束后，將注漿機通過高壓管連接至注漿管，連接好之后進行注漿，當注漿壓力達到2.0MPa時，停止注漿，并將球閥關閉。10min左右，如果導氣管內沒有水泥漿流出，待水泥凝固后，可以將壓力表連接上，否則封孔失敗。

2.2 帶壓注漿封孔工藝封孔理論分析

帶壓注漿封孔工藝相對于傳統的水泥砂漿法，最突出的特點就是在于水泥砂漿能夠帶上壓力，對鉆孔中的裂隙能夠更好地進行封堵。圖2所示為帶壓注漿封孔工藝理論模型。

圖2 傳統水泥砂漿工藝與帶壓注漿封孔工藝理論分析對比模型

傳統的水泥砂漿封孔工藝為:當鉆孔施工結束后，直接將水泥砂漿倒入到鉆孔或者利用注漿機將水泥砂漿注入鉆孔。從微觀角度來講，鉆孔在施工過程中由于巖石不穩定，施工結束后鉆孔的孔壁上會產生大量的裂隙，尤其是在巖石破碎帶施工，在水泥砂漿與這些裂隙接觸時，水泥砂漿本身具有一定的黏滯力以及水泥砂漿中的微小物體，都會阻礙水泥砂漿滲透到裂隙中，隨著水泥砂漿的凝固，會在孔壁上面形成一層水泥砂漿的凝固層，阻礙了水泥砂漿與裂隙的結合［8］，如圖2中的傳統水泥砂漿封孔理論模型。高壓瓦斯就會通過“氣 (瓦斯)、液(水泥砂漿)、固(裂隙發育的孔壁)”交界面泄露到封孔裝置外部。帶壓注漿封孔工藝將水泥砂漿帶上壓力，在聚氨酯封孔段之間的密閉空間，通過注漿機將帶壓力的水泥砂漿壓入到裂隙中，使水泥砂漿更好地與鉆孔孔壁上面的裂隙進行有效地結合，如圖2中的帶壓注漿封孔工藝理論模型。

3 現場實際應用

3.1 鉆場布置

現場試驗選在貴州省某礦，對該煤礦的M14煤層進行現場測壓。按照《防治煤與瓦斯突出規定》，分別在主石門布置2個測壓鉆場、在1113運輸巷布置1個測壓鉆場。每個鉆場分別施工2個穿層鉆孔，其中一個測壓鉆孔用帶壓注漿封孔方法封孔，另一個用傳統水泥砂漿封孔方法封孔［9］。圖3為鉆場布置平面圖。

圖3 瓦斯壓力測定鉆場布置平面

3.2 測壓結果

經觀測1號鉆場的數據如圖4所示。

圖4 1號鉆場瓦斯壓力測定數據

經觀測2號鉆場的數據如圖5所示。

圖5 2號鉆場瓦斯壓力測定數據

經觀測3號鉆場的數據如圖6所示:

圖6 3號鉆場瓦斯壓力測定數據

從圖4至圖6中可以得出，帶壓注漿法的封孔效果比傳統水泥砂漿法好，能夠更好地有效封堵鉆孔中的裂隙，更有利于瓦斯的封存，能夠使測量瓦斯壓力更快、更加接近煤層原始瓦斯壓力，而且對于復雜地質條件下特別是巖石比較破碎的環境下的煤層瓦斯壓力的測定具有更加明顯的效果。

4 結論

(1)描述了不同測壓封孔工藝的局限性以及適用條件，為不同的地質條件下選擇相應的封孔方法提供了參考依據。

(2)通過對比研究及生產實踐，在傳統水泥砂漿封孔方法的基礎上，提出了帶壓注漿法測定煤層瓦斯壓力。這種方法不僅操作簡單，而且測得的瓦斯壓力更加地接近原始瓦斯壓力。帶壓注漿法可適用于不同的地質條件下的瓦斯壓力的測定，是值得推廣使用的瓦斯壓力測定方法。

(3)對于復雜地質條件，特別是在巖石不穩定的環境下進行煤層瓦斯壓力測壓工作，帶壓注漿封孔工藝具有更加明顯的效果。

［1］盧鑒章，劉見中.煤礦災害防治技術現狀與發展［J］.煤炭科學技術，2006(5):1－2.

［2］鄭萬成，楊勝強，馬 偉.影響煤層瓦斯壓力測定的因素分析［J］.煤礦安全，2009(4):82－84.

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［4］俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1992.

［5］周 輝，程念東.煤層瓦斯壓力測定新技術［J］.現代商貿工業，2007(4):116.

［6］孟 燕，蔣曙光，邵 昊，等.煤層瓦斯壓力測定方式及新的探索［J］.能源技術與管理，2009(6):63－65.

［7］公衍偉，蔣承林，吳愛軍，等.淺議目前瓦斯壓力測定方法的優缺點［J］.煤，2011(10):30－31.

［8］嚴宗毅.流體力學［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［9］國家煤礦安全監察局.防治煤與瓦斯突出規定［M］.北京:煤炭工業出版社，2009.