穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺探讨.pdf

★ 煤矿安 全 ★ 穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺探讨 耿 延 辉 ， 1 ．瓦斯 灾 害监 控 与应 急技 术 国家重 点 实验 室，重庆 市 沙坪坝 区，4 0 0 0 3 7 ； 2 ．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，4 0 0 0 3 7 摘 要 针对某矿穿松软高突煤层常规封孔测压过程 中出现的问题 ，分析了影响封孔质 量的因素 ，提 出了采用一次开孔一带压注浆一二次开孔的封孔工艺。通过现场试验，有效地 封 堵 了过 松软 高突煤层 的 高压 力 瓦斯 及 围岩裂 隙，提 高 了测 压钻 孔 的封 孔 质量 ，成 功解 决 了 过松 软 高 突煤 层 的 瓦斯 压 力测 定 问题 。 关键 词 松软 高突煤层 测压钻 孔 封孔 质量 瓦斯压 力测 定 影响 因素 中图分 类号T D7 1 2 ． 5 3 文 献标 识码 A Di s c u s s i o n a b o u t u pwa r d pr e s s u r e 。 me a s u r i ng bo r e h o l e s e a l i n g t e c h ni q u e s a c r o s s s o f t a n d s e r i o u s o u t b u r s t s e a ms Ge n g Ya nh ui ， 1 ．S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ga s Di s a s t e r Mo n i t o r i n g a n d Eme r g e n c y Te c h n o l o g y，S h a p i n g b a ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a ； 2 ．C h i n a C o a l T e c h n o l o g y E n g i n e e r i n g Gr o u p C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，S h a p i n g b a ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ， C h i n a Abs t r a c t Ai mi ng a t i s s u e s du r i ng r e g ul a r ho l e s e a l i ng pr e s s u r e me a s ur i n g p r o c e s s a c r os s s o f t a nd s e r i o us ou t b ur s t s e a ms a t c e r t a i n m i ne．t hi s p a pe r a n a l y z e d t h e i n f l ue nt i a l f a c t or s o f ho l e s e a l i ng q ua l i t y a n d p r o po s e d h ol e s e a l i n g p r o c e d ur e s c a r r i e d ou t a s f i r s t bo r i ng，pr e s s u r e d g r o u t i n g a nd s e c on d b or i n g．Fi e l d a p pl i c a t i on e xp e r i me nt e f f e c t i v e l y c e m e n t e d h i gh pr e s s u r e g a s a nd s ur r o und i ng r o c k f r a c t ur e s a c r o s s s o f t a nd s e r i o us o ut bur s t s e a m s ，e n ha n c e d pr e s s ur e - m e a s u r i ng b o r e h o l e s e a l i n g q u a l i t y a n d s u c c e s s f u l l y s o l v e t h e p r o b l e m o f g a s p r e s s u r e me a s u r e me n t a c r o s s s of t a nd s e r i o us o ut bur s t s e a ms ． Ke y wo r d s s o f t a n d s e r i o u s o u t b u r s t s e a ms ， p r e s s u r e - me a s u r i n g b o r e h o l e ，h o l e s e a l i n g q ua l i t y。g a s p r e s s ur e m e a s u r e m e nt ，i nf l u e nt i a l f a c t o r 煤层瓦斯压力是进行煤 与瓦斯突出危险性鉴定 的主要参数之一，其测定结果的准确性直接影响着 鉴定结果及后续防突措施的经济合理性。要保障测 压结果的准确性 ，测压钻孑 L 的封孔技术工艺是关键。 松软高突煤 层地应 力大、瓦斯压力大、煤 层松软 ， 打钻过程中容易发生垮孔、卡钻、喷孔 ；穿松软高 突煤层测压时，由于突出煤层瓦斯压力较大，在层 间距较小 、封孔效果差时，高压力瓦斯通过孔壁围 岩裂隙及封孔材料凝固过程中向测压煤层 串流 ，致 使封孑 L 材料在 凝 固过 程 中产 生瓦斯 流 动 的通 道 ，影 响煤层的瓦斯压力测定结果 ，导致测压失败。因此， 研究穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺尤 为重要 ，对 准确测定煤 层瓦斯压力具 有现实意 义 。 1 工程 概况 某矿井主采的三 煤层为突出煤层，三 煤层厚 引用格式 耿延辉 ．穿松软高 突煤层上 向测压钻孔封 孔技 术工艺探 讨 E J ]．中国煤炭 ，2 0 1 7 ，4 3 1 1 0 4 1 0 7 ． Ge n g Ya n h u i ． Di s c u s s i o n a b o u t u p wa r d p r e s s u r e me a s u r i n g b o r e h o l e s e a l i n g t e c h n i q u e s a c r o s s s o f t a n d s e r i o u s o u t b u r s t s e a ms[ J ]．C h i n a C o a l ，2 0 1 7 ，4 3 1 1 0 4 1 0 7 ． 1 04 中国煤炭第 4 3卷第 1 期 2 0 1 7年 1月 瞍 为 0 ． 8 ～ 1 6 ． 3 1 n 1 ．平 均 厚 ． 1 ． 5 2 r l l ，煤 层 倾 角 、 f‘ 均 为 。煤 层 顶 板 为 砂 质 泥 岩 及 细 ～ r } 1 粒 砂 岩 ；底 板 为 砂 质 泥 岩 及 细 ～ 巾粒 砂 岩 ，局 部 有 泥 岩。 i 煤 斯 量 为 0 ． 8 5 ～ l 3 ． 6 9 m ／ t ，平 均 1 1 ． 6 0 n 1 。 ／ ／ l ，瓦斯 力 为 0 ． 3 ～ 3 ． 4 MP a ，透 气 性 系数 为 0 ． 0 l 8 7 n 1 MP a 【 1 ．煤 层 坚 同性 系 数 为 ． 1 j ～ ． 2 ．属松软 高 突煤层 。其 上部 的 i 煤 层 作 为保 护层 进 行 开 采 ．两 煤 层 层 问距 平 均 为 1 5 n 1 ． j 煤 层 均 厚 度 为 0 ． 8 m，平 均 倾 角 为 3 O 。 。 _ ‘ 煤 层原 始 斯 压 力测 定 要求 ．需 在 矿 井 的 2 0 n水平 底 } 反岩巷 施工 穿过 t 煤 层 上 向钻孔 测 定 煤 层 的瓦 斯 力 。该 矿 采 川 常 规 的 测 压 方 法 测 得 1 钻孔 煤层 瓦 斯 压力 为 2 ． 9 MP a ，这 与 该 煤层 采掘过 程 『 f 1 的 瓦斯涌 m 及钻孔施 T 实测 瓦斯 浓度情 况 严重 不 符 ，分 析 认 为 三 煤 层 为 松 软 高 突 煤 层 ， 煤 层 瓦斯 力较 大 ，两层煤 的层 间距 较小 ，采州 常 规 的封 孑 L 技 术 1 一 封 孑 L 质 量 较 差 ．很 难 封 堵 i 煤 层 的高 力 瓦斯 ．高压 力 瓦斯在 封孑 L 材料 凝 同过程 f 1 向ijn ． 0 煤层串流 ．影 响煤层的 瓦斯 压力测定结 果 ，导致 测压 欠 败 。 2影响 封孔 质量 因素 分析 2 ． 1 钻 孔 围岩特 征 钻孔 同岩 的岩 性特 征直 接影 响着 钻孔 的封孑 L 质 量 。穿松 软 、高 突煤层 的钻孑 L ， 由于 围岩 结构 强度 较 低 、地 应 力大 、瓦斯 压力较 大 ，钻孔 施 _ [ 过程 中 容易 发生 喷孔 ，采 用常 规 的封孔 丁 艺技 术 封孔 ，封 孔 效 果差 时 ．高压 力瓦斯 通过 孑 L 壁 同岩 裂 隙及在 封 孑 L 材 料凝 陶过 程 巾向测 压煤层 串 流 ，致 使封 孔材 料 凝 同过 程 巾产 生 瓦斯 流 动 的通 道 ，影 响 封孑 L 质量 ； 在 高地 应 力作用 下 。围岩 强度 较弱 的钻 孔在 蠕变 作 H j 下不 断有 裂 隙产生 ，导 致此 封孑 L 段 出现高 压瓦 斯 串流 的通道 ．影 响煤 层 的瓦斯 压 力测定 结果 ，导 致 测 压 欠败 。 2 ． 2封孔技 术工 艺 封 孔技 术 ] - 艺是 影 响封孔 质量 的关 键 因素 。煤 层 瓦斯 压 力测定 常用 的封孑 L 方 法有胶 囊 胶 圈 一 密 封粘液 测 压法封 孔 工 艺及 注浆 封-f L O q 4 压法封 孔 T 艺 。注浆 封 孑 L 艺操 作 简单 ， 目前 得 到 了 广 泛 应 用 。常规 的 上 向孔 注 浆封孔 T艺是将 测压 管下 放 至 预 定测 压煤 层深 度 ，并下放 一 根较短 的 注浆管 ，孑 L 口用聚 氨酯 材料 或者 速凝水 泥进 行封 堵 ，确保 注浆 液 不发 生外 漏 ，待测 压管返 桨 后停止 注浆 ，此 时封 穿松软高突煤层 I 向测慷钻孔 封孔技 术 艺探讨 孑 L 丁作结束 。对于 穿松 软幽 突煤层 的测 钻 孔 的封 f L T _ 作 ， llx 4 L 一次性 施 l I 完 成后 ，采刚 常规 的注 浆 封 孔 f 艺很 雌封 堵过 煤段 的 高压 瓦斯及 蠕变 产生 的 裂隙 ， 过 煤段 的孔 壁删 『 节 】 煤 体中形 成 丫高压 瓦 斯 串流 的通 道 ，影响 测压 钻孔 的封孔 质 量 。常规 封 孔 T艺 封孑 L 效 果如 图 l 所 永 、 1 常 规封 孔 2 ． 3 于 孑 L 深 度 保 证测 钻孔 有 足够 的 ,J- Y L 深 度是 提高封 孔 质 量 的保 障 。巷道 歼挖 后 ，在采 动作 J { J 影 响下 ，在 巷 道 围岩 巾 由浅 到深 形 成 塑 性 破坏 区 卸 压 圈 、应 力集 中Ⅸ 、原岩 应力 【父， 塑性 破坏 域 ，巷道 同 岩 裂隙 发育 ，应 力降 低 ， 瓦斯 压力得 到 释放 ；为保 障测 压钻 孔封 孔 质 量 ，必 须 有 足 够 的 封孑 L 段 深 度 ， 即封孔 长度 大于 巷道 卸压 圈影 响范 围 。 3 穿松 软 高突煤层 封 孔技 术工 艺研 究 针对 了 煤 层 过 松软 高突 煤 层 测 压 钻 孔 封 孔 质 量较 差 的问题 ，分 析其 主要 原 因是 由于封堵 过 煤段 产生 高压 瓦斯 及孔 壁 的裂 隙 ，提 f } | 采用 “ 一 次 开孔 带压 注 浆一 二次 开孔 ”的 封孔 T 艺提高测 压钻 孑 L 的封孔 质 量 的方 案 。此 次进 行 了 2个 测压钻 孔 的带 压注 浆封 孑 L T艺试验 ，并 布 置 1个采 用常规 封孑 L _T 艺 的测 压 钻孑 L 进 行 对 比。测 钻 孔 布 置 在 2 0 IT I 水 平底 板 岩巷 集 中巷的 6号钻场 ，如 图 2所 示 。测 压钻孑 L 竣 _ 『 参数 如 表 1 所 示 。 罔 2 测 钻孔 置罔 1 05 表 1测压 钻孔竣工参数 3 ．1 一 次 开 孔 为避 免 i 煤 层高 压瓦斯 的影 响 。此次 2 、3 测压 钻孔 分两 次开 孑 L 。一次 开孑 L 严格按 设计 角 度及 方位 开孔 ，首 先 用 D 1 3 3 mm 钻 头 打孔 8 I n ，下 放 0 1 0 8 mm 套 管 6 m，并 注 水 泥 浆 固住 套 管 ， 待水 泥 浆凝 固时 间 大 于 2 4 h后 ，采 用 o 9 4 1T i m 钻 头 施 T 钻孑 L ，穿 过 。 煤层 1 ． 5 ～2 iT t 停止 钻进 ，然 后用 矿 井高 压 水 进 行 冲孔 ，使 煤 层 形 成 一 定 空 间 的孔 洞 ，为后期 的带 压注 浆及 二次 开孔做 足 准备 ，一 次 开 孑 L T艺 如 图 3 a 所 示 。 3 ． 2 带 压注 浆 一 次 开孔 完成后 ，开始带 压 注浆封 孔 。考虑 到 三 煤 层 瓦斯压 力为 0 ． 3 ～ 3 ． 4 MP a ，此 次采 用 4 ． 0 MP a的注浆 压 力 进 行 封 孔 试 验 。首 先 在 孑 L 口套 管 上安 装法 兰 盘 ，将 注 浆管路 和 注浆泵 接好 ，开 始试 压 ；试 压过 程 中做好 安全 防护措 施 。由小 到大 逐渐 调试 注 浆 泵 的 注 浆 压 力 ，直 至 注 浆 压 力 达 到 4 ． 0 MP a ，此 时 考察法 兰 盘及套 管 的抗压 和稳 固性 是 否 满 足压 力需求 ；试 压结 束后 ，在 满 足压 力需 求 的条 件下 开 始 带 压 注 浆 作 业 ，水 泥 浆 为 水 泥 、水 、U 型膨 胀 剂按 照一 定 比例 搅 拌 而成 ，其 中水 灰 比为 2 l ，U 型膨胀 剂 的用量 为 水 泥 的 1 2 。带 压 注浆 工 艺 如图 3 b 所示 。 经过带压注浆后 ，水泥浆在高压力的作用下能 够 更好 地 进 入 钻 孑 L 围 岩 的 裂 隙 。实 现 有 效 封 堵 过 i， 煤 段孔 壁 中的裂 隙 ，阻断 高压 瓦斯 流动 的通道 ； 同时 ，由于注浆 压 力大 于煤 层瓦斯 压 力 ，抑 制 了高 压瓦 斯 的溢 出及凝 固过 程 中的 串流 ，使后期 的 二次 开孔 实现 了全岩段 ，避 开 了松软 高突 煤层 的影 响 。 3 ． 3 二 次 开 孔 待高 压 水泥浆 凝 固后 ，进行 二次 开孔 作业 。按 照 原 开 孔 位 置 及 角 度 进 行 扫 孔 ，直 至 过 l二 煤 层 0 ． 5 m；下放 注浆 管 及测 压 管 ，连 接 好 注浆 管 路 按 照 常规 的 主动式 测 压方法 进行 封孔 ．二 次开孑 L r艺 如图 3 c 所示 。待 水 泥 浆凝 同 2 4 h后 安 装 压 力 表进行 压 力观测 。 a 次开孔 b 带压注浆 c 二 次开孔 图 3 “ 一次开孑 L 带压注浆 二次开孔”的封孑 L 工 艺示意 图 3 ． 4封孔 工 艺效果 分析 带 压注 浆封 孑 L 和 常规 封孔工 艺 观测压 力情 况对 比如 图 4所 示 。3 个 测 压钻 孔 的瓦 斯压 力上 升 曲线 均 符合 主 动式 测 压 的 一 般 规 律 ； 1 测 压 孔 采 用 常 规 封孔 丁艺 ，测得 煤 层 瓦斯 压力 2 ． 8 MP a ，与 i 煤 层瓦斯 涌 出及煤 层 钻孔 瓦 斯情 况 不符 ，和三 煤层 瓦斯 压 力 接 近 。说 明 常 规 封 孔 工 艺 无 法 封 堵 _二 煤 层 的高 压力 瓦斯 。测压 失败 ；2 和 3 测压 孔 1 06 采 用带 压注 浆 封 孔 工 艺 ．测 得 煤 层 瓦 斯 压 力均 为 0 ． 4 2 MP a ，2个钻孔测定结果一致，且与i。 煤 层 的瓦斯涌 出和煤层 钻孔 瓦斯 情况 相符 ，说 明采 用 带 压 注浆封 孔 工 艺能够 准确测 出煤 层 的 瓦斯 压 力 。 试验结 果 表 明 ，带 压 注浆 封 孔 T 艺效 果 明 显 ， 有 效 地封堵 了过松 软高 突煤层 的高压 力瓦 斯及 岩 裂 隙 ，提 高 了测压钻 孑 L 的封孔 质量 ．成 功 解决 了过 松软 高 突煤层 的瓦斯 压力测 定 问题 。 中国煤炭第 4 3卷第 1期 2 0 1 7年 1月 时 l 0 ．4 0．2 餐0 嚣 鼷 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 0 5 1 0 1 5 2 0 0 5 1 0 1 5 2 0 观测时间／ d 观测 时间／ d 观测时间／ d a 1 钻孔 b 2 钻孔 c 3 钻孔 图 4 带 压注浆封孔工艺和常规封孔工艺压力观测情况 E 2 ] 韩巍 ，桑朋等 ．提 高松软 高突煤 层瓦斯 抽采 效果 的 4 结论 1 对 影 响测压 钻孔 封孔 质量 的 因素进 行 了分 析，指 出过松软高突煤层采用常规封孔工艺进行封 孔时高压瓦斯及 围岩裂隙是导致测 压失败 的主要 原 因。 2 提 出 了一次 开孔一 带 压注浆 一 二次 开孔 的 封孔工艺提高测压钻孔的封孔质量 ，并经过了现场 试验，得 出此种封孔工艺有效地封堵 了过松软高突 煤层 的高压力瓦斯及围岩裂隙 ，成功解决 了过松软 高突煤层 的瓦斯压力测定问题。 参 考 文 献 [ 1 ] 卢 鉴 章 ，刘 见 中 ．煤 矿灾 害 防 治 技术 现 状 与 发展 [ J ]．煤炭科学技术 ，2 0 0 6 5 新 技术研究 [ J ]．煤炭技术 ，2 o 1 4 4 E 3 3 公 衍伟 ，解 庆雪等 ．带压 注浆封孔 工艺 在测定 煤层 瓦斯压 力中的应用 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 3 2 E 4 ] 周辉 ，程念 东 ． 煤层 瓦斯压 力测定 新技术 E J 3．现 代 商贸工业 ，2 0 0 7 4 E 5 1 杨宏 民 ，杨峰 峰等 ．煤层 瓦斯 压力 测定 的合理 封孔 注浆压力研究 [ J ]．中 国安 全生产科 学技 术 ，2 0 1 5 5 E 6 ] 刘洋 ，徐幼平 ，张萌博 ．马丽 散封孔 测定 瓦斯 压力 方法 的应用研究 [ J ]．中国煤炭 ，2 0 1 1 7 作者简 介 耿 延辉 1 9 8 0一 ，男 ，河 南鄢 陵 人 ，硕 士 ，从事矿山安全和煤矿瓦斯灾 害防 治技 术的研究 工作 。 责任 编辑张艳华 全国矿产资源规划 2 0 1 6 2 0 2 0年发布 国土资 源部会 同 国家发 改委、工信部 、财政 部、环保部 、商务部共同发布 全国矿产资源规划 2 0 1 6 2 0 2 0年 以下 简称 规划 。 当前 ，我 国能源 资源 需求 增速 放缓 ，但 需求 总 量仍维持高位运行。国土资源部预计，到 2 0 2 0年 ， 我 国一 次能 源 消费 量 约 为 5 O亿 t 标 准 煤 ，铁 矿石 7 ． 5 亿 t 标 矿 ，精 炼铜 1 3 5 0万 t ，原 铝 3 5 0 0万 t 。 国土资 源部 副部 长赵龙 介绍 说 ，根据 规 划 ， “ 十三五 ” 时期全 国矿 产资 源发 展 的具体 目标 包括 首先 ，形成一批重要矿产资源战略接续区。力争新 发现 5 ～8个亿 吨级油 田和 5 ～1 O个千亿方级气 田， 新发现和评价大中型矿产地 3 0 0 4 0 0处。 其次 ，建 设 1 0 3个 能源 资源基 地 ，划定 2 6 7个 国家规划矿区，铁 、铜 、铝土矿 、钾盐等战略性矿 产 国 内安 全供 应 能 力得 到巩 固 。划 定 2 8个 对 国 民 经济具有 重要 价值 的矿 区，强化重要矿 产保护与 储备 。 规 划 提 出 将 着 手 优 化 矿 产 开 发 区域 布 局 ； 穿松软高突煤 层 匕向测 压钻孔封孔技术工艺探讨 强化资源节约集约循环利用 ；推进矿业领域科技创 新 ，发展 “ 互联网矿业”方式 ，促进传统矿业转 型升 级 。 赵龙 表示 ， 规 划 在 引领矿 产资 源管 理改革 ， 增强矿业发展活力方面明确了一些制度设计 。其 中 包括 首先 ，开放油气、铀勘探开发市场。加快新 疆改革试点推广 ，推进油气勘查 开采体制机制 改 革 ，逐 步放 开 上 游勘 探 开 发 市 场 ，引 入 社会 资本 。 按照勘查社会化 、矿业权市场化、投资多元化、开 采专业化的原则 ，加大铀矿勘查开发体制改革 ，有 序放开铀矿勘查开发市场 ，积极引导社会资本进入 铀 矿勘 查领域 ，加 快铀 矿勘 查 开发进 程 。 其次，扩大矿业权竞争性出让范围。坚持市场 竞争取向，建立符合市场经济要求和矿业规律的矿 业权 出让 方式 。探 索扩 大 矿 业 权 竞 争 性 出让 范 围 ， 进一 步 推进探 矿权 采矿 权实 行招 标拍 卖挂 牌方 式 出 让 ，着力破解制度性障碍 ，充分调动市场各类主体 的积极性 ，吸引社会资本和风险投资 。 1 07