一种新型带压注浆封孔测压技术的密封效果研究.pdf

Vol. 44 No. 4 矿 业 安 会 与 环 保矿 业 安 会 与 环 保 第第44卷 第卷 第4期期 Aug. 2017 MINING SAFETY the slurry can reach the optimum diffusion effect when the pressurized grouting was continuously done for 12 h at the pressure of 4 MPa and the fissures around the borehole can be better sealed. The field tests testified that the new hole - sealing pressure measurement technology was more accurate and its pressure measurement time was shorter as compared to the traditional constant- pressure grouting hole-sealing technology. Keywords gas pressure deternination; pressurized grouting; hole sealing; sealing effect 煤层瓦斯压力是瓦斯涌出和突出的动力， 也是 煤层瓦斯含量多少的标志[|]。准确测定煤层瓦斯压 力对矿井有效而合理地制订防治瓦斯的措施， 预测 煤与瓦斯突出危险性均具有十分重要的意义。我国 煤层瓦斯压力测定主要采用封孔测压技术,封孔方 式包括黄泥封孔、 水泥浆液封孔和压力黏液封孔等。 收稿日期2016-11-10;2017-03-12 修订 作者简介 尹红杰（1992） ， 男 ， 山东广饶人， 硕士研究 生， 研 究 方 向 为 矿 井 瓦 斯 灾 害 防 治 理 论 与 技 术 。E -mail 576281412 qq. com。 但现有的封孔技术存在封孔密封效果不佳的缺 陷[2-4]黄泥封孔采用固封气， 固态黄泥无法封堵钻 孔裂隙;常压注浆封孔技术如胶圈黏液封孔、 聚氨酯 水泥浆封孔等,浆液没有足够液压不能渗透到钻孔 孔隙内， 无法有效封堵卸压圈;胶囊黏液封孔方式外 端采用聚氨酯封孔， 聚氨酯往往无法承受足够大的 注浆压力， 并且容易发生喷浆漏浆造成封孔失败。 笔者通过现场实践结合理论分析， 提出一种新型带 压注浆封孔技术， 此技术具有高承压、 高密封性的 特点。 68 第第44卷 第卷 第4期期 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 Vol.44No. 4 2017 年年 8 月月 MINING SAFETY 通过钻孔次生裂隙及钻孔卸压 圈向外泄漏;通过密封材料向外漏气;通过测压仪器 及连接装置向外漏气。 1 . 2 . 1 裂隙造成漏气分析 影响封孔测压的裂隙主要有3 种①煤是多孔 介质和原始裂隙并存的物质， 存在原始孔隙、 裂隙; ②当开拓巷道时， 巷道到煤层的岩体会受外力扰动， 形成大小不同的裂隙和巷道卸压圈； ③当施工钻孔 时， 钻杆对钻孔周围岩体的扰动， 形成新的裂隙和钻 孔卸压圈（ 如 图 1 所示） 。在打钻孔前煤层或岩层 中就存在原始裂隙和巷道裂隙， 待测煤层中瓦斯通 过这些裂隙的卸压形成平衡状态。当从巷道向煤 层中打钻孔时， 新的扰动和冲击， 使钻孔内壁出现 新的裂隙， 形成新的卸压圈。当这3 种裂隙串通或 间距较小时， 这些裂隙未被封堵住就会形成瓦斯泄 漏的通道。 图1裂隙漏气通道 1 . 2 . 2 封孔材料造成漏气分析 封孔测压是利用“ 固封液， 液封气” ， 封孔材料作 为封堵介质， 阻止气体通过钻孔或裂隙漏出。封孔 材料必须保证能最大程度渗入到裂隙中， 并且在其 凝固过程中不能缩变， 凝固后具有低透气性能。目 前 ， 水泥浆液作为最常用的封孔材料， 其在凝固后易 缩变并且和煤岩体黏结效果不佳， 从而易留出空隙， 造成原始煤层瓦斯流失， 如图2 所示。现有工艺中， 当钻孔倾角较小时， 注浆后钻孔易形成上气下浆导 致封孔效果不好。如果注浆液压不足， 不能促使浆 液充分渗入煤孔隙及裂隙中， 也会造成漏气通道封 堵不严。因此， 避免封孔漏气既要选择合适的封孔 材料也要改进现有的注浆方法。 2新型注浆封孔测压技术原理简介 新型注浆封孔测压技术采用胶囊与聚氨酯组合 带压注浆封孔测压， 如 图 3 所示。第一步用四分管 将第一节胶囊送入钻孔， 然后用聚氨酯封堵第一节 胶囊;第二步连接并送入第二节胶囊， 并用聚氨酯封 堵第二节胶囊;第三步尽快给胶囊注水， 使胶囊在聚 氨酯软化状态时膨胀， 达到互补密封效果;第四步从 注浆管注浆， 待注浆完成后维持一定时间的注浆压 力 ， 以达到带压注浆;第五步连接压力表进行读数。 图3新型带压注桨封孔测压技术原理示意图 3新型注浆封孔测压技术密封效果分析 3 . 1 测压装置承压密封模型 在现场实践中， 当钻孔长度较大或注浆压力过 大时， 若只在钻孔外端用聚氨酯封孔极易发生喷浆 或渗液。带压注浆封孔密封的前提条件是测压装置 能够具有良好的承压能力。两节胶囊经过注水膨胀 后 ， 压实钻孔壁， 减少了钻孔周围的裂隙， 也增大了 胶囊与钻孔的静摩擦力。聚氨酯的二次封堵， 封堵 了因钻屑碎块使胶囊与钻孔产生的空隙。胶囊与聚 氨酯的组合， 加强了钻孔两端测压装置的气密性， 增 大了测压装置的承压能力， 为带压注浆提供可能性。 “ 胶囊一聚氨酯” 组合带压注浆封孔测压时的力 学平衡方程[10]如下。 69 c注 浆 压 力 为 10 M P a 图4相同注浆时间不同注浆压力下的浆液扩散压力分布情况 2 3 4 距钻孔壁的距离/ m b注 浆 压 力 为 4 M P a 注浆压力10 MPa时间24 h 距钻孔壁的距离/ m a 注 浆 压 力 为 1 M P a 注浆压力4 MPa时间24 h 4浆液为不可压缩流体。 3 . 2 . 2 模型建立及模拟结果 模拟钻孔从外到里依次穿过泥岩、 中细粒砂岩 和砂质泥岩， 取距钻孔壁5 m处浆液压力为0。以钻 孔边界作为注浆段唯一的浆液渗流人边界， 浆液进 行单一方向扩散。采 用 COMSOL模拟， 得到相同时 间不同注浆压力下的浆液扩散压力分布情况， 以及 相同注浆压力不同注浆时间浆液扩散压力分布情 况 ， 见图4 、 图5。 瓦斯对胶囊的推力Fg P g S A P ⑴ 式中J p g为瓦斯气室压力;SA为钻孔截断面积;r1为 钻孔半径。 胶囊与孔壁间的最大静摩擦力Fm aX Ffm a x fP fS f 2P fr d Lf 2 式中滋为摩擦系数; A 为胶囊膨胀后对孔壁的压 力 ;Sf为胶囊与孔壁的接触面积;Lf为胶囊长度。 聚氨酯与孔壁黏结承受的最大压力（m a x Fn m a x P n Sn 2p nrd Ln 3 式中 / n为单位面积聚氨酯与孔壁的黏结力;Sn为胶囊 与孔壁的接触面积;为胶囊与孔壁的接触长度。 “ 胶囊一聚氨酯” 封孔设备在测压时的力学平衡 方程如下。 上下两端的胶囊一聚氨酯通过四分管连接在一 起 ， 两部分共同承压 Fg Gsin 兹 F i 2 Ff 〇 4 式中G 为胶囊、 四分管和浆液总重力； 兹为钻孔倾 角;为浆液外加压力。 胶囊与孔壁的最大静摩擦力和聚氨酯与孔壁的 最大黏结力应大于测压设备所能承受的瓦斯气室压 力 、 装备重力及浆液外加力 Fg G 兹 Fi 臆 2FW D 5 结合式（ 1和式5得 4PfLf Pn Ln Gsin 兹 Fl “g 臆 rd _ Sa _Sa 6 从式6中可以看出， 在钻孔半径及倾角相同的 情况下， 利用胶囊与聚氨酯组合封孔带压注浆测压 技术所测定的瓦斯压力极限值， 与胶囊膨胀对孔壁 的压力、 聚氨酯单位黏结力， 以及胶囊与聚氨酯的封 孔距离成正相关;与设备重力及注浆压力成负相关。 因此， 测压准备前应合理设计胶囊注水压力及胶囊 与聚氨酯的封孔距离， 以满足带压注浆条件。 3 . 2 浆液渗透扩散数值模拟 钻孔过程中扰动产生裂隙， 带压浆液渗透到裂 隙中， 将裂隙封堵起来， 降低透气性。浆液渗透符合 达西定律， 本次测压的煤层底板岩性以泥岩、 中细粒 砂岩及砂质泥岩为主。采用COMSOL数值模拟软件 来模拟钻孔中带压浆液在岩层中的扩散情况[11-12]。 3 . 2 . 1 数学模型基本假设 1 浆液渗流运动服从达西定律； 2 浆液渗透为单一裂隙扩散； 3 浆液扩散过程为静水压力； 70 Vol. 44 No. 4 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 第第44卷 第卷 第4期期 Aug. 2017 MINING SAFETY 采用带压注浆封孔的2 号和 4 号钻孔瓦斯压力分别为0. 26、 0. 22 MPa。1 号 、 3 号钻孔的压力分别比2 号 、 4 号钻孔的压力小 2 3 、 1 8 。由此可见， 采用带压注浆的封孔测压方 71 V〇〇l.44No.4 矿 业 安 全 与 环 保矿 业 安 全 与 环 保 第第44卷 第卷 第4期期 Aug. 2017 MINING SAFETY ENVIRONMENTAL PROTECTION 2017 年年 8 月月 式比常压注浆封孔方式测得的压力更准确， 更接近 原始煤层瓦斯压力。 5结论 1 结合工程现场， 分析封孔测压失效的原因， 为 改进测压技术提供了理论支持。新型的“ 两堵一注” 胶囊聚氨酯组合封孔测压技术在失效原理上进行了 改进,封孔操作简单， 密封效果较好。 2 通过测压装置的承压分析， 胶囊与聚氨酯互 补封堵,既提高了钻孔的密封性又可以提高测压装 置的承压能力。通过采用C0MS0L 对浆液扩散数值 模拟， 研究了钻孔浆液扩散距离与注浆压力、 扩散时 间的相关性， 结果显示当注浆压力为4 MPa、 浆液带 压扩散时间为12 h 时,浆液扩散对钻孔裂隙封堵效 果最佳。 3 现场试验结果显示， 新型带压注浆封孔测压 技术测得的瓦斯压力更为准确。 参考文献 [1 ]冀超辉， 侯志华.瓦斯压力直接测定法的改进和应用[J].矿 业安全与环保，2009,36S171-72. [ 2 ]王兆丰， 武炜.煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析[J].煤 炭科学技术，2014631-34. 上接第6 7 页） 的理论计算公式， 并根据安顺煤矿M,煤层的瓦斯基 本参数测算出其预抽时间与预抽半径的对应关系。 现场考察原始煤体和已预抽采煤工作面不同钻孔间 距煤体的K,值,通过对比分析其抽采时间与钻孔间 距的合理性， 结合理论计算的M,煤层的预抽时间与 预抽半径的关系， 最终得出安顺煤矿M,煤层合理预 抽时间与钻孔半径的关系。 参考文献 [1] 程远平， 付 建 华 ， 俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发 展[J].采矿与安全工程学报，2009,262127-139. [2] 王兆丰， 刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探 讨[ J ] .煤矿安全，2005,36329-32. [ 3 ] 唐兵， 司春风， 孟贤正.钻孔瓦斯抽采半径的确定方法及 实践[J].矿业安全与环保，2012,39443-48. [ 4 ] 吕贵春.可解吸瓦斯含量降低法在顺层钻孔瓦斯抽采半 [ 3 ] 宋宇辰， 张朋伟， 吕旭明， 等.两堵一注装置在封孔技术 中的研究与应用[ J ] .煤矿机械，20158261-264. [ 4 ] 蒋承林， 曹军， 蒋宏伟， 等.本煤层聚氨酯一预注浆一高 压 注 浆 封 孔 测 压 技 术[ J ] .煤 炭 技 术，2014 9 315 317. [5 ]刘洋， 贾泉敏， 晁建伟.肢囊封孔工艺在下向测压钻孔中 的应用[J].矿业安全与环保，2015,42198-100. [6] 董贺， 王佰顺.聚氨酯一水泥带压注水封孔测压技术研 究[J ].中国安全生产科学技术，2014，107147-151. [ 7 ] 陈学习， 常忠乾， 胡华磊， 等.本煤层瓦斯抽采钻孔气囊 封堵带压注浆密封技术[J ].煤炭工程，201410134- 136. [8] 陈凯.一体化封孔装置的封孔参数研究[D ].淮南 安徽 理工大学，2015. [ 9 ] 张超.钻孔封孔段失稳机理分析及加固式动态密封技术 研究[D ].徐 州 中国矿业大学，2014. [10] 吴爱军.肢囊粘液封孔器在测定煤层高瓦斯压力时失 效成因分析[J ].中国安全生产科学技术，2013,92 12- 17. 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