钻孔密封机理及新型煤层瓦斯压力测定技术研究.pdf

★ 煤矿安全 ★晋城煤业集团公司协办 钻孔密封机理及新型煤层瓦斯压力测定技术研究* 刘三钧 林柏泉 郝志勇 李全贵 中国矿 业大 学煤 炭 资源与安全 开采 国家重点 实验 室，江 苏省徐 州 市 ，2 2 1 1 1 6 摘 要 以流体力学、牛顿摩擦定律等为基础，建立了钻孔密封机理模型，得 出了钻孔 周边缝 隙流体流 动及泄 漏量计算公 式 ，分析 了提 高钻 孔 密封 效果 的影 响 因素 。在 此基础 上 ， 研发 了具有 两端封 闭 注浆 室的新 型煤层 瓦斯压 力测定封孔技 术 ，提 高 了煤层 瓦斯 压 力测定 的 准确性 ，实际运 用取 得 了 良好 的 效果 。 关键词 煤层 瓦斯压 力测定钻 孔 密封封孔技 术 中图分类 号 TD 7 1 3 ． 3 文献标 识码 A Bo r e ho l e s e a l i n g m e c ha ni s m a n d a n e w t e c hn o l o g y f o r c o a l s e a m g a s p r e s s u r e t e s t a r e s e a r c h Li u S a n j u n ，L i n B a i q u a n ，Ha o Z h i y o n g，L i Qu a n g u i Na t i o n a l Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e s a n d Mi n e S a f e t y ， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u ， J i a n g s u P r o v i n c e 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d on f l u i d m e c h a ni c s a n d t he Ne wt o n 1 a w o f f r i c t i o n，a mod e l of bo r e ho l e s e a l i ng m e c h a n i s m i s e s t a bl i s h e d ．Th i s pr o du c e s a c a l c ul a t i n g f o r mu l a s ho wi n g t he f l ow of f l u i d i n t h e c r a c ks a nd t he a mo unt of f l u i d l e a ka ge s a r ou nd t he b o r e ho l e s ．Th i s p a p e r a l s o a na l y z e s t he i nf l u e n c i n g f a c t o r s t h a t i mpr o v e bo r e ho l e s e a l i n g．On t he ba s i s of t he a bo v e， a ne w t e c hn o l o gy t o t e s t t h e c o a l s e a m g a s pr e s s ur e wi t h gr o ut i n g c ha mb e r c l os e d a t b o t h e nd s o f t h e b or e ho l e i s d e v e l o pe d．Thi s i n c r e a s e s t he a c c u r a c y o f c o a l s e a m ga s p r e s s u r e t e s t s a nd i t s a c t u a l us e i n p r a c t i c e ha s a c h i e v e d g oo d r e s u l t s ． Ke y wo r d s c o a l s e a m ga s ，pr e s s u r e t e s t i ng，b o r e h ol e s e a l i ng，b or e ho l e s e a l i n g t e c h no l o g y 在煤 与 瓦斯 突 出的发 展 、发 生过程 中，瓦斯 压 力起着 重大作用 。因此 ，准确测定 煤层 瓦斯压力 对 研究 煤层 瓦斯储量 、瓦斯 流动 、瓦斯 涌 出 ，预测煤 与瓦斯突出危险性以及合理制定瓦斯 防治措施等都 具有 非 常 重 要 的 意 义 ，是 煤 矿 安 全 生 产 的 重 要 保 障 。 1 煤 层瓦斯压 力测定研 究现 状 现行 的 煤 层 瓦 斯 压 力 测 压 法 主 要 包 括 胶 圈 囊封孔器封孔测压法、黄泥一水泥封孑 L 测压法、 胶圈 囊～压力黏液封孑 L 测压法等。胶圈 囊 封孔器 封孔测 压法密封 效果较好 ，封孔 器材 可以重 * 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 5 0 5 3 4 0 9 0 ， 5 0 5 7 4 0 9 3 ，国 家 重点 基 础 研 究 发 展 计 划 2 0 0 5 c b 2 2 1 5 0 6 、 国家”十一五”科技 支撑计划项 目 2 0 0 7 b a q 0 0 1 6 8 1 资 助 9 6 复使用，但成本较高，封孔深度小，对操作人员素 质要 求较高 。黄泥一 水泥封 孔测压 法简单 易行 ，不 需要特 殊装置 ，但封 孔长度 有限 ，费工 、费 时及劳 动强度大，使用的固体封孔材料不能把钻孔周围的 裂 隙封住 ，封孑 L 效果不好 。胶 圈 囊 ～ 压力 黏液 封 孔测压 法 ，虽 然能很好 地解决 钻孔周 围的天然 裂 隙 和卸压裂 隙漏气 的问题 ，且准确 度高 ，但 是 ，其 设备成本高 ，现场操作需要具有较高技术水平的人 员，材料回收困难并且存在一定的危险性。上述测 压法都存在着一定的缺点，因此，很难在生产实践 中推广应 用 。 为克服上述测压法的缺点 ，适应煤矿安全生产 的要求 ，需要 研 究 新 型 煤 层 瓦 斯 压 力 测 定 封 孔 技 术 ，且保持 上述测 压法 的优点 ，并 能很好 地解决钻 孔周 围裂 隙漏 气 问题 。 中国煤炭第 3 5卷第 1 0期 2 0 0 9 年 1 O月 2测 压钻 孔 的密封机 理 现行的煤层瓦斯压力测压的基本做法是首先用 钻机 在测压 点 打一钻 孔 ，揭露所 测煤 层 。然后 ，在 钻 孔 中安设 测压装 置 ，再将 钻孔 严 密封 闭 ，把 压力 表 和对 应 的测 压装 置连 接起 来 ，利用 煤层 中瓦斯 自 然 渗透 原理测 定 出瓦斯 压力 达 到平衡 时 的数值 。如 果 能保 证钻孔 封 闭得严 密不 漏气 ，则 所测 瓦斯 压力 值 就非 常准确 。但 通过 实验 和现 场实 际观 察 ，钻孑 L 内的 瓦斯有 泄漏 ，主要 有三 种形 式 1 钻 孔 内 的 瓦斯通 过巷道 的卸压 圈和裂 隙 向外泄 漏 ； 2 钻 孔 内的 瓦斯通过 钻孔 密封 段 的岩体 向外 泄漏 ； 3 钻 孔 内的瓦斯通 过 钻孔卸 压 圈和裂 隙 向外泄 漏 。 针 对上述 瓦斯 泄漏 形式 ，我 们研 发 了新型 煤层 瓦斯压 力封孔 技术 ，其 特点 为钻 孔密 封段 的位 置在 距 巷道 壁足够 远 的地点 ，封 孔段 能够 脱离 巷道 卸压 圈和裂 隙 的影 响 ，封孑 L 段 的长度 足够 长 ，钻孔 瓦斯 不 能通 过钻孔 密 封段 的岩体 向外 泄露 。一 般在 现场 测 试 中 ，关键 解决 第三 种泄 漏方 式 ，下面 研究 解决 该 问题 的有效 途径 。 2 ． 1 钻 孔周 边缝 隙 中流体 泄漏 方程 的建 立 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 ，须做 如下 的假设 1 密封体与钻孔壁之间存在狭窄的缝隙 ，缝 隙内流体流动属于稳定层流 ； 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 流 体重力 忽 略 。 密封 体 钻 孔 图 1 钻孔密封体设计示意 图 根据以上假设 ，可以建立钻孑 L 周边缝隙中流体 流动 方程 。钻 孔密封 体设 计示 意 图见 图 1 ，由力 的 平衡 原理 可得 2r c r dr Pl P2 一 2 r c r Ldv 一 0 d v一 ； L 钻 孔 密封 机 理 及新 型 煤 层 瓦 斯 压 力测 定 技 术研 究 * 根据牛顿摩擦定律 一 d u ，则 有 d 一 P 1一 P 2 一 广 2 式 中 密封介质的粘度， P a s； “ 缝 隙 中流体 流动速度 ， ／ s； P 、 P z 密封 介质 、外 界 的压 力 ， P a ； L 密 封体 的长度 ， m 。 式 2 即为钻孔周边缝 隙中流体流动的微分 方 程 ，根据 上述假 设 可得相 应 的边界 条件 一 “ 一0 l 3 r R。 一 0 J 式 中 r 0 密封 体 的半径 ，1T I ； R 钻孑 L 的半径 ，m。 2 式 与 3 式 联 立 求 解 ，可 得 钻 孑 L 周 边缝 隙中流体流动的速度分布式 r R r T o 4 L u L 2 ． 2钻孔 周边缝 隙 中流 体 泄 漏量 的计 算及 其 影 响 因素 分析 1 假设钻孑 L 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 △ 矗 一 R r 0 为一 常量 ，则泄 漏量 q为 q I u d s 5 将 4 式 代入 5 式 ，积 分并 考 虑 到 △ ≤ R 可得 同心 环缝 隙 中液体泄 漏量 的计 算公式 q≈ h。 6 1 L UL 式中D钻孔直径，m；其余符号同前。 2 假设 钻孔 周边 与密 封体之 间 的缝 隙产 生偏 心 ，其偏心距为 g ，密封体偏心设计示意图见图 2 。 图 2密 封 体 偏 心 设 计 ，下恿 图 钻孔 周边 与密 封体之 间 的缝 隙 一 R 一 为 一 变 量 ，则缝 隙 间微小 流量 为 d q一 7 把 7 式在 0 ～2 丌内积分 ，可得偏心环缝 隙 中液体泄漏量的计算公式 97 q一 二 。 1 2 ⋯ 8 式中 偏心率 ；其余符号同前 。 根 据 以上建 立的模 型及推 导的公式 可知 为 了 提高煤层钻孔瓦斯压力测定的准确性，关键在于提 高钻孔的密封性。而要提高钻孑 L 的密封性 ，则需要 减少 钻孔周 围缝 隙的宽度 ，增 加密 封液 的粘度 和密 封体的长度 ，减少压差和密封体的偏心率以及控制 钻孔 的直径等 。 3 新型 煤层 瓦斯压力测 定封孔 技术 1 在 封 孔 之 前 ，把 测 压 管 前 端 绑 在 回 浆 管 一般为四分铁管上，把一定量 的麻布或毛 巾缠 在回浆管前端距离三通适当位置处 ，倒上混合均匀 的聚氨 酯液 。 2 接着 把 回浆管 连 同测 压管装置 送到钻 孔 内 预定深度 ，后端 接上 阀门 ，回浆 管前端 的聚氨酯 液 发 泡膨胀后 就形成 了前端 密封体 。 3 用 两根铁 管 一般用 2 ～3 1“ 1“1 的 4分铁管 连在一起插进钻孑 L 中作为注浆管，把一定量的麻布 或毛巾缠在注浆管中间位置处 ，倒上混合均匀的聚 氨酯液 。 4 接着把 注浆管送 到钻孔 内预定深 度 ，后 端 接上 阀门 ，注浆管上 的聚氨酯液发 泡膨胀后 就形成 了后 端 密 封 体 。 这 样 ，两 端 封 闭 的 注 浆 室 就 形 成 了 。 5 待两 端 的聚 氨酯液 充分膨胀 后 ，开始 往钻 孔 内注膨 胀水 泥浆 ，根据 封孔深 度确定膨 胀不 收缩 水 泥 的使用 量 ，按 一定 比例 配好浆 液 。 6 浆液充满注浆室会经由三通通过测压管流 出 ，赶紧关 闭 回浆管 的 阀门 ，继续 注浆约 1 0 S 。由 于注浆室是两端封闭的，注浆室内部的浆液产生很 大的压力 ，浆液在压力作用下更多地进人到钻孔的 裂隙 中 ，而不会从 密封体 和岩壁 之 间的缝 隙流 出 。 7 注浆 2 4 h后，待浆液凝 固变硬后，装上 压 力表 ，封 孔完毕 。新型 封孔技术 示意 图见 图 3 。 由上述 步骤可知 ，新 型煤 层瓦斯 压力测定 技术 之所 以 比以往 的注浆封 孔技术 新型 ，是 因为形 成 了 两端封闭的注浆室，能使浆液在内部压力 的作用下 更大限度地进入到钻孔周围的裂隙中，减少漏气的 可能性。浆液凝 固变硬后 ， “ 钻孑 L 一裂隙一岩体” 可以紧密地成为一体 ，密封效果非常好。 根据上述密封机理 在打钻过程中，尽量施工 9 8 较小直径的钻孔 ；在封孔过程中，前后端的麻布或 毛 巾尽量多、尽量长，聚氨酯液的量适当增加 ，这 样可以增加密封体长度和有效减少密封体和岩壁之 间的缝隙 ，减少浆液从密封体和岩壁之间的缝隙流 出的可能性 ；在注浆过程中，浆液尽量稠些以增加 密封液的粘度 ，提高浆液的密封性 ，使浆液更大限 度地进入到钻孑 L 周围的裂隙中；一般的，在浆液 中 加入膨胀剂和速凝剂等 ，由于注浆室两端封闭，浆 液凝 固膨胀时还能部分进入钻孔周围的裂隙中，提 高密封 效果 。 图 3 新 型 封孔 技 术 示 意 图 l 一压力表 ；2 一注浆泵 ；3 一 阀门 ；4 测压管 ；5 一 回浆管 ；6 一浆液 7 三通；8 一注浆管 ；9 一密封体 ；1 O 一测压室；1 1 一煤层 4现 场应用 实例 平煤 四矿是 现代化 矿井 ，是 集团公 司的主力 矿 井之一。随着矿井开采深度的逐步延伸 ，煤层瓦斯 含量 、瓦斯压力逐步加大 ，四矿逐渐由一个低瓦斯 矿井转 变为 突出矿井 ，瓦斯 严重威胁 着矿井 的安全 生产 以及 高产 高效建设 。 4 ． 1 测压点 选择 及参 数设计 为准确测定煤层瓦斯压力 ，使测出的瓦斯压力 值 能够代表 煤层 的原始 瓦斯 压力 值 ，要求 测压地点 应选在不受断层影响和岩体保护比较完整且裂隙不 发育 的地 区 。据此 ，结 合 四矿 的现 场实际条 件 ，在 三 水平 副井井底 车场 的变 电所 巷道 内设 计 了 6 个 测 压 钻孔 ，钻孔设计 平 面位置示 意图见 图 4 。 图 4 钻孔设计平面位置示意图 为了更好地验证新型煤层瓦斯压力测定封孑 L 技 术 的优点 ，上述设 计 的 6个钻孔 分别采 用不 同的方 中国煤炭第 3 5 卷第 1 O期 2 0 0 9年 1 O月 法进 行 测 试 。1 孔 、2 孔 采 用 聚 氨 酯 封 孔 技 术 ， 3 孔 、4 孔 采 用 普 通 水 泥 砂 浆 封 孔 技 术 ，5 孔 、 6 孔 采用 新 型 封 孔 技 术 ，钻 孔 设 计 参 数 及 测 试 结 果见 表 1 。 表 1 钻孑 L 设计参数及测试结果 4 ． 2 不 同测 压 法对 比分析 根据现场测压过程 中提供 的资料 以及 测试结 果 ，对不 同测压 法分 别从 费用 、压 力 达到稳 定所 需 时 间以及 瓦斯压 力 测 试 结 果 等参 数 进 行 对 比分 析 ， 见 图 5。 ， E 圈 Ⅱ 力程 时间 斯 J 士 7／ ． 、 一 ／ ／ 一 ＼ ／ ． ． 鞠 2 5 2日 1 ． 5 R 0 ． 5 O Z 3 b b 钻孔编号 图 5 不 同测 压 法 对 比 图 从 图 5可 以看 出 与其 他测压 法 相 比 ，新 型煤 层 瓦斯压 力测定 封孔 技术 封 孔费用 比较低 ，单孑 L 费 用 不 超 过 1 0 0元 ；瓦 斯 压 力 达 到稳 定 所 需 时 间 很 短 ，一般 5 ～6天 即 可 稳定 ；瓦 斯 压力 测 试 值 比较 大 ，准确 可靠 。 5 结论 通 过 以上研 究 ，可 以得 出如下 结论 1 煤 层 瓦斯压 力测 定最 难解 决 的问题 是钻 孔 周 围裂 隙漏 气 问题 ，解 决 此 问题 的关键 是寻 找一 种 合适 的方法 把钻 孔周 围 的裂 隙密封 住 。 2 为 了提 高煤层 钻孔 瓦斯 压力 测定 的 准确 性 ，关键 在 于提 高钻孑 L 的密 封性 。而要 提高 钻孔 的 密封 性 ，则需要 减 少钻孔 周 围缝 隙 的宽 度 、增 加密 封液的粘度和密封体的长度、减少压差和密封体的 偏心 率 以及控制 钻孔 的直 径等 。 3 新 型煤 层 瓦斯压 力测 定技 术使 “ 钻孔裂 隙一岩体”紧密地成为一体 ，很好地解决了钻孔周 围裂 隙漏气 问题 ；此 技术 操作 简便 、成本 低 、准确 可靠 。 参考文献 [ 1 ]周 世宁．测定煤 层瓦斯压力 的新方法 [ J ] ．煤矿安 全 ， 19 83 9 [ 2 ]林柏 泉．三相泡 沫流体密封技 术及其应 用 [ M] ． 中国 矿业大学 出版社 ，1 9 9 7 [ 3 ]俞启香 ．矿井 瓦斯 防治 [ M] ． 中国矿 业大 学 出版 社， 1 99 2 E 4 3赵保太 ，林柏泉． “ 三软”不稳定低透气性煤 层开采瓦 斯涌 出及防治技术 [ M] ． 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 7 E 5 3崔景 昆．一种有 效 的封 孔方 法 E J ] ．河 北建筑 科技 学 院学报 ，2 0 0 3 2 [ 6 ]马 尚权 ，陈学 习．承压三 相泡沫瓦斯 压力测定 仪 [ J ] ． 矿 山 机 械 ，2 0 0 7 1 1 作者简介 刘三钧 1 9 8 3 一 ，河南永城人 ，中 国矿业 大学安全技术及工程专 业硕士 ，主要从事矿 业安 全方面 的 研 究。 责任 编辑张毅 玲 上 接 第 8 9页 参 考 文 献 [ 1 ]李万程 ． 河南 嵩 山区煤产 地 中的重 力滑 动构造 ．构 造 地质论丛 2 [ M] ，北京 地质 出版杜 ，1 9 8 2 [ 2 ]曹代 勇 ． 华 北寨煤 区南部滑 脱构造 研究 [ M]．北京 中 国矿 业 大 学 北 京 研 究 生 部 ，1 9 9 0 钻 L 密封机理 及新型煤层瓦斯压力测定技术研究 * E 3 3王桂粱 ，曹代勇，姜波等 ．华北南部的逆冲推覆伸展滑覆 与重力滑动构造 [ J ]．徐州 中国矿业大学 出版社 ，1 9 9 2 作者简 介 李 占五 1 9 7 2 一 ，男 ，本科 学历 ，工学学 士 ，采矿工程师 ，现任郑煤集 团超 化煤矿总 工程师 。 责任 编辑康淑 云 9 9 ∞ ∞ ∞ ∞ 踟 ∞ ∞ 加 0 p 厂垦 溪 兰