下行孔瓦斯测压注浆封孔工艺的改进

张永俊，李宝富，王 冰

(1．古交市煤炭工业局，山西 古交 030200;2．河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

·试验研究·

下行孔瓦斯测压注浆封孔工艺的改进

张永俊1，李宝富2，王 冰2

(1．古交市煤炭工业局，山西 古交 030200;2．河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

煤层瓦斯压力是指瓦斯气体在煤层中所呈现的压力，是预测煤与瓦斯突出的一项重要指标。准确测出煤层瓦斯压力，进而预测瓦斯含量是有效治理瓦斯涌出异常及煤与瓦斯突出的基础。分析了常规注浆工艺及封孔器封孔在下行孔瓦斯测压中存在的缺陷，提出了改进措施，并在山西东辉集团赵家山煤业有限公司瓦斯测压中投入试用，取得了良好的效果。

瓦斯测压;下行孔;注浆封孔;含水层

目前，常见的直接法瓦斯测压封孔工艺主要分为两大类:注浆封孔和封孔器封孔［1］。注浆封孔相对封孔器封孔最大的优势就是其测压成本低，操作简便，对操作人员的技术水平要求不高。但下行孔瓦斯测压封孔有一定的特殊性，尤其是在钻孔穿过有含水层岩层时，由于不能将水完全排出，无法使用聚氨酯发泡，只能采用注浆法封孔。不过仍存在一个问题，如果按照425号水泥的常规水灰比1∶2拌浆，将大大延迟水泥的凝固，造成封孔失败，鉴于该问题，笔者针对下行孔将瓦斯测压注浆封孔工艺做了一定的改进。

1 封孔工艺介绍

1．1 常规注浆封孔

最初的瓦斯测压封孔是采用黄泥人工封填，其材料简单，但封孔长度常受到限制，并要求钻孔内无残留水，费时费力，而且对操作要求较高［3］，需对其技术人员进行提前培训，现已被淘汰。在此后出现了常规注浆封孔，采用微膨胀水泥与水拌浆封堵，使用d20塑胶管作为导气管，对技术要求相对较低，而且封孔长度也有很大提高，封孔效果较好。但对于下行孔而言，常规注浆法对测压室的大小不易控制，极易造成水泥浆流入测压室，拥堵测压预留孔致使测压失败。

1．2 胶囊—压力黏液封孔

胶囊—压力黏液封孔测定煤层瓦斯压力技术是由中国矿业大学周世宁教授最先提出并应用的［4］。其基本思路是利用固体封液体，液体封气体。采用2个胶囊封孔，并在2个胶囊之间充入具有一定压力的黏液，黏液压力略高于预计的瓦斯压力。黏液在压力作用下渗入钻孔周边裂隙，杜绝了瓦斯的泄漏，从而使测出的瓦斯压力值等于真实的煤层瓦斯压力。

采用此法封孔压力黏液可渗入封孔段岩(煤)体裂隙，增大密封效果［5］，具有封孔工艺简单、便捷、封孔器可以重复利用等优点，但其价格较高，且在实际应用中存在一定局限性，仅适用于松软岩层或煤巷瓦斯压力测定。在下行孔情况下，多数是需穿透底板岩层测量下一分层煤层瓦斯压力，采用封孔器封孔，当黏液压力过大时，加之黏液及封孔器自重，极易使测压室达不到预先设计的大小;由于孔内有水存在，预配黏液被稀释，其压力也难以保障。

1．3 水泥砂浆—聚氨酯泡沫复合封孔

复合封孔是指在测压室端部及孔口采用聚氨酯封堵，中段注浆［6］，所采用的导气管有刚性管和塑胶管两种，该法既克服了水泥注浆法对测压室大小不易控制的缺陷，而且相比封孔器大大节约了成本，实际测压效果也较好，目前应用较为广泛。

但在下行孔测压时往往无法将水完全抽出，尤其在所穿岩层遇含水层的情况下，更不可能将水清理干净。由于水的存在，无法使用聚氨酯混合发泡，水泥拌浆极易流入测压室，堵塞预留测压孔，甚至将测压室完全填实;同时，钻孔内的水也破坏了拌浆的原有水灰比，致使凝固过慢而封孔失败。

2 改进后的封孔工艺

综合以上各工艺优缺点，针对下行孔遇含水层的情况，在原有砂浆封孔的基础上，笔者提出了改进工艺。基本思路:借鉴黄泥封孔经验，调整水灰比;在底部使用d20刚性管以支撑上部重量，达到控制封孔长度的目的;中部及上部采用d20塑胶管，以减轻上部重量，并降低了封孔成本;为解决孔中积水问题，借鉴黄泥封孔，将水泥浆换成较为干燥的水泥条。具体步骤如下:

1)测压地点的选择要具有代表性，最好在距离待测压煤层一定距离且岩性致密无裂隙断层的岩巷，并避开采动、瓦斯抽采及其它人为因素影响范围。

2)在选定的测压地点打孔，钻孔直径不小于60 mm，成孔后用风扫孔，将钻孔内煤渣及煤泥清理出来，以防止煤渣煤泥等影响封孔的密实性。

3)在刚性管(根据煤层厚度采用合适长度)上均匀地打上d4 mm的小孔，并用铁纱窗将其包裹;在刚性管上端部固定一直径略小于钻孔的铁质挡板，用转接头与塑胶管相连后缓缓放入钻孔内。视具体情况，若要更好地提高对测压室的控制，可紧贴铁质挡板，在塑胶管上缠绕2条废旧毛巾等物，以阻挡水泥条沿挡板同钻孔间的缝隙进入测压室。具体连接见图1。

图1 封孔连接示意图

4)待刚性管被送达钻孔底部后，将水和水泥按一定配比预先制成的较为干燥水泥条，填入孔内，至后期若遇拥堵可用细铁棍用力捣拌压实，直至将钻孔内残留水全部挤出。

5)将多余塑胶管截去，待水泥凝固牢实之后，连接瓦斯压力表。若要加速瓦斯压力增大，可先向测压室内充入高压氮气，再连接压力表。

6)封孔之后，派专人定期观测并记录，直至连续3～5 d瓦斯压力不再变化，此值即可看作所测煤层瓦斯压力。

3 现场应用对比

山西东辉集团赵家山煤业有限公司，属高瓦斯矿井，随着其向深部的开采，瓦斯涌出异常现象越来越严重。为准确测量其瓦斯参数，按照AQ/1047—2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》的规定，综合分析全矿地质条件，在副斜井行人侧施工测压钻场，以测定矿井2#、5#煤的瓦斯压力。见图2。

图2 测压点布置示意图

2011年12月上旬，先后采用常规注浆工艺及复合封孔工艺在－500 m水泵房进行了瓦斯压力测定。在钻孔钻进4 m时，遇含水层，钻孔内始终有存水。由于无法解决含水层的问题，不能将水完全抽出，在应用常规注浆工艺时，预留的测压孔被堵实，且水泥拌浆在2天之后仍未能完全凝固，最终瓦斯压力表无读数，测压失败;2天后在同一地点错开约20 m处，采用复合封孔工艺，仍因水的存在，聚氨酯无法混合发泡，不能密闭测压室致使封孔被中断。

2011年12月中旬，再次在该地点打孔测压，采用笔者改进的封孔工艺，测压室底部采用带有小孔的刚性管支撑，有效保证了测压室空间;包裹一层铁纱窗使测压孔不致被水泥浆封填导致测压失败;使用水泥条人工封填，可有效挤出钻孔残留的水，加速水泥凝固，提高封孔成功率。

钻孔中段及以上采用塑胶管作为导气管，减少了转接头，提高了导气管的密闭性和测压的可靠性。安装瓦斯压力表的1周之后，2#煤层读数便上升至0．46 MPa，半月后读数稳定在0．51 MPa，不再变化，测压的同时，在钻孔至煤层位置时采取了钻芯煤样，实验室测得瓦斯含量为7．63 m3/t，5#煤层读数便上升至0．10 MPa，半月后读数稳定在 0．12 MPa，不再变化，测压的同时，在钻孔至煤层位置时采取了钻芯煤样，实验室测得瓦斯含量为4．80 m3/t。

吸附常数。2#煤层煤的吸附常数:a=25．275 m3/t，b=0．944 MPa－1。

5#煤层煤的煤的吸附常数:a=20．128 m3/t，b=0．701 MPa－1，，根据煤层瓦斯含量 X与瓦斯压力 P之间满足郎格缪尔方程，即:

式中:X—煤中可燃质中的瓦斯含量，m3/t;

k—甲烷的压缩系数，取1．08。

将各数值代入上式，反推出2#、5#煤层瓦斯压力为0．49、0．11 MPa，实测值同理论计算值极其接近，说明所测结果基本能够真实反映煤层瓦斯压力情况，对生产具有一定的参考和指导意义。

4结论

1)该方法在下行孔遇含水层时较为适用，但在实际应用中可能仍然存在一些问题，比如铁质挡板若过大，则刚性管不易下放;若过小，则达不到密闭测压室的效果。所以便要求钻孔尽可能光滑，挡板直径略小于钻孔5～8 mm为宜。

2)若瓦斯压力表读数在升高的过程中有下降甚至出现负压，亦属正常。因在测压过程中，导气管中残留的水通过预留测压孔会逐渐渗入煤层，出现压力降低现象。

3)通过对改进的封孔工艺现场应用同常规注浆工艺及复合测压工艺对比，其所测结果基本能够真实反映煤层瓦斯压力情况，与利用瓦斯含量法反推法所得到的结果相比，相差很小，能够满足指导现场生产的需要。

［1］ 俞启香．矿井瓦斯防治［M］．徐州:中国矿业大学出版社，1992:30－56．

［2］AQ1047－2007，煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定［S］．

［3］李 波，李长松．套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用［J］．煤炭科学技术，2009(3):15－18．

［4］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(8):71－75．

［5］ 杨晓亮，古兴龙．煤层瓦斯压力测定封孔新工艺［J］．中州煤炭，2009(3):17－18．

［6］刘 頔．煤层瓦斯压力测定中的注浆封孔工艺分析［J］．科技信息，2007(11):29－30．

Im provement of Down Hole Grouting Sealing Process for Gas Pressure M easurement

Zhang Yong－jun，Li Bao－fu，W ang Bing

he gas pressure is the pressure of methane gas in the coal seam and it is an important indicator for predicting coal and gas outburst．Accurately measure the gas pressure and predict gas content，it is the basis for which effectively control gas abnormal effusing and coal and gas outburst．Analyzes the deficiency of the pressure measurement of the conventional grouting process and sealing instrument hole sealing in the down hole，proposals improvement measures，and puts into use on pressure measurement in Zhaojiashan coal Co．Ltd of Donghui group in Shanxi，obtained good effects．

Gas Pressure;Down hole;Grouting sealing;Aquifer

TD713

A

1672－0652(2012)09－0048－03

2012－07－10

张永俊(1967—)，男，山西古交人，1988年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作(E －mail)zhangbingqi666@163．com