穿松軟高突煤層上向測壓鉆孔封孔技術工藝探討

耿延輝

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶市沙坪壩區,400037; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區,400037)

穿松軟高突煤層上向測壓鉆孔封孔技術工藝探討

耿延輝1,2

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶市沙坪壩區,400037; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區,400037)

針對某礦穿松軟高突煤層常規封孔測壓過程中出現的問題,分析了影響封孔質量的因素,提出了采用一次開孔—帶壓注漿—二次開孔的封孔工藝。通過現場試驗,有效地封堵了過松軟高突煤層的高壓力瓦斯及圍巖裂隙,提高了測壓鉆孔的封孔質量,成功解決了過松軟高突煤層的瓦斯壓力測定問題。

松軟高突煤層 測壓鉆孔 封孔質量 瓦斯壓力測定 影響因素

煤層瓦斯壓力是進行煤與瓦斯突出危險性鑒定的主要參數之一,其測定結果的準確性直接影響著鑒定結果及后續防突措施的經濟合理性。要保障測壓結果的準確性,測壓鉆孔的封孔技術工藝是關鍵。松軟高突煤層地應力大、瓦斯壓力大、煤層松軟,打鉆過程中容易發生垮孔、卡鉆、噴孔;穿松軟高突煤層測壓時,由于突出煤層瓦斯壓力較大,在層間距較小、封孔效果差時,高壓力瓦斯通過孔壁圍巖裂隙及封孔材料凝固過程中向測壓煤層串流,致使封孔材料在凝固過程中產生瓦斯流動的通道,影響煤層的瓦斯壓力測定結果,導致測壓失敗。因此,研究穿松軟高突煤層上向測壓鉆孔封孔技術工藝尤為重要,對準確測定煤層瓦斯壓力具有現實意義。

1 工程概況

某礦井主采的三1煤層為突出煤層,三1煤層厚度為0.85～16.34 m,平均厚4.52 m,煤層傾角平均為30°。煤層頂板為砂質泥巖及細～中粒砂巖;底板為砂質泥巖及細～中粒砂巖,局部有泥巖。三1煤層瓦斯含量為0.85～13.69 m3/t,平均11.60 m3/t,瓦斯壓力為0.3～3.4 MPa,透氣性系數為0.0187 m2/MPa2·d,煤層堅固性系數為0.15～0.2,屬松軟高突煤層。其上部的三2煤層作為保護層進行開采,兩煤層層間距平均為15 m,三2煤層平均厚度為0.8 m,平均傾角為30°。因三2煤層原始瓦斯壓力測定要求,需在礦井的＋20 m水平底板巖巷施工穿過三1煤層上向鉆孔測定三2煤層的瓦斯壓力。該礦采用常規的測壓方法測得1＃鉆孔三2煤層瓦斯壓力為2.9 MPa,這與該煤層采掘過程中的瓦斯涌出及鉆孔施工實測瓦斯濃度情況嚴重不符,分析認為三1煤層為松軟高突煤層,煤層瓦斯壓力較大,兩層煤的層間距較小,采用常規的封孔技術工藝封孔質量較差,很難封堵三1煤層的高壓力瓦斯,高壓力瓦斯在封孔材料凝固過程中向測壓煤層串流,影響煤層的瓦斯壓力測定結果,導致測壓失敗。

2 影響封孔質量因素分析

2.1 鉆孔圍巖特征

鉆孔圍巖的巖性特征直接影響著鉆孔的封孔質量。穿松軟、高突煤層的鉆孔,由于圍巖結構強度較低、地應力大、瓦斯壓力較大,鉆孔施工過程中容易發生噴孔,采用常規的封孔工藝技術封孔,封孔效果差時,高壓力瓦斯通過孔壁圍巖裂隙及在封孔材料凝固過程中向測壓煤層串流,致使封孔材料凝固過程中產生瓦斯流動的通道,影響封孔質量;在高地應力作用下,圍巖強度較弱的鉆孔在蠕變作用下不斷有裂隙產生,導致此封孔段出現高壓瓦斯串流的通道,影響煤層的瓦斯壓力測定結果,導致測壓失敗。

2.2 封孔技術工藝

封孔技術工藝是影響封孔質量的關鍵因素。煤層瓦斯壓力測定常用的封孔方法有膠囊(膠圈)－密封粘液測壓法封孔工藝及注漿封孔測壓法封孔工藝。注漿封孔工藝操作簡單,目前得到了廣泛應用。常規的上向孔注漿封孔工藝是將測壓管下放至預定測壓煤層深度,并下放一根較短的注漿管,孔口用聚氨酯材料或者速凝水泥進行封堵,確保注漿液不發生外漏,待測壓管返槳后停止注漿,此時封孔工作結束。對于穿松軟高突煤層的測壓鉆孔的封孔工作,鉆孔一次性施工完成后,采用常規的注漿封孔工藝很難封堵過煤段的高壓瓦斯及蠕變產生的裂隙,在過煤段的孔壁周圍煤巖體中形成了高壓瓦斯串流的通道,影響測壓鉆孔的封孔質量,常規封孔工藝封孔效果如圖1所示。

圖1 常規封孔工藝

2.3 封孔深度

保證測壓鉆孔有足夠的封孔深度是提高封孔質量的保障。巷道開挖后,在采動作用影響下,在巷道圍巖中由淺到深形成塑性破壞區(卸壓圈)、應力集中區、原巖應力區,在塑性破壞區域,巷道圍巖裂隙發育,應力降低,瓦斯壓力得到釋放;為保障測壓鉆孔封孔質量,必須有足夠的封孔段深度,即封孔長度大于巷道卸壓圈影響范圍。

3 穿松軟高突煤層封孔技術工藝研究

針對三2煤層過松軟高突煤層測壓鉆孔封孔質量較差的問題,分析其主要原因是由于封堵過煤段產生高壓瓦斯及孔壁的裂隙,提出采用“一次開孔—帶壓注漿—二次開孔”的封孔工藝提高測壓鉆孔的封孔質量的方案。此次進行了2個測壓鉆孔的帶壓注漿封孔工藝試驗,并布置1個采用常規封孔工藝的測壓鉆孔進行對比。測壓鉆孔布置在＋20 m水平底板巖巷集中巷的6號鉆場,如圖2所示。測壓鉆孔竣工參數如表1所示。

圖2 測壓鉆孔布置圖

表1 測壓鉆孔竣工參數

3.1 一次開孔

為避免三1煤層高壓瓦斯的影響,此次2＃、3＃測壓鉆孔分兩次開孔。一次開孔嚴格按設計角度及方位開孔,首先用?133 mm鉆頭打孔8 m,下放?108 mm套管6 m,并注水泥漿固住套管,待水泥漿凝固時間大于24 h后,采用?94 mm鉆頭施工鉆孔,穿過三1煤層1.5～2 m停止鉆進,然后用礦井高壓水進行沖孔,使煤層形成一定空間的孔洞,為后期的帶壓注漿及二次開孔做足準備,一次開孔工藝如圖3(a)所示。

3.2 帶壓注漿

一次開孔完成后,開始帶壓注漿封孔。考慮到三1煤層瓦斯壓力為0.3～3.4 MPa,此次采用4.0 MPa的注漿壓力進行封孔試驗。首先在孔口套管上安裝法蘭盤,將注漿管路和注漿泵接好,開始試壓;試壓過程中做好安全防護措施,由小到大逐漸調試注漿泵的注漿壓力,直至注漿壓力達到4.0 MPa,此時考察法蘭盤及套管的抗壓和穩固性是否滿足壓力需求;試壓結束后,在滿足壓力需求的條件下開始帶壓注漿作業,水泥漿為水泥、水、U型膨脹劑按照一定比例攪拌而成,其中水灰比為2︰1,U型膨脹劑的用量為水泥的12%。帶壓注漿工藝如圖3(b)所示。

經過帶壓注漿后,水泥漿在高壓力的作用下能夠更好地進入鉆孔圍巖的裂隙,實現有效封堵過三1煤段孔壁中的裂隙,阻斷高壓瓦斯流動的通道;同時,由于注漿壓力大于煤層瓦斯壓力,抑制了高壓瓦斯的溢出及凝固過程中的串流,使后期的二次開孔實現了全巖段,避開了松軟高突煤層的影響。

3.3 二次開孔

待高壓水泥漿凝固后,進行二次開孔作業。按照原開孔位置及角度進行掃孔,直至過三2煤層0.5 m;下放注漿管及測壓管,連接好注漿管路按照常規的主動式測壓方法進行封孔,二次開孔工藝如圖3(c)所示。待水泥漿凝固24 h后安裝壓力表進行壓力觀測。

圖3 “一次開孔—帶壓注漿—二次開孔”的封孔工藝示意圖

3.4 封孔工藝效果分析

帶壓注漿封孔和常規封孔工藝觀測壓力情況對比如圖4所示。3個測壓鉆孔的瓦斯壓力上升曲線均符合主動式測壓的一般規律;1＃測壓孔采用常規封孔工藝,測得三2煤層瓦斯壓力2.8 MPa,與三2煤層瓦斯涌出及煤層鉆孔瓦斯情況不符,和三1煤層瓦斯壓力接近,說明常規封孔工藝無法封堵三1煤層的高壓力瓦斯,測壓失敗;2＃和3＃測壓孔采用帶壓注漿封孔工藝,測得三2煤層瓦斯壓力均為0.42 MPa,2個鉆孔測定結果一致,且與三2煤層的瓦斯涌出和煤層鉆孔瓦斯情況相符,說明采用帶壓注漿封孔工藝能夠準確測出煤層的瓦斯壓力。

試驗結果表明,帶壓注漿封孔工藝效果明顯,有效地封堵了過松軟高突煤層的高壓力瓦斯及圍巖裂隙,提高了測壓鉆孔的封孔質量,成功解決了過松軟高突煤層的瓦斯壓力測定問題。

圖4 帶壓注漿封孔工藝和常規封孔工藝壓力觀測情況

4 結論

(1)對影響測壓鉆孔封孔質量的因素進行了分析,指出過松軟高突煤層采用常規封孔工藝進行封孔時高壓瓦斯及圍巖裂隙是導致測壓失敗的主要原因。

(2)提出了一次開孔—帶壓注漿—二次開孔的封孔工藝提高測壓鉆孔的封孔質量,并經過了現場試驗,得出此種封孔工藝有效地封堵了過松軟高突煤層的高壓力瓦斯及圍巖裂隙,成功解決了過松軟高突煤層的瓦斯壓力測定問題。

[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)

[2] 韓巍,桑朋等.提高松軟高突煤層瓦斯抽采效果的新技術研究[J].煤炭技術,2014(4)

[3] 公衍偉,解慶雪等.帶壓注漿封孔工藝在測定煤層瓦斯壓力中的應用[J].煤礦開采,2013(2)

[4] 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)

[5] 楊宏民,楊峰峰等.煤層瓦斯壓力測定的合理封孔注漿壓力研究[J].中國安全生產科學技術,2015 (5)

[6] 劉洋,徐幼平,張萌博.馬麗散封孔測定瓦斯壓力方法的應用研究[J].中國煤炭,2011(7)

(責任編輯 張艷華)

《全國礦產資源規劃(2016－2020年)》發布

國土資源部會同國家發改委、工信部、財政部、環保部、商務部共同發布《全國礦產資源規劃(2016－2020年)》(以下簡稱《規劃》)。

當前,我國能源資源需求增速放緩,但需求總量仍維持高位運行。國土資源部預計,到2020年,我國一次能源消費量約為50億t標準煤,鐵礦石7.5億t標礦,精煉銅1350萬t,原鋁3500萬t。

國土資源部副部長趙龍介紹說,根據《規劃》,“十三五”時期全國礦產資源發展的具體目標包括:首先,形成一批重要礦產資源戰略接續區。力爭新發現5～8個億噸級油田和5～10個千億方級氣田,新發現和評價大中型礦產地300～400處。

其次,建設103個能源資源基地,劃定267個國家規劃礦區,鐵、銅、鋁土礦、鉀鹽等戰略性礦產國內安全供應能力得到鞏固。劃定28個對國民經濟具有重要價值的礦區,強化重要礦產保護與儲備。

《規劃》提出將著手優化礦產開發區域布局;強化資源節約集約循環利用;推進礦業領域科技創新,發展“互聯網＋礦業”方式,促進傳統礦業轉型升級。

趙龍表示,《規劃》在引領礦產資源管理改革,增強礦業發展活力方面明確了一些制度設計。其中包括:首先,開放油氣、鈾勘探開發市場。加快新疆改革試點推廣,推進油氣勘查開采體制機制改革,逐步放開上游勘探開發市場,引入社會資本。按照勘查社會化、礦業權市場化、投資多元化、開采專業化的原則,加大鈾礦勘查開發體制改革,有序放開鈾礦勘查開發市場,積極引導社會資本進入鈾礦勘查領域,加快鈾礦勘查開發進程。

其次,擴大礦業權競爭性出讓范圍。堅持市場競爭取向,建立符合市場經濟要求和礦業規律的礦業權出讓方式。探索擴大礦業權競爭性出讓范圍,進一步推進探礦權采礦權實行招標拍賣掛牌方式出讓,著力破解制度性障礙,充分調動市場各類主體的積極性,吸引社會資本和風險投資。

Discussion about upward pressure-measuring borehole sealing techniques across soft and serious outburst seams

Geng Yanhui1,2
(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology,Shapingba,Chongqing 400037,China; 2.China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Research Institute,Shapingba,Chongqing 400037,China)

Aiming at issues during regular hole-sealing pressure measuring process across soft and serious outburst seams at certain mine,this paper analyzed the influential factors of hole sealing quality and proposed hole-sealing procedures carried out as first boring,pressured grouting and second boring.Field application experiment effectively cemented high pressure gas and surrounding rock fractures across soft and serious outburst seams,enhanced pressure-measuring borehole sealing quality and successfully solve the problem of gas pressure measurement across soft and serious outburst seams.

soft and serious outburst seams,pressure-measuring borehole,hole-sealing quality,gas pressure measurement,influential factor

TD712.53

A

耿延輝(1980－),男,河南鄢陵人,碩士,從事礦山安全和煤礦瓦斯災害防治技術的研究工作。

耿延輝.穿松軟高突煤層上向測壓鉆孔封孔技術工藝探討[J].中國煤炭,2017,43(1):104－107. Geng Yanhui.Discussion about upward pressure-measuring borehole sealing techniques across soft and serious outburst seams[J].China Coal,2017,43(1):104－107.