馬麗散封孔測定瓦斯壓力方法的應用研究＊

劉 洋 徐幼平 張萌博

(中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221000)

馬麗散封孔測定瓦斯壓力方法的應用研究＊

劉 洋 徐幼平 張萌博

(中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221000)

闡述了馬麗散作為測壓鉆孔封孔材料的主要技術參數(shù)的性能特點,在磨心坡礦K6和K8煤層瓦斯壓力測定中進行了應用研究,結果表明,觀測30 d以后,瓦斯壓力維持在0.55 M Pa左右,說明了馬麗散封孔的致密性是穩(wěn)定的。

瓦斯治理 瓦斯壓力測定 馬麗散 封孔

瓦斯壓力通常是通過往煤層打鉆測得的,而所測瓦斯壓力的準確性主要取決于測壓鉆孔的封孔工藝,所以封孔工藝的創(chuàng)新已成為必然。我國目前普遍采用水泥砂漿注漿式封孔方法,封孔質(zhì)量有所提高。采用水泥砂漿封孔較以往的方法,具有材料來源充足、價格低廉、操作方便、封孔深度較長、測壓效果較好等優(yōu)點。但對于高地應力的層巖含水鉆孔暴露出來一些缺點,諸如水泥砂漿不能完全侵入微小裂隙而靠自然下沉凝固,只能適用于上向或下向鉆孔,對水平鉆孔無效;當鉆孔含水較多時,水泥漿凝固時間相對較長。另外水泥凝固后塑性較差,當鉆孔發(fā)生應力變形的時候可能會造成局部壓碎而漏氣。因此有必要對封孔工藝進行創(chuàng)新,彌補已有封孔方式的不足。重慶天府礦業(yè)集團磨心坡礦在對本礦K6和K8煤層的測壓過程中采用一種基于樹脂催化劑的封孔方法,取得了良好的效果。

1 礦井概況

磨心坡煤礦位于重慶市西北部,礦區(qū)煤系地層巖性主要為石灰?guī)r、硅質(zhì)石灰?guī)r、泥巖、粘土巖、砂巖、炭質(zhì)泥巖和煤層。地層總厚約142.39 m,含煤10層,礦井采用機械抽出式通風,通風方式為中央并列式。礦井主采的K2煤層有煤與瓦斯突出危險,煤層相對瓦斯含量為40～42 m3/t,瓦斯含量系數(shù)為6.54,煤層最大瓦斯壓力為13.9 M Pa。據(jù)渝經(jīng)煤安〔2008〕131號2008年度礦井瓦斯等級鑒定結果的批復,礦井相對瓦斯涌出量為

2010年磨心坡礦對K6和K8煤層進行封孔測壓,前期采用水泥砂漿封孔出現(xiàn)了孔口滲水嚴重、壓力表數(shù)值明顯偏低情況,經(jīng)考察分析,確定造成壓力測定不準確的原因是:層巖縫隙密布,水泥滲透性不佳,密封不嚴;孔內(nèi)滲水嚴重,影響水泥砂漿的凝固效果;地應力大,地壓沖擊,鉆孔變形致使凝固的水泥出現(xiàn)變形粉碎和細小縫隙,測壓室與孔壁和外界連通。

2 馬麗散技術參數(shù)

馬麗散是一種由樹脂和催化劑兩種成分組成的聚亞胺酯產(chǎn)品,具有較高的粘合力和較好的機械性能,在壓力的作用下能夠保持低黏度液體狀態(tài)滲透到細小裂隙之中,1 m in左右的時間樹脂和催化劑開始反應發(fā)泡,發(fā)泡時間持續(xù)約1 min,發(fā)泡結束后形成致密的隔水層,從而起到堵水的作用。采用高壓灌注進行封孔時,樹脂和催化劑充分混合后發(fā)生催化反應,生成多元網(wǎng)狀致密固體。當受到被高壓擠壓的時候,又因為其低粘度特性,能夠注入到煤巖層或混凝土裂縫中,壓力較大時可沿煤巖層或混凝土裂縫延展直到將所有裂隙(包括微裂隙及在高壓作用下重新張開的裂隙)充填。在不含水條件反應的膨脹倍數(shù)為2～4倍,成品抗壓強度25～38 M Pa;在遇水后時產(chǎn)生關聯(lián)反應,膨脹倍數(shù)為20～25倍,成品抗壓強度15～25 M Pa,其抗壓強度完全可滿足測壓的要求。馬麗散主要技術參數(shù)見表1和表2。

表1 馬麗散基本成分技術參數(shù)

表2 不同溫度下馬麗散聚合產(chǎn)品技術參數(shù)

馬麗散目前主要應用于井下需要的地層加固設計,在煤礦主要應用在石門揭開、巷道頂板加固、松軟煤層加固、煤倉堵水、豎井堵水及加固井壁等方面。經(jīng)過上述考察,馬麗散的各項指標均滿足于磨心坡礦的瓦斯測壓鉆孔的封孔技術要求。

3 測壓過程

3.1 地點選擇及鉆孔參數(shù)

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求,測定地點的分布和選擇應能有效代表待鑒定采掘范圍的煤層,每個地質(zhì)單元內(nèi)在走向和傾向方向布置測壓點,測點要符合下列條件:

(1)測定地點應優(yōu)先選擇在石門或巖巷中,選擇巖性致密的地點,且無斷層和裂隙地質(zhì)構造處布置測點,其瓦斯賦存狀況要有代表性;

(2)測壓鉆孔應避開含水層、溶洞,保證測壓鉆孔與其距離不小于50 m;

(3)對于測定煤層原始瓦斯壓力的測壓鉆孔應避開采動、瓦斯抽采及其它人為卸壓影響范圍,并保證測壓鉆孔與其距離不小于50 m;

(4)選擇測壓點應保證測壓鉆孔有足夠的封孔深度。

根據(jù)磨心坡煤礦的現(xiàn)場實際條件,經(jīng)深入井下分析地質(zhì)構造、煤層賦存條件、巷道掘進情況后,決定在磨心坡煤礦標高-220 m水平南區(qū)三石門區(qū)域K9煤層鑒定巷多點測定K8和K6煤層瓦斯壓力。

3.2 鉆孔參數(shù)

由于K6和K8煤層均為急傾斜煤層,平均傾角60°,故采用上行封孔方式,鉆孔布置見圖1,鉆孔參數(shù)見表3。

圖1 上行孔封孔示意圖

3.3 施工工藝

封孔工藝流程見圖2,可概括為如下6個步驟:

圖2 封孔工藝示意圖

(1)準備好勞動防護用品(橡膠手套),將封孔所需要材料運送到現(xiàn)場,材料包括馬麗散A料和B料、微型膠囊、?6 mm尼龍管、白鐵管、球閥、接頭和毛巾;

(2)插入測壓管,將膠囊和回漿管送入深處,用手動試水泵將膠囊注水至0.5 M Pa,然后送入注漿管至2 m處;

(3)在孔口處用少量馬麗散浸泡的毛巾或棉紗封堵,封堵長度約1 m左右;

(4)待孔口馬麗散反應完畢,將氣動注漿泵接風,兩根吸漿管分別插入馬麗散樹脂和催化劑料桶,注射槍接注漿管,開啟注漿泵至最大輸出功率并保持至注漿結束;

(5)回漿管有料涌出即停泵,關閉注漿管球閥,用清水沖洗注漿泵,回漿管停止回漿的時候關閉回漿管球閥;

(6)安裝壓力表,清理現(xiàn)場,觀測數(shù)據(jù)。由于馬麗散凝固較快,在注漿完成后即可安裝壓力表,為測試煤層壓力節(jié)省了寶貴時間。

表3 鉆孔參數(shù)

3.4 效果考察

封孔完畢后每天按時讀取壓力表數(shù)據(jù),連續(xù)觀察20 d。與之前水泥砂漿封孔方式對比發(fā)現(xiàn),對于同一煤層相近位置的兩種方式的壓力數(shù)據(jù),新技術封孔方式壓力上升速度較快,到達的峰值較高,持續(xù)穩(wěn)定時間長?，F(xiàn)選取K6煤層的部分數(shù)據(jù)進行對比,見圖3。

從圖3可以看出,由于磨心坡礦的不良地質(zhì)條件,采用水泥封孔方式均出現(xiàn)了漏氣、壓力偏低的問題,而采用馬麗散封孔的兩個孔都達到了理想效果。觀測30 d以后,瓦斯壓力維持在0.55 M Pa左右,說明馬麗散封孔的致密性是穩(wěn)定的,此封孔工藝是可行的。

圖3 兩種封孔效果對比圖

4 結語

(1)瓦斯壓力測定成功的關鍵在于選擇合適的測壓位置。測定地點應選擇在進風巷道中來往人員少且便于安設保護柵欄的地方,應保證該地點有足夠的封孔深度。見煤點應避開地質(zhì)構造裂隙帶、巷道、采動及抽放等的影響范圍。鉆孔應避開地質(zhì)構造裂隙帶、巷道的卸壓圈和采動影響范圍。

(2)封孔質(zhì)量和封孔長度是影響壓力測定是否成功的決定性因素。由于高分子化合物馬麗散具有滲透性強、凝固時間短、強度大等特點,在測壓條件惡劣的封孔條件下與水泥封孔相比具有較強的優(yōu)勢,是一種有效可行的封孔工藝。

(3)本次現(xiàn)場應用對馬麗散與水反應狀態(tài)下的膨脹率、滲透性沒有進行更深入地探討,因此尚不能很好地控制注入量和其注入壓力,需要進一步開展研究。

[1] 黃旭超,何清等.復雜地質(zhì)條件下測壓鉆孔的幾種封孔工藝[J].能源技術與管理,2009(1)

[2] 周林鋒.馬麗散F封孔膠在提高瓦斯抽采效果中的應用[J].中國高新技術企業(yè),2009(21)

[3] 煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法[M].北京:科學出版社,2007

Research and application of gas pressure measurement by borehole sealing with Malisan

Liu Yang,Xu Youping,Zhang Mengbo

(Schoolof Safety Engineering,China University of mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221000,China)

The main parameters of Malisan were discussed as borehole sealing material for gas pressure measurement,which was applied to K6 and K8 coal seams of Moxinpo Coal Mine to measure the gas pressure.The results showed that the gas pressure was always keptat 0.55 M Pa after 30 days,suggesting stable sealing effect of Malisan.

gas control,gas pressure measurement,Malisan,borehole sealing

TD713

A

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助(973計劃)(2011CB201205);中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題(SKLCRSM 08X03);中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放研究基金資助項目(09KF09);國家科技支撐計劃項目(2007BA K00168-1)

劉洋(1986-),男,山東濟南人,中國礦業(yè)大學安全學院在讀研究生,主要從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。

(責任編輯 梁子榮)