瓦斯壓力測試鉆孔圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)研究

李 磊，成賢康

(1.山西潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司 古城煤礦，山西 長治 046000；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

隨著煤礦開采深度的加深，瓦斯動力災(zāi)害問題越來越突出，所以對煤礦井下瓦斯壓力快速準確地測定和研究對目前預(yù)測預(yù)防瓦斯動力災(zāi)害至關(guān)重要。煤層瓦斯壓力測試的準確性受到多方面因素的影響，其中封孔質(zhì)量是測試的關(guān)鍵。目前，在強度較低的松軟煤層中采用較多的是膠囊-粘液封孔技術(shù)和套管帶壓封孔技術(shù)。松軟煤層的煤體強度低，在巷道松動圈范圍內(nèi)煤層破碎嚴重，存在大量的裂隙，容易形成溝通測壓氣室與巷道自由空間的瓦斯運移通道，再加上膠囊膨脹后難以保證與孔壁均勻接觸，導(dǎo)致采用膠囊-粘液封孔測壓效果不理想。而下套管二次帶壓封孔技術(shù)由于成本高、操作復(fù)雜、成功率低，在現(xiàn)場生產(chǎn)和研究中較少使用。本文通過分析確定影響煤層巷道瓦斯壓力測定的關(guān)鍵因素，對煤層瓦斯壓力測試孔圍巖裂隙注漿材料進行了研究，優(yōu)化了封孔工藝和參數(shù)，提出了瓦斯壓力測試鉆孔圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)，并在現(xiàn)場進行了試驗[1-3]。

1 膠囊-粘液封孔瓦斯壓力測定存在的問題

目前，煤層巷道瓦斯壓力測試存在兩大技術(shù)難題：第一，煤層煤體強度相對較小，在巷道掘進之后，由于支承壓力巷道側(cè)將產(chǎn)生較大范圍的松動破壞圈，煤體相對破碎的產(chǎn)生裂隙發(fā)育，不利于瓦斯壓力測定過程中的鉆孔封孔；第二，由于目前瓦斯壓力快速測定儀設(shè)備本身的缺陷，主要依靠膠囊和粘液封孔，其中膠囊封孔存在受鉆孔施工質(zhì)量和自身重力的影響。

煤層煤體強度相對較小，在巷道掘進過程中，受應(yīng)力重新分布的影響，巷道兩幫支承壓力導(dǎo)致兩幫圍巖產(chǎn)生大量裂隙，煤體相對破碎，裂隙發(fā)育，大量裂隙的存在導(dǎo)致瓦斯壓力測定過程中外部漏風(巷道風流)、內(nèi)部漏氣(瓦斯氣體)，是導(dǎo)致瓦斯壓力測定不夠準確的一個重要原因。目前瓦斯壓力快速測定主要依靠膠囊和粘液封孔，其中膠囊封孔容易受鉆孔施工質(zhì)量和自身重力的影響。在實際測定過程中，鉆孔的軸線呈拋物線形狀，而且測量管在自身重力作用下，必然下垂，此時，整個測壓系統(tǒng)的重量將主要由膠囊和測量儀的末端支撐。在膠囊內(nèi)部，測量管不同位置距孔壁的距離不同。在前端，距孔壁上部的距離較小，而距孔壁下部的距離較大。相反，在后端，距上孔壁上部的距離較大，而距孔壁下部的距離較小。這導(dǎo)致膠囊不能均勻膨脹，它與孔壁之間的應(yīng)力也不一樣大，距離越小，應(yīng)力越大。因此，膠囊的實際受力狀況為：在膠囊前端，上部應(yīng)力較大，下部應(yīng)力較??；在膠囊后端，下部應(yīng)力較大，上部應(yīng)力較小。膠囊與孔壁之間應(yīng)力分布的不均勻性，必然導(dǎo)致瓦斯有可能從膠囊前端下部經(jīng)它的后端上部泄漏，大大降低測定結(jié)果的準確性；而且，它會隨著鉆孔深度的增大更加顯著[4-7]。

2 注漿封堵及材料配置

針對膠囊和粘液封孔瓦斯壓力測定存在的問題，為消除巷道圍巖松動圈和膠囊膨脹不均勻?qū)︺@孔密閉性的影響，對注漿封堵材料進行了改進。注漿封堵材料包括注漿封孔材料和瓦斯壓力測孔的封孔材料，兩種材料主要依據(jù)余吾煤業(yè)松動圈測定分析情況進行選擇，兩種材料的配比如下。

圖1 測壓管路實際受力分析圖

2.1 巷道圍巖注漿加固材料

1) 單一漿液材料：采用水泥單液漿，水泥采用425號普通硅酸鹽水泥，水泥和水的配比一般為：1.2∶1～1.5∶1，初步選定水泥和水的重要比為1.4∶1.

2) 復(fù)合漿液材料：采用水泥和粉煤灰混合漿液，采用425號普通硅酸鹽水泥和一級粉煤灰混合，固相材料和水的配比(灰水比)一般為1.2∶1～1.5∶1，水泥∶粉煤灰(固相比)=1∶9～5∶5，初步選定灰水比1.4∶1，固相比3∶7.

2.2 瓦斯壓力測孔封堵材料

傳統(tǒng)瓦斯壓力測孔密封材料為膨潤土+乳化液(或水)，其體積比為1∶10(即1份膨潤土+10份乳化液或水)。實踐證明：這種配比在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)注漿管堵塞的問題。因此，本次采用的膨潤土+乳化液(或水)的體積比為1∶12～1∶15，并且對密封材料中的固相進行改進，加入活性材料，提高材料的溶解性能，盡可能地避免注漿管堵塞的問題。

3 注漿封堵工藝改進

3.1 消除巷道圍巖松動圈的影響

煤層巷道開挖之后形成較大的松動破壞圈即破碎區(qū)是難以避免的，這也是煤層巷道測定瓦斯壓力的最大難題，本次研究中采用兩次注漿法對鉆孔周邊的圍巖進行加固以保證鉆孔的密閉性。

1) 在進行瓦斯壓力測定之前，事先在測孔周邊用注漿錨桿進行注漿加固，如圖2所示。注漿加固材料采用水泥+水玻璃混合液。

圖2 注漿加固示意

2) 在測孔注漿加固之后，在瓦斯壓力測孔施工之前，先施工1個直徑為130 mm的大孔再次加固，如圖2所示。注漿加固材料采用水泥+水玻璃混合液。兩次加固的目的是為了消除或降低煤層巷道圍巖破碎區(qū)較大的影響，以便下一步施工瓦斯壓力測孔時，形成類似于巖層圍巖的施工條件，確保封孔的質(zhì)量[8-10]。

3.2 消除膠囊受力不均勻的影響

由于現(xiàn)場施工鉆孔較長，在鉆機擺動過程中，很難保證鉆孔100%平直，再加上上述對膠囊實際受力的分析，以及膠囊膨脹之后形成的邊界收縮效應(yīng)，膠囊實際封孔長度(不足70%)遠小于膠囊原長度。為了消除這一影響，第一，將內(nèi)外兩根膠囊加長1倍；第二，將內(nèi)外膠囊改為兩根膠囊串聯(lián)，即內(nèi)部兩根串聯(lián)，外部兩根串聯(lián)。鉆孔安裝施工示意如圖3所示。

圖3 鉆孔安裝施工示意

3.3 測量儀表改進

現(xiàn)有瓦斯壓力測讀末端采用的是機械壓力表，這種壓力表一是測量精度不夠(0.1 MPa)，二是不能及時捕捉和存儲瓦斯壓力變化的全過程，尤其是不能捕捉和存儲測試過程中的最大瓦斯壓力。因此，有必要對瓦斯壓力測試末端的瓦斯壓力表進行改進，圖4為原始瓦斯壓力測量末端，圖5為改進之后的測量末端。

圖4 原始瓦斯壓力測量末端

4 封孔步驟

1) 在打鉆期間，完成壓力粘液的配制，并放入粘液罐中。壓力粘液為膨潤土+乳化液(或水)，其體積比為根據(jù)封堵材料優(yōu)化配比實驗的結(jié)果確定。若密封粘液使用三相泡沫，可先將泡沫粉放入膠囊之間的護管，然后使用手壓泵打水或乳化液。

圖5 改進之后瓦斯壓力測量末端

2) 將封孔器放入鉆孔內(nèi)的預(yù)定位置后，為避免危險，先暫時打開瓦斯補氣口處的開關(guān)，排放瓦斯，然后利用手動式乳化液泵將乳化液壓力加至1.5 MPa，檢查膠囊是否膨脹并封住鉆孔。檢查時可用力拉護管，觀察是否松動。如松動，說明膠囊未膨脹，應(yīng)先放出乳化液卸壓，然后檢查管路是否發(fā)生阻塞，并及時排除，確保膠囊及管路通暢之后方可使用[11-14]。

3) 封孔器安裝完畢后，通過護管將封孔器固定在專用的立柱上，以防測壓時封孔器突然拋出。膠囊膨脹封住鉆孔后，打開氮氣瓶總開關(guān)和粘液罐高壓截止閥開關(guān)。為了快速讓粘液密封腔充滿粘液，先將氮氣瓶減壓表的壓力調(diào)到0.8～1.0 MPa，當粘液密封腔充滿粘液后，再將氮氣瓶減壓表的壓力暫時調(diào)到0.2～0.3 MPa，封堵膠囊周邊鉆孔裂隙。

4) 關(guān)閉瓦斯補氣口處的開關(guān)，觀察瓦斯壓力表上的變化。測壓期間要定時觀察和記錄瓦斯壓力、乳化液壓力和粘液壓力。如乳化液壓力或粘液壓力下降，應(yīng)及時補壓，保證乳化液壓力高于瓦斯壓力1.5 MPa，粘液壓力高于瓦斯壓力0.2～0.3 MPa.

5) 如果瓦斯壓力連續(xù)24 h沒有變化，則可認為這個穩(wěn)定的壓力就是煤層瓦斯壓力。

5 現(xiàn)場試驗

余吾煤業(yè)主要開采3號煤層，其中N1202工作面作為本次實驗工作面，位于北一采區(qū)N1201與N1203工作面之間，工作面主巷道為N1202膠順、回順、切眼、高抽巷，回采長度890 m，切眼長度294.6 m.煤層底板等高線+420～+440 m，巷道走勢平緩，最大坡度為±4.3°.在該工作面分別施工3組瓦斯壓力測試鉆孔，不同組鉆孔之間距離為50 m；同組內(nèi)施工2個瓦斯壓力測試鉆孔，鉆孔間距5 m.同一組內(nèi)的2個鉆孔均采用不同封孔工藝，1個采用原有工藝測試、另一個采用新工藝測試。具體參數(shù)及測試結(jié)果見表1.

表1 測壓鉆孔參數(shù)

為檢驗圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)所測煤層瓦斯壓力的準確性，在每組均施工2個鉆孔，每個鉆孔各采用一種不同封孔工藝分別進行測壓。比較表1中的瓦斯壓力測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),采用原有工藝進行封孔的瓦斯壓力測試鉆孔，其測壓結(jié)果要遠小于采用新型封孔工藝的瓦斯壓力測試鉆孔。本次測試中，同組鉆孔的間距為5 m，測壓結(jié)果應(yīng)該基本一致，但實際測試中，由于采用不同的封孔工藝，導(dǎo)致采用原有工藝的鉆孔壓力測試值要明顯小于采用新工藝的測試值，說明采用新工藝的鉆孔的測壓值更加準確。同時，本次施工的3組鉆孔組間距離為50 m，而該工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，煤層標高和埋深變化較小，瓦斯賦存均勻。因此，各組鉆孔的測壓數(shù)據(jù)應(yīng)該較為接近。然而3組鉆孔中，原有工藝鉆孔的測試值為0.14～0.31 MPa，波動較大；新工藝鉆孔的測試值為0.47～0.52 MPa，基本保持一致。這進一步說明，采用圍巖裂隙注漿封堵技術(shù)所測煤層瓦斯壓力更加準確。

6 結(jié) 語

1) 針對本研究的具體情況，通過實驗配制了新型注漿封孔材料和瓦斯壓力測孔封孔材料，配置的新型注漿封堵材料有效地滿足了復(fù)雜地質(zhì)條件下的封孔技術(shù)要求。

2) 通過使用新型注漿封孔材料，對巷道圍巖松動圈的破碎巖體進行注漿固結(jié)，有效地封堵了測壓鉆孔與圍巖裂隙的溝通。

3) 通過使用新型瓦斯壓力測孔封孔材料和加長的膠囊，消除了膠囊受力不均勻變形的問題，保證了膠囊在煤巖層中能夠有效封堵裂隙。

4) 通過改進原始瓦斯壓力測量儀器，大大提升了瓦斯壓力的測量精度，及時捕捉和存儲測試過程中的最大瓦斯壓力，保證所了測煤層瓦斯壓力的精確性。