带压注浆封孔工艺在测定煤层瓦斯压力中的应用

公衍伟，解庆雪，邓素华

(1.贵州省煤矿设计研究院，贵州贵阳550000;2.贵州省矿山安全科学研究院，贵州贵阳550000)

煤层瓦斯压力作为矿井中煤层瓦斯的基本参数，不仅决定着煤层瓦斯含量与涌出量的大小，同时也是预报煤与瓦斯突出危险性的主要参数之一，其大小直接影响着以此为依据而制定的瓦斯防治措施的有效性与经济性。因此，对其进行准确测定，具有重要意义［1］。

1 煤层瓦斯压力测定方法

1.1 测定方法介绍

以往科研工作者在煤与瓦斯突出预测方面做了大量的工作，尤其在煤层瓦斯压力测定方面，对封孔工艺进行了大量的研究，并付诸于实际应用中。目前煤层瓦斯压力测定的主要测压方法有间接测压法和直接测压法。直接测压是指在煤层巷道或者岩层巷道向待测煤层打钻孔，利用封孔装置将钻孔封堵，通过瓦斯压力测量装置中的压力表读出瓦斯压力［2］。间接测压法就通过煤层瓦斯的一些特性，并结合现场实际情况推算出煤层瓦斯压力［3］。

直接测定法又分为黏土封孔、水泥砂浆封孔、胶圈黏液封孔以及胶囊黏液封孔等方法［4］。由于黏土封孔方法测定出的瓦斯压力存在很大的误差，因此，此方法已经很少用于瓦斯压力的测定。

间接法测定煤层瓦斯压力分为仪器监测法［5］和煤层瓦斯含量推算法［6］。仪器监测法是指对瓦斯压力进行数据采集，并将其转化为相应的信号，通过发射装置将信号发射出去，接收装置将接收到的信号进行处理得到相应的瓦斯压力值。瓦斯含量推算法是指通过现场实测的瓦斯量，结合实验室测得的煤层的相关参数进行推导计算出最终的煤层瓦斯压力。

1.2 各种封孔方法比较

每种封孔方法由于操作工艺的难易程度以及劳动强度的不同都有其适宜的封孔条件，煤层瓦斯压力测定工作者可以根据不同的瓦斯地质条件以及现场条件选择不同的测定瓦斯压力方法。

(1)黏土封孔 优点为简单易行，能够封堵各种倾角的钻孔;缺点为劳动强度大，很难掌握黏土的软硬，导致封孔效果不好，目前很少采用此方法进行测压。

(2)水泥砂浆封孔 优点为操作简单，水泥砂浆与钻孔裂隙有一定程度的结合，应用广泛;缺点为由于水泥砂浆不带有压力，水泥砂浆不能够很好的与钻孔中的裂隙进行有效地结合。

(3)胶圈黏液封孔 优点为密封瓦斯的性能得到提高，密封材料能够回收，从而可以进行多次煤层瓦斯压力的测定工作;缺点为胶圈的塑性不是很好，变形范围有限，不能很好地与钻孔孔壁接触，易漏气，操作相对较麻烦。

(4)胶囊黏液封孔 优点为胶囊能够与孔壁紧密接触，密封效果好，该方法能够有效地控制瓦斯测量室的大小，并能很快地使打钻破坏的煤层压力达到平衡;缺点为胶囊容易从钻孔中喷出，造成财产损失和人员受伤，在钻孔岩性不稳定的条件下，胶囊容易被卡在钻孔中。

(5)仪器监测法 优点为具有一定的创新性，封孔简单，对工人的技术要求降低，并可以远距离实时监控;缺点为由于井下的复杂条件可能会对信号传输产生一定的影响，从而产生一定的误差。

(6)瓦斯含量推算 优点为简单易操作，在很短的时间内便会计算出瓦斯压力值，通过推算得出的瓦斯压力值可以作为参考之用;缺点为在推算瓦斯压力值中，存在一定的误差。

在实际的煤层瓦斯压力测定过程中，应用最为广泛的煤层瓦斯压力测定方法为水泥砂浆封孔方法。传统的水泥砂浆封孔工艺为:把测压管送入孔内，送入几条黏土至挡板处轻轻捣实，把测压管固定，送入注浆管与检查管并在孔口用黏土与木楔固定住。用注浆机把调制好的水泥砂浆压入孔中，当检查管流出砂浆时，封孔作业终止。常规的水泥砂浆封孔工艺中水泥砂浆没有带上压力，当检查管中流浆液的时候就停止注浆，这样很容易造成水泥砂浆不能够很好地跟钻孔孔壁紧密结合，从而造成测压失败。

2 带压注浆封孔工艺

2.1 带压注浆封孔工艺过程

带压注浆封孔工艺是在传统的水泥砂浆封孔的基础上，通过注浆泵向钻孔的封孔段中注入高压水泥浆配液，将高压水泥浆配液压入到钻孔孔壁中的裂隙，图1为带压注浆封孔工艺示意。

图1 带压注浆封孔工艺示意

当钻孔施工结束之后，按照图1利用聚氨酯进行封孔，聚氨酯段长度为1～1.5m，当封孔结束后，将注浆机通过高压管连接至注浆管，连接好之后进行注浆，当注浆压力达到2.0MPa时，停止注浆，并将球阀关闭。10min左右，如果导气管内没有水泥浆流出，待水泥凝固后，可以将压力表连接上，否则封孔失败。

2.2 带压注浆封孔工艺封孔理论分析

带压注浆封孔工艺相对于传统的水泥砂浆法，最突出的特点就是在于水泥砂浆能够带上压力，对钻孔中的裂隙能够更好地进行封堵。图2所示为带压注浆封孔工艺理论模型。

图2 传统水泥砂浆工艺与带压注浆封孔工艺理论分析对比模型

传统的水泥砂浆封孔工艺为:当钻孔施工结束后，直接将水泥砂浆倒入到钻孔或者利用注浆机将水泥砂浆注入钻孔。从微观角度来讲，钻孔在施工过程中由于岩石不稳定，施工结束后钻孔的孔壁上会产生大量的裂隙，尤其是在岩石破碎带施工，在水泥砂浆与这些裂隙接触时，水泥砂浆本身具有一定的黏滞力以及水泥砂浆中的微小物体，都会阻碍水泥砂浆渗透到裂隙中，随着水泥砂浆的凝固，会在孔壁上面形成一层水泥砂浆的凝固层，阻碍了水泥砂浆与裂隙的结合［8］，如图2中的传统水泥砂浆封孔理论模型。高压瓦斯就会通过“气 (瓦斯)、液(水泥砂浆)、固(裂隙发育的孔壁)”交界面泄露到封孔装置外部。带压注浆封孔工艺将水泥砂浆带上压力，在聚氨酯封孔段之间的密闭空间，通过注浆机将带压力的水泥砂浆压入到裂隙中，使水泥砂浆更好地与钻孔孔壁上面的裂隙进行有效地结合，如图2中的带压注浆封孔工艺理论模型。

3 现场实际应用

3.1 钻场布置

现场试验选在贵州省某矿，对该煤矿的M14煤层进行现场测压。按照《防治煤与瓦斯突出规定》，分别在主石门布置2个测压钻场、在1113运输巷布置1个测压钻场。每个钻场分别施工2个穿层钻孔，其中一个测压钻孔用带压注浆封孔方法封孔，另一个用传统水泥砂浆封孔方法封孔［9］。图3为钻场布置平面图。

图3 瓦斯压力测定钻场布置平面

3.2 测压结果

经观测1号钻场的数据如图4所示。

图4 1号钻场瓦斯压力测定数据

经观测2号钻场的数据如图5所示。

图5 2号钻场瓦斯压力测定数据

经观测3号钻场的数据如图6所示:

图6 3号钻场瓦斯压力测定数据

从图4至图6中可以得出，带压注浆法的封孔效果比传统水泥砂浆法好，能够更好地有效封堵钻孔中的裂隙，更有利于瓦斯的封存，能够使测量瓦斯压力更快、更加接近煤层原始瓦斯压力，而且对于复杂地质条件下特别是岩石比较破碎的环境下的煤层瓦斯压力的测定具有更加明显的效果。

4 结论

(1)描述了不同测压封孔工艺的局限性以及适用条件，为不同的地质条件下选择相应的封孔方法提供了参考依据。

(2)通过对比研究及生产实践，在传统水泥砂浆封孔方法的基础上，提出了带压注浆法测定煤层瓦斯压力。这种方法不仅操作简单，而且测得的瓦斯压力更加地接近原始瓦斯压力。带压注浆法可适用于不同的地质条件下的瓦斯压力的测定，是值得推广使用的瓦斯压力测定方法。

(3)对于复杂地质条件，特别是在岩石不稳定的环境下进行煤层瓦斯压力测压工作，带压注浆封孔工艺具有更加明显的效果。

［1］卢鉴章，刘见中.煤矿灾害防治技术现状与发展［J］.煤炭科学技术，2006(5):1－2.

［2］郑万成，杨胜强，马 伟.影响煤层瓦斯压力测定的因素分析［J］.煤矿安全，2009(4):82－84.

［3］齐黎明，赵玉岐，王轶波，等.基于封孔前瓦斯损失量的测压结果修正分析［J］.煤炭学报，2007，32(1):60－63.

［4］俞启香.矿井瓦斯防治［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1992.

［5］周 辉，程念东.煤层瓦斯压力测定新技术［J］.现代商贸工业，2007(4):116.

［6］孟 燕，蒋曙光，邵 昊，等.煤层瓦斯压力测定方式及新的探索［J］.能源技术与管理，2009(6):63－65.

［7］公衍伟，蒋承林，吴爱军，等.浅议目前瓦斯压力测定方法的优缺点［J］.煤，2011(10):30－31.

［8］严宗毅.流体力学［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［9］国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.