下行超深钻孔快速测定煤层瓦斯压力技术＊

蒋承林 王智立 崔正中 李晓伟

（1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；3.中煤平朔集团有限责任公司井工二矿，山西省朔州市，036006）

下行超深钻孔快速测定煤层瓦斯压力技术＊

蒋承林1，2王智立2崔正中3李晓伟1，2

（1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；3.中煤平朔集团有限责任公司井工二矿，山西省朔州市，036006）

通过对下行孔测压的封孔方式分析研究，研制出一套用于下行超深钻孔测压的瓦斯压力测定仪。分析了下行孔测压仪的结构组成、工作原理，在实验室对密封装置的各个部件进行检漏试验，证明了该封孔装置具有良好的密封效果。在花秋二矿采用下行孔测压仪进行了煤层瓦斯压力测定研究，提出一种采用高压注浆结合下行孔测压仪的技术方法。

瓦斯压力测定 下行超深钻孔 下行孔测压仪 高压注浆

目前，测定煤层瓦斯压力最主要的方法是通过在井下施工测压钻孔来完成瓦斯压力测定，但是测压钻孔的施工和密封受多种因素的影响，其中下行钻孔特别是下行超深钻孔成孔质量和封孔效果难以保证，从而导致测压成功率较低。现场尽可能采用成孔率较高的上向孔，但由于巷道布置或影响生产等原因，有时不具备上行孔测压的条件，因此研究在下行超深钻孔条件下快速测定煤层瓦斯压力技术是十分必要的。

1 下行孔测定煤层瓦斯压力技术现状

目前国内外在下行孔封孔中常用水泥砂浆封孔法、胶囊压力粘液封孔器法和高压注浆-胶囊压力粘液封孔器法。一般情况下，水泥砂浆封孔方法主要针对煤层周围没有地质构造、岩层稳定且无淋水的情况，其适用性强、成本低、操作简单、封孔深度长、密封性好，在下行孔封孔中应用广泛。但该方法存在应用的局限性：在复杂地质条件下难以完全封堵钻孔周边岩体裂隙，密封性达不到要求，测出的瓦斯压力值往往低于真实的煤体瓦斯压力；在下行孔封孔中，尤其是在下行超深孔封孔过程中，水泥浆液和水在重力作用下，容易流入测压室，堵塞花眼，造成测压失败；注入水泥浆后，必须要等到水泥浆液充分凝固后才能安装压力表，增加了钻孔的暴露时间及瓦斯泄漏量，势必会增加瓦斯压力上升的平衡时间。

胶囊压力黏液封孔器测压法在坚硬且致密的岩石里测瓦斯压力效果比较好，封孔器可以重复使用。缺点是该封孔器操作较为复杂，若操作不当容易从钻孔中推出伤人，具有一定的危险性；在松软岩层或煤层测压时容易出现塌孔，胶囊会被埋入钻孔中，回收困难，从而导致测压成本增加；随着封孔深度的增加，无法保证设备和测压人员的安全性，因此该测压法并不适用于复杂地质条件下的下行超深孔封孔。

高压注浆—胶囊压力粘液封孔器测压法经过高压注浆处理岩层后，适用于各种复杂地质条件下的快速测压，但是在超深孔测压中，由于其封孔深度小，造成测压室过大，导致瓦斯压力上升的平衡时间过长。

2 下行孔测压仪的研制及密封性检测

2.1 下行孔测压仪的结构及工作原理

本文研制的下行孔测压仪是由ZF-A45膨胀胶囊、无缝钢管、前端接头及后端接头等组成，其结构如图1所示。

图1 测压仪结构图

该测压仪工作原理是将测压封孔装置经连接的四分管放置在钻孔底部 （留有1 m左右的测压室），利用压水泵将水压入可膨胀胶囊中，使得胶囊膨胀封住钻孔，膨胀了的胶囊将测压孔阻隔为测压室和封孔段两部分，然后往钻孔内灌满水泥浆液，接上压力表，即完成封孔。下行孔测压仪测压原理如图2所示。

2.2 测压仪密封性效果检测

测压仪在测压中的作用是注水膨胀后与钻孔壁贴紧，一方面阻止瓦斯通过裂隙向外界泄漏，另一方面是阻止灌入的水泥浆液流入测压室。向胶囊内部注入高压水 （高压水的作用是使其膨胀），注入的高压水在胶囊和无缝钢管之间不发生泄漏，为了达到密封压力水的要求，在后部接头里面加了O型密封圈，前端接头与无缝钢管和ZF-A45膨胀胶囊连接时缠上生料带，这样就堵死了高压水在测压仪内的泄漏通道，保证了测压仪的膨胀性一直保持不变，直至水泥浆液凝固。

图2 下行孔测压仪测压原理图

因胶囊与钢管的湿摩擦系数小于胶囊与岩层钻孔的湿摩擦系数，所以可以用钢管模拟现场的岩层钻孔，根据现场情况注水压力在3～5 MPa，因此在试验室进行测压仪端头的密实性试验时，保证测压仪内的水压不小于5～8 MPa。测压仪膨胀后不仅可以完全密封钻孔，而且阻止水泥浆液流入测压室。试验室的检漏结果证明，下行孔测压仪各个部件具有很好的密实性，完全能够符合现场使用的要求。

3 新技术在花秋二矿的应用试验

3.1 测压钻孔设计

根据花秋二矿目前的巷道情况和井下施工条件，将1＃、2＃测压钻孔布置在550水平西大巷掘进头，3＃、4＃测压钻孔布置在550水平东大巷上山掘进头，其中1＃、2＃测压孔完成对比试验一，比较下行孔测压仪与胶囊—压力粘液封孔器在下行超深钻孔测压中的测压效果；3＃、4＃测压孔完成对比试验二，比较下行孔测压仪与水泥砂浆封孔法在下行超深钻孔测压中的测压效果。钻孔设计参数见表1。

表1 花秋二矿16＃煤层1＃～4＃钻孔设计参数表

3.2 下行孔测压仪测压

3.2.1 钻孔高压注浆——注浆封孔器法

目前通常使用孔口管来封堵高压水泥浆液进行钻孔高压注浆，但固定孔口管操作工序复杂，耽误工程进度，也存在很多不安全因素。本试验采用注浆封孔器进行钻孔高压注浆。

用直径75 mm的钻头按照符合设计要求的钻孔参数开钻打孔，见煤立即停钻，压风清孔，清除孔内积留的水；将封孔器放入打好的钻孔，封孔器的胶囊放入孔内即可，接好压水泵，往胶囊注入高压水，使之膨胀密封住钻孔，待稳定10 min后关掉压水泵的泄压阀；连接注浆泵和封孔器后端的钢管，高压注入准备好的水泥浆液 （水泥浆配比为水∶水泥=0.75∶1）；待注浆压力达到12 MPa后，停止注浆 （停止注浆后，单向阀的作用可以阻止注入钻孔内的高压水泥浆液回流到注浆管路），冲洗注浆机注浆管路；注浆过程中要派专人观察注浆压力，以防压力过高；待浆液达到半凝固状态时，将封孔器拔出 （只有当浆液是半凝固状态时才可以拔出注浆封孔器，过早拔出，浆液没有达到半凝固状态，在高压下容易流出，影响注浆效果；过晚拔出，浆液充分凝固，注浆封孔器难以拔出）；最后冲洗注浆封孔器表面以及钢管内部和单向阀，避免水泥浆液凝固堵塞而影响下次使用。

3.2.2 测压仪封孔步骤

（1）沿上述高压注浆孔施工，直到见煤并钻入煤层中约0.8 m停止，不要入煤层太深，这样可以减少打钻期间的瓦斯泄漏量。

（2）测压钻孔打好后换压风进行清孔，将测压仪放入钻孔中指定位置。

（3）将下行孔测压仪连接好水管和四分管，放入钻孔中，直到接近煤层位置，瓦斯室长度保持在1～2 m。

（4）将连接测压仪的水管接上水压泵，向测压仪中注入压力水，使胶囊膨胀密封钻孔，稳定一段时间后向钻孔中倒入提前准备好的水泥浆液，直到注满整个钻孔，水泥浆完全凝固后可关闭连接水管和水泵的单向阀，撤去水泵。

（5）安装好压力表，观察数据，稳定后即可得出煤层瓦斯压力。

3.3 测压结果分析

1＃、2＃钻孔瓦斯压力变化曲线如图3所示，3＃、4＃钻孔瓦斯压力变化曲线如图4所示。通过在花秋二矿完成的两组对比试验，结合瓦斯压力数据和对应的变化曲线，以及以往现场使用胶囊-压力粘液封孔器和水泥砂浆封孔法测定煤层瓦斯压力的经验，主要从安全性、密封性、可靠性来分析下行孔测压仪在下行超深钻孔测压中的应用情况。

3.3.1 安全性

（1）设备方面。由于下行孔测压仪是一次性的，测压结束后不用回收测压仪。使用胶囊-压力粘液封孔器封孔，往往设备卡在钻孔中，无法回收，尤其是在下行孔测压时，回收更加困难。

（2）人员方面。使用胶囊-压力粘液封孔器封孔，测压结束后，如测压人员回收测压设备不当，容易被测压室内积聚的高压瓦斯冲出的封孔器打伤，而使用下行孔测压仪，排除了以往测压人员在回收封孔器时存在的安全隐患。

图3 1＃、2＃钻孔瓦斯压力变化曲线

3.3.2 密封性

（1）一次密封。下行孔测压仪深入到待测煤层后，通过连接测压仪的水管向胶囊注水，胶囊膨胀密封钻孔后即可安装压力表，而不必等到水泥浆液凝固，减少钻孔暴露时间，缩短瓦斯压力平衡时间，提高测压速率。从对比试验二可以看出，使用水泥砂浆封孔法要等到水泥砂浆凝固后才可以安装压力表，增加了瓦斯压力的平衡时间。

图4 3＃、4＃钻孔瓦斯压力变化曲线

（2）二次密封。待胶囊膨胀后，向仪器后端的钻孔中倒满水泥浆，水泥浆凝固后二次密封钻孔。

3.3.3 可靠性

使用胶囊-压力粘液封孔器测压需要在测压期间维持胶囊水压和粘液压力来保证封孔效果。而使用下行孔测压仪测压在水泥浆液凝固后，就不再需要维持测压仪的水压，靠水泥浆液就可密封钻孔，避免了胶囊压力和粘液压力下降导致测压室与外界贯通从而导致测压失败的可能性，提高了测压系统的可靠性。

下行孔测压仪方法使用膨胀胶囊隔离测压室，成功率高，而在水泥砂浆封孔法中，靠挡板和棉絮来分隔水泥浆液，操作复杂，成功率低。

4 结论

（1）提出在复杂地质条件下测压，必须用高压注浆进行地层处理，以此来改善钻孔围岩环境，研制了新型注浆封孔器。

（2）分析了下行孔测压仪的结构组成、工作原理，通过试验对密封装置的各个部件进行检漏试验，证明了该封孔装置具有良好的密封效果。

（3）下行孔测压仪、胶囊-压力粘液封孔器以及水泥砂浆封孔法3种不同封孔方法在花秋二矿进行煤层瓦斯压力测定表明，下行孔测压仪在下行超深钻孔测压中，封孔方便，操作简单，提高了整体效率和测压准确性，从安全性、密封性、可靠性的角度都值得推广使用。

［1］孟凡龙，蒋承林等 .煤层瓦斯测压中注浆封堵钻孔围岩裂隙的分析 ［J］.煤矿安全，2010（1）

［2］高亚斌，林柏泉等 .新型耐高压钻孔密封方法试验研究 ［J］.中国煤炭，2013（2）

［3］王法凯，蒋承林等 .围岩含水条件下快速测压工艺［J］.煤矿现代化，2010 （2）

［4］赵志法，张庆华等 .下向穿松软煤层涌水钻孔测压技术研究 ［J］.矿业安全与环保，2008（5）

［5］俞启香 .矿井瓦斯防治 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1993

［6］翟果红，蒋承林等 .基于高压注浆与胶囊压力黏液封孔技术的瓦斯测压 ［J］.煤炭科学技术，2010（5）

［7］黄旭超，何清等 .复杂地质条件下测压钻孔的几种封孔工艺 ［J］.能源技术及管理，2009（1）

Fast gas measuring technique for downward ultra deep boreholes

Jiang Chenglin1，2，Wang Zhili2，Cui Zhengzhong3，Li Xiaowei1，2
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.No.2 Mine，China Coal Pingshuo Group Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036006，China）

On the basis of research on downward borehole sealing for pressure measurement，a set of gas pressure instrument suitable for downward ultra deep boreholes was developed.Its structural composition and operating principle were analyzed.It is proved that the sealing device possesses good sealing effect after leak tests for different parts.This pressure instrument for downward boreholes was applied to Huaqiu Second Mine to measure the coal seam gas pressure.Meanwhile，the gas measuring technique combined with pressure instrument for downward borehole and grouting under high pressure was proposed.

measurement of gas pressure，downward ultra deep boreholes，piezometer for downward boreholes，grouting under high pressure

TD712.55

A

中国矿业大学青年科技基金资助项目（2009A004）

蒋承林 （1956-），男，安徽黄山市人，中国矿业大学教授，博士生导师，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究工作。

（责任编辑 张艳华）