聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压技术

陈学习，张 亮，毕瑞卿，张 凯，徐 永

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)



聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压技术

陈学习，张 亮，毕瑞卿，张 凯，徐 永

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

针对现有封孔测压方法聚氨酯堵头不能实现高压注浆，水泥砂浆封孔测压不适用于近水平钻孔，胶囊粘液测压成本高，不适用于瓦斯压力大于3.5 MPa等问题，提出聚氨酯-胶囊二次注浆封孔测压技术。推导出预注浆阶段有效封孔长度与钻孔倾角之间的函数关系，确定了近水平钻孔封孔长度，同时通过两个渗透扩散模型校验得到注浆扩散半径。在阳泉上社煤矿进行的现场应用中对比胶囊粘液测压技术，测压结果误差在2%以内；相对聚氨酯做堵头的带压注浆测压技术节约测压时间16 h，实现了准确快速测压。

二次注浆；封孔长度；注浆扩散半径；快速测压

0 引言

煤层瓦斯压力是所有瓦斯治理工作的重要基础参数，准确测定煤层瓦斯压力对于研究煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯有效抽采半径、煤层突出危险性鉴定等方面具有十分重要的意义[1-4]。

煤矿井下现有封孔测压方法主要分为传统单一封孔技术与“两堵一注”技术[5-10]。传统单一封孔测压方法主要包括：以聚氨酯为代表的有机发泡剂封孔测压方法、水泥砂浆封孔测压方法。前者存在粘结强度较差——实验室条件下测得粘结强度仅为427.25 kPa[11]，又由于现场钻孔内壁存在不光滑、有钻屑等问题，导致聚氨酯与孔壁粘结强度更小，这会导致聚氨酯做孔口堵头时不可靠，容易发生孔口跑浆；即便孔口粘结密实，但在注浆浆液自重影响下，可实现带压注浆的压力较小，一般仅在2 MPa左右；同时聚氨酯反应速率过快，难以达到设计的封孔长度。水泥砂浆封孔测压方法存在后期凝固易出现干缩，在钻孔内壁形成贯通裂隙并与围岩松动圈相通，形成裂隙通道，导致钻孔瓦斯泄漏，特别在倾角较小的本煤层钻孔，注浆材料在钻孔上部会形成月牙空隙[12]，且其测压等待时间过长。“两堵一注”技术主要包括：聚氨酯等有机发泡剂做堵头的带压注浆技术、胶囊粘液封孔技术、二次开孔技术等。前者存在钻孔深部堵头不易送到位的问题，且由于粘结强度过小，聚氨酯做堵头带压注浆时压力较小；胶囊粘液封孔时存在成本高，且瓦斯压力大于3.5 MPa时会发生胶囊被顶出钻孔的问题[13,14]；二次开孔技术存在操作工艺复杂，测压等待时间过长的问题。

综上所述，为解决上述问题，以提高瓦斯压力测定的准确性，节约测压时间，降低测压成本，现提出一种新的瓦斯压力测定技术——聚氨酯-胶囊二次注浆封孔测压技术。

1 聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压方法

借鉴聚氨酯带压封孔、胶囊粘液封孔与二次封孔等测压方法，针对现场测压条件，增加封孔段长度，提出更加可靠、低成本、实现快速测压的聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压技术。

将聚氨酯作为孔口堵头。以更加可靠、能准确测压的测压段胶囊，代替聚氨酯带压注浆封孔工艺中钻孔深部的聚氨酯堵头，解决聚氨酯凝结速度过快，易出现达不到设计封孔深度的问题；且胶囊膨胀后可改善测压气室附近围岩受力状态，进而减少测压气室漏气通道。

预注浆采用掺加适量添加剂的高浓度水泥浆液，二次注浆采用浓度较小的水泥浆液。预注浆液快速凝固，形成较长的封孔段，具有较大的抗压强度及粘结强度。预注浆液凝固后，与聚氨酯形成更加可靠的可为二次高压注浆做准备的聚氨酯水泥复合耐高压堵头，克服聚氨酯与孔壁粘结强度较低的缺点，并实现对松动圈大裂隙快速封堵，充填、胶结钻孔壁与破碎煤体的孔隙及煤体凹凸面，封闭瓦斯通过钻孔逸散的主要通道。二次注浆浆液流动度大，有利于水泥浆液在高压下进入钻孔壁围岩微裂隙，进而劈裂扩展围岩微裂隙，增大渗透扩散半径，实现对钻孔围岩微裂隙及因预注浆阶段水泥干缩与围岩松动圈形成的微裂隙较好的封堵。

为了实现快速测压，采用主动式测压法进行煤层瓦斯压力测定，且补气压力尽可能接近煤层瓦斯压力。由于补气时二次注入的水泥浆液尚未凝固，测压气室周围微裂隙与注浆段钻孔周围微裂隙可能贯通，向测压气室充入的氮气可迫使未凝固的二次注浆浆液进一步密封微裂隙，反过来尚未凝固的二次注浆浆液作为液态物质，能更好的密封钻孔的瓦斯气体。该阶段注浆压力由现场需要确定，当围岩较破碎时，需要增加本阶段注浆压力进一步密实围岩裂隙，这就要求适当延长上阶段预注浆液凝固等待时间，以提高孔口聚氨酯水泥复合耐高压堵头的可靠性。

综上所述，上述两阶段均对孔口堵头影响较小，不会出现瓦斯压力结合水泥浆液自重将孔口堵头冲出的情况，故不必等待第二阶段水泥浆液凝固再安装压力表，可减少钻孔暴露时间，降低瓦斯逸散量，减小瓦斯卸压圈与瓦斯运移距离，加快瓦斯压力上升速率，节约大量测压时间，实现快速测压。该测压技术适用于本煤层钻孔与上向穿层钻孔，亦适用煤层瓦斯压力大于3.5 MPa的情况。

图1 聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压方法原理示意图

2 理论分析

影响钻孔密封的重要因素有封孔长度与注浆扩散半径。由于注浆过程分为两个阶段，预注浆过程中有效封孔长度对钻孔密封性起着至关重要的作用，它受一级返浆管与孔壁的位置关系、钻孔倾角共同影响。在二次注浆阶段，注浆扩散半径是考核钻孔密封程度好坏的重要指标，它受注浆压力等因素的影响。

2.1 预注浆阶段有效封孔长度的确定

将钻孔与四分管空间位置模型近似为如图所示，圆O为钻孔，圆O1、O2、O3分别为一级返浆四分管、预注浆四分管、连接胶囊的四分管，四分管直径为φ0，钻孔直径为φ，钻孔倾角为α。

图2 钻孔与四分管空间位置剖面图

在预注浆阶段，水泥浆液通过预注浆管注浆，一级返浆管返浆。由于水泥浆液受自重影响，预注浆阶段浆液在钻孔中的返浆端呈现水平分布，使得预注浆阶段有效封孔长度为，返浆端水泥浆液有效高度为AC。

在ΔOBO2中，令∠O2OB=θ

(1)

在ΔOO1O2中，由余弦定理得

(2)

sin2θ+cos2θ=1

(3)

得到：

(4)

AC=OC-OA=OC-OO1-O1A

(5)

令∠O2OB=θ，Δh=φ-AC,Δl=l1-l

图3 钻孔剖面图

(6)

(7)

上式反应了预注浆阶段有效封孔长度与钻孔倾角之前的函数关系，

对a求导得：

(8)

显然，(Δl)′，即因变量Δl是以α为自变量的减函数，

结合现场实际，钻孔为上向钻孔，倾角α大于1°，所以Δl最大值Δlmax为：

由此可见当钻孔倾角较小，为近水平钻孔时，Δl与倾角关系为负相关，倾角最小为1°时，Δl为3.12 m，所以可通过调节一级返浆管长度对预注浆有效封孔长度进行控制，使其满足要求。

预注浆阶段水泥浆液巷道卸压圈大裂隙快速封堵，封闭瓦斯通过钻孔逸散的主要通道，并形成更加可靠的聚氨酯水泥复合堵头，但该阶段水泥浆液流动度小，难以密封钻孔围岩微裂隙，因此，该阶段有效封孔长度并非越大越好，保证有效封孔长度大于巷道卸压圈半径即可。

(9)

预注浆阶段的有效封孔长度需满足l≥LP，LP为巷道卸压圈半径。

2.2 二次注浆阶段注浆扩散半径

水泥浆液在水灰比为0.8～1.0时，水泥复合浆液呈现典型宾汉体浆液性质，且验证了在水泥浆液扩散模型中，流型不随时间的变化而变化[15,16]。将水泥浆液在钻孔中的带压渗透扩散理想为典型宾汉流体浆液的柱—半球形渗透注浆模型[17]。

(10)

为了确保所取的注浆压力满足扩散半径的要求，将式(10)所得的注浆压力代入式(11)进行校验[18]。

(11)

如果式(11)得到的浆液扩散半径大于式(10)的，则认为得到的注浆扩散半径满足要求。现场应用时为保证注浆扩散半径达到要求，需结合(10)(11)两式进行压力校验。

3 操作步骤

直接施工φ75 mm的测压钻孔，本煤层倾角2°～4°，方位角保证钻孔垂直巷帮；穿层钻孔倾角结合现场条件保证岩孔长度20 m以上即可，方位角保证钻孔垂直巷帮。待胶囊进入钻孔的深度满足孔口预留聚氨酯封孔长度时，停止送入胶囊，然后将长5 m的预注浆四分管送入钻孔，将略大于测压点所在巷道松动圈长度的一级返浆四分管送入钻孔，使得送入胶囊四分管、预注浆四分管与一级返浆四分管都露出钻孔4 m。将露出钻孔的四分管用铁丝固定，保证预注浆四分管与连接胶囊的四分管在下部，一级返浆四分管靠上部，最终要求聚氨酯孔口堵头长度3.5 m。

完成聚氨酯堵头封孔操作后，向胶囊加压注水，将胶囊加压稳定至6 MPa时停止打水，待聚氨酯反应结束凝固硬化后，通过预注浆四分管像钻孔注入浓度较高的水泥浆液。水泥浆液采用高标号水泥，水灰比为1 ∶0.75，添加5%速凝剂与适量膨胀剂。

注浆方式采用循环式注浆法，保证注入浆液大于圈裂隙吸浆量，使得一级返浆四分管回流出浆液时返回搅拌桶，循环周期20 min，循环式预注浆结束后关闭预注浆四分管与一级返浆四分管的球阀。等待6 h水泥浆液凝固产生一定早期强度后，从送入胶囊的四分管注浓度较小的浆液，浆液由三通进入钻孔上部空间。二次注浆水泥浆液仍采用高标号水泥，水灰比为1 ∶1，添加适量膨胀剂。待注浆压力达到4～6MPa后，采用纯压式脉动注浆，脉动周期为注浆2min、停0.5min，脉动注浆15min后使得注浆压力稳定在6MPa左右时结束注浆工作。最后，通过事先连接完成的测压三通，向测压气室注入接近煤层瓦斯压力的氮气，实现快速测压。

4 应用

结合以上理论分析，为了验证聚氨酯-胶囊二次注浆封孔测压技术的效果，在阳泉上社煤矿瓦斯突出鉴定时进行实验考察验证。分别在15#回风，15108第一进风，15105高抽巷布置测点，每个测点布置三个钻孔，钻孔之间相距30 m。其中15#回风与15108第一进风测点钻孔为本煤层钻孔，15105高抽巷测点钻孔为穿层钻孔。采用聚氨酯做堵头带压注浆封孔测压，胶囊粘液封孔测压、聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压。ABC分别表示聚氨酯做堵头带压注浆封孔测压，胶囊粘液封孔测压，聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压。

表1 15#回风测压钻孔参数

孔号倾角/°方位角/°钻孔长度/m封孔深度/m1A39032301B39032301C3903230

图4 15#回风测压钻孔瓦斯压力

表2 15108第一进风测压钻孔参数

图5 15108第一进风测压钻孔瓦斯压力

表3 15105高抽巷测压钻孔参数

图6 15105高抽巷测压钻孔瓦斯压力

测压过程表明，聚氨酯做堵头带压注浆封孔测压技术存在一定缺陷，聚氨酯反应过快，送入钻孔较深位置较困难。又由于聚氨酯本身性质及现场钻孔实际情况，聚氨酯与钻孔内壁黏结强度不够大，易出现孔口堵头不可靠的情况。上述测压结果表明，聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压方法与胶囊粘液封孔测压方法结果相近，测压结果误差在2%以内，表明该新型测压技术是可靠的。且在现场中该新型测压方法还能适用于瓦斯压力大于3.5 MPa的情况，克服了胶囊粘液封孔测压方法的局限性。整个测压时间较端，可以实现快速测压，比起传统聚氨酯做堵头的“两堵一注”技术更加可靠，结果更加精确，且测压时间减少16 h左右。测压工艺比二次开孔工艺简单，且可节约大量时间。水泥复合浆液干缩量较小，又二阶段所注水泥复合浆液浓度较低且含有膨胀剂补偿干缩量，水泥复合浆液仍具有一定的膨胀性，测压效果良好。

5 结论

(1) 提出聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压方法，该改善传统单一封孔工艺与“两堵一注”技术，提高测定煤层瓦斯压力的可靠性，尤其适用于本煤层钻孔与上向穿层钻孔。

(2) 通过理论分析，推导出预注浆阶段有效封孔长度与倾角之间的函数关系，确定了近水平钻孔封孔长度；通过黏度时变性宾汉体浆液的柱—半球形渗透注浆模型，得到浆液扩散半径，并结合注浆孔与被注岩层夹角及浆液黏度时变性的渗透注浆模型进行注浆压力校验，确定注浆扩散半径。

(3) 通过现场对比试验验证了新型聚氨酯—胶囊二次注浆封孔测压方法的可靠性，对比胶囊粘液测压技术，测压结果误差在2%以内；比起传统聚氨酯做堵头的“两堵一注”技术结果更加准确，且测压时间减少16 h左右，实现快速封孔；克服胶囊粘液测压不适用于瓦斯压力大于3.5 MPa的情况。

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A pressure measurement technology by secondary grouting sealing of polyurethane and capsule

CHEN Xue-xi, ZHANG Liang, BI Rui-qing, ZHANG Kai, XU Yong

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

The existing pressure measurement method for sealing has some problems, such as the polyurethane plug cannot achieve high pressure grouting, cement mortar sealing does not apply to approximately horizontal drilling, pressure measurement method by sealing of capsule and mucus does cost more and not apply to the high gas pressure which is greater than 3.5 MPa. According to these problems, a pressure measurement technology by secondary grouting sealing of polyurethane and capsule was put forward. In this article, the function relationship between the effective sealing length and drilling inclination angle at pre-grouting was derived, and the sealing length of the approximately horizontal drilling was determined. Besides, the grouting diffusion radius was obtained by the verification of two diffusion models. In the field application of Shangshe Coal Mine in Yangquan, compared with pressure measurement technology by sealing of capsule and mucus, the pressure measurement result error of this technology is within 2%; And compared with pressure measurement technology of pressure grouting sealing by polyurethane plug, this technology can save 16 hours of pressure measurement time. It can realize accurate and rapid pressure measurement.

secondary grouting; sealing length; grouting diffusion radius; rapid pressure measurement

2016-01-15

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015020，3142014106，3142014110)

陈学习(1972-)，男，江苏邳州人,博士，教授，华北科技学院安全工程学院副院长，主要从事煤矿瓦斯治理方向研究。E-mail: xuexichen1210@163.com

TD712

A

1672-7169(2016)02-0001-06