穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺探讨

耿延辉

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆市沙坪坝区,400037; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市沙坪坝区,400037)

穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺探讨

耿延辉1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆市沙坪坝区,400037; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市沙坪坝区,400037)

针对某矿穿松软高突煤层常规封孔测压过程中出现的问题,分析了影响封孔质量的因素,提出了采用一次开孔—带压注浆—二次开孔的封孔工艺。通过现场试验,有效地封堵了过松软高突煤层的高压力瓦斯及围岩裂隙,提高了测压钻孔的封孔质量,成功解决了过松软高突煤层的瓦斯压力测定问题。

松软高突煤层 测压钻孔 封孔质量 瓦斯压力测定 影响因素

煤层瓦斯压力是进行煤与瓦斯突出危险性鉴定的主要参数之一,其测定结果的准确性直接影响着鉴定结果及后续防突措施的经济合理性。要保障测压结果的准确性,测压钻孔的封孔技术工艺是关键。松软高突煤层地应力大、瓦斯压力大、煤层松软,打钻过程中容易发生垮孔、卡钻、喷孔;穿松软高突煤层测压时,由于突出煤层瓦斯压力较大,在层间距较小、封孔效果差时,高压力瓦斯通过孔壁围岩裂隙及封孔材料凝固过程中向测压煤层串流,致使封孔材料在凝固过程中产生瓦斯流动的通道,影响煤层的瓦斯压力测定结果,导致测压失败。因此,研究穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺尤为重要,对准确测定煤层瓦斯压力具有现实意义。

1 工程概况

某矿井主采的三1煤层为突出煤层,三1煤层厚度为0.85～16.34 m,平均厚4.52 m,煤层倾角平均为30°。煤层顶板为砂质泥岩及细～中粒砂岩;底板为砂质泥岩及细～中粒砂岩,局部有泥岩。三1煤层瓦斯含量为0.85～13.69 m3/t,平均11.60 m3/t,瓦斯压力为0.3～3.4 MPa,透气性系数为0.0187 m2/MPa2·d,煤层坚固性系数为0.15～0.2,属松软高突煤层。其上部的三2煤层作为保护层进行开采,两煤层层间距平均为15 m,三2煤层平均厚度为0.8 m,平均倾角为30°。因三2煤层原始瓦斯压力测定要求,需在矿井的＋20 m水平底板岩巷施工穿过三1煤层上向钻孔测定三2煤层的瓦斯压力。该矿采用常规的测压方法测得1＃钻孔三2煤层瓦斯压力为2.9 MPa,这与该煤层采掘过程中的瓦斯涌出及钻孔施工实测瓦斯浓度情况严重不符,分析认为三1煤层为松软高突煤层,煤层瓦斯压力较大,两层煤的层间距较小,采用常规的封孔技术工艺封孔质量较差,很难封堵三1煤层的高压力瓦斯,高压力瓦斯在封孔材料凝固过程中向测压煤层串流,影响煤层的瓦斯压力测定结果,导致测压失败。

2 影响封孔质量因素分析

2.1 钻孔围岩特征

钻孔围岩的岩性特征直接影响着钻孔的封孔质量。穿松软、高突煤层的钻孔,由于围岩结构强度较低、地应力大、瓦斯压力较大,钻孔施工过程中容易发生喷孔,采用常规的封孔工艺技术封孔,封孔效果差时,高压力瓦斯通过孔壁围岩裂隙及在封孔材料凝固过程中向测压煤层串流,致使封孔材料凝固过程中产生瓦斯流动的通道,影响封孔质量;在高地应力作用下,围岩强度较弱的钻孔在蠕变作用下不断有裂隙产生,导致此封孔段出现高压瓦斯串流的通道,影响煤层的瓦斯压力测定结果,导致测压失败。

2.2 封孔技术工艺

封孔技术工艺是影响封孔质量的关键因素。煤层瓦斯压力测定常用的封孔方法有胶囊(胶圈)－密封粘液测压法封孔工艺及注浆封孔测压法封孔工艺。注浆封孔工艺操作简单,目前得到了广泛应用。常规的上向孔注浆封孔工艺是将测压管下放至预定测压煤层深度,并下放一根较短的注浆管,孔口用聚氨酯材料或者速凝水泥进行封堵,确保注浆液不发生外漏,待测压管返桨后停止注浆,此时封孔工作结束。对于穿松软高突煤层的测压钻孔的封孔工作,钻孔一次性施工完成后,采用常规的注浆封孔工艺很难封堵过煤段的高压瓦斯及蠕变产生的裂隙,在过煤段的孔壁周围煤岩体中形成了高压瓦斯串流的通道,影响测压钻孔的封孔质量,常规封孔工艺封孔效果如图1所示。

图1 常规封孔工艺

2.3 封孔深度

保证测压钻孔有足够的封孔深度是提高封孔质量的保障。巷道开挖后,在采动作用影响下,在巷道围岩中由浅到深形成塑性破坏区(卸压圈)、应力集中区、原岩应力区,在塑性破坏区域,巷道围岩裂隙发育,应力降低,瓦斯压力得到释放;为保障测压钻孔封孔质量,必须有足够的封孔段深度,即封孔长度大于巷道卸压圈影响范围。

3 穿松软高突煤层封孔技术工艺研究

针对三2煤层过松软高突煤层测压钻孔封孔质量较差的问题,分析其主要原因是由于封堵过煤段产生高压瓦斯及孔壁的裂隙,提出采用“一次开孔—带压注浆—二次开孔”的封孔工艺提高测压钻孔的封孔质量的方案。此次进行了2个测压钻孔的带压注浆封孔工艺试验,并布置1个采用常规封孔工艺的测压钻孔进行对比。测压钻孔布置在＋20 m水平底板岩巷集中巷的6号钻场,如图2所示。测压钻孔竣工参数如表1所示。

图2 测压钻孔布置图

表1 测压钻孔竣工参数

3.1 一次开孔

为避免三1煤层高压瓦斯的影响,此次2＃、3＃测压钻孔分两次开孔。一次开孔严格按设计角度及方位开孔,首先用ø133 mm钻头打孔8 m,下放ø108 mm套管6 m,并注水泥浆固住套管,待水泥浆凝固时间大于24 h后,采用ø94 mm钻头施工钻孔,穿过三1煤层1.5～2 m停止钻进,然后用矿井高压水进行冲孔,使煤层形成一定空间的孔洞,为后期的带压注浆及二次开孔做足准备,一次开孔工艺如图3(a)所示。

3.2 带压注浆

一次开孔完成后,开始带压注浆封孔。考虑到三1煤层瓦斯压力为0.3～3.4 MPa,此次采用4.0 MPa的注浆压力进行封孔试验。首先在孔口套管上安装法兰盘,将注浆管路和注浆泵接好,开始试压;试压过程中做好安全防护措施,由小到大逐渐调试注浆泵的注浆压力,直至注浆压力达到4.0 MPa,此时考察法兰盘及套管的抗压和稳固性是否满足压力需求;试压结束后,在满足压力需求的条件下开始带压注浆作业,水泥浆为水泥、水、U型膨胀剂按照一定比例搅拌而成,其中水灰比为2︰1,U型膨胀剂的用量为水泥的12%。带压注浆工艺如图3(b)所示。

经过带压注浆后,水泥浆在高压力的作用下能够更好地进入钻孔围岩的裂隙,实现有效封堵过三1煤段孔壁中的裂隙,阻断高压瓦斯流动的通道;同时,由于注浆压力大于煤层瓦斯压力,抑制了高压瓦斯的溢出及凝固过程中的串流,使后期的二次开孔实现了全岩段,避开了松软高突煤层的影响。

3.3 二次开孔

待高压水泥浆凝固后,进行二次开孔作业。按照原开孔位置及角度进行扫孔,直至过三2煤层0.5 m;下放注浆管及测压管,连接好注浆管路按照常规的主动式测压方法进行封孔,二次开孔工艺如图3(c)所示。待水泥浆凝固24 h后安装压力表进行压力观测。

图3 “一次开孔—带压注浆—二次开孔”的封孔工艺示意图

3.4 封孔工艺效果分析

带压注浆封孔和常规封孔工艺观测压力情况对比如图4所示。3个测压钻孔的瓦斯压力上升曲线均符合主动式测压的一般规律;1＃测压孔采用常规封孔工艺,测得三2煤层瓦斯压力2.8 MPa,与三2煤层瓦斯涌出及煤层钻孔瓦斯情况不符,和三1煤层瓦斯压力接近,说明常规封孔工艺无法封堵三1煤层的高压力瓦斯,测压失败;2＃和3＃测压孔采用带压注浆封孔工艺,测得三2煤层瓦斯压力均为0.42 MPa,2个钻孔测定结果一致,且与三2煤层的瓦斯涌出和煤层钻孔瓦斯情况相符,说明采用带压注浆封孔工艺能够准确测出煤层的瓦斯压力。

试验结果表明,带压注浆封孔工艺效果明显,有效地封堵了过松软高突煤层的高压力瓦斯及围岩裂隙,提高了测压钻孔的封孔质量,成功解决了过松软高突煤层的瓦斯压力测定问题。

图4 带压注浆封孔工艺和常规封孔工艺压力观测情况

4 结论

(1)对影响测压钻孔封孔质量的因素进行了分析,指出过松软高突煤层采用常规封孔工艺进行封孔时高压瓦斯及围岩裂隙是导致测压失败的主要原因。

(2)提出了一次开孔—带压注浆—二次开孔的封孔工艺提高测压钻孔的封孔质量,并经过了现场试验,得出此种封孔工艺有效地封堵了过松软高突煤层的高压力瓦斯及围岩裂隙,成功解决了过松软高突煤层的瓦斯压力测定问题。

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[2] 韩巍,桑朋等.提高松软高突煤层瓦斯抽采效果的新技术研究[J].煤炭技术,2014(4)

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(责任编辑 张艳华)

《全国矿产资源规划(2016－2020年)》发布

国土资源部会同国家发改委、工信部、财政部、环保部、商务部共同发布《全国矿产资源规划(2016－2020年)》(以下简称《规划》)。

当前,我国能源资源需求增速放缓,但需求总量仍维持高位运行。国土资源部预计,到2020年,我国一次能源消费量约为50亿t标准煤,铁矿石7.5亿t标矿,精炼铜1350万t,原铝3500万t。

国土资源部副部长赵龙介绍说,根据《规划》,“十三五”时期全国矿产资源发展的具体目标包括:首先,形成一批重要矿产资源战略接续区。力争新发现5～8个亿吨级油田和5～10个千亿方级气田,新发现和评价大中型矿产地300～400处。

其次,建设103个能源资源基地,划定267个国家规划矿区,铁、铜、铝土矿、钾盐等战略性矿产国内安全供应能力得到巩固。划定28个对国民经济具有重要价值的矿区,强化重要矿产保护与储备。

《规划》提出将着手优化矿产开发区域布局;强化资源节约集约循环利用;推进矿业领域科技创新,发展“互联网＋矿业”方式,促进传统矿业转型升级。

赵龙表示,《规划》在引领矿产资源管理改革,增强矿业发展活力方面明确了一些制度设计。其中包括:首先,开放油气、铀勘探开发市场。加快新疆改革试点推广,推进油气勘查开采体制机制改革,逐步放开上游勘探开发市场,引入社会资本。按照勘查社会化、矿业权市场化、投资多元化、开采专业化的原则,加大铀矿勘查开发体制改革,有序放开铀矿勘查开发市场,积极引导社会资本进入铀矿勘查领域,加快铀矿勘查开发进程。

其次,扩大矿业权竞争性出让范围。坚持市场竞争取向,建立符合市场经济要求和矿业规律的矿业权出让方式。探索扩大矿业权竞争性出让范围,进一步推进探矿权采矿权实行招标拍卖挂牌方式出让,着力破解制度性障碍,充分调动市场各类主体的积极性,吸引社会资本和风险投资。

Discussion about upward pressure-measuring borehole sealing techniques across soft and serious outburst seams

Geng Yanhui1,2
(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology,Shapingba,Chongqing 400037,China; 2.China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Research Institute,Shapingba,Chongqing 400037,China)

Aiming at issues during regular hole-sealing pressure measuring process across soft and serious outburst seams at certain mine,this paper analyzed the influential factors of hole sealing quality and proposed hole-sealing procedures carried out as first boring,pressured grouting and second boring.Field application experiment effectively cemented high pressure gas and surrounding rock fractures across soft and serious outburst seams,enhanced pressure-measuring borehole sealing quality and successfully solve the problem of gas pressure measurement across soft and serious outburst seams.

soft and serious outburst seams,pressure-measuring borehole,hole-sealing quality,gas pressure measurement,influential factor

TD712.53

A

耿延辉(1980－),男,河南鄢陵人,硕士,从事矿山安全和煤矿瓦斯灾害防治技术的研究工作。

耿延辉.穿松软高突煤层上向测压钻孔封孔技术工艺探讨[J].中国煤炭,2017,43(1):104－107. Geng Yanhui.Discussion about upward pressure-measuring borehole sealing techniques across soft and serious outburst seams[J].China Coal,2017,43(1):104－107.