瓦斯压力测试钻孔围岩裂隙注浆封堵技术研究

2022-11-01成贤康

煤 2022年11期

李磊，成贤康

(1.山西潞安矿业(集团)有限责任公司古城煤矿，山西长治 046000；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013)

随着煤矿开采深度的加深，瓦斯动力灾害问题越来越突出，所以对煤矿井下瓦斯压力快速准确地测定和研究对目前预测预防瓦斯动力灾害至关重要。煤层瓦斯压力测试的准确性受到多方面因素的影响，其中封孔质量是测试的关键。目前，在强度较低的松软煤层中采用较多的是胶囊-粘液封孔技术和套管带压封孔技术。松软煤层的煤体强度低，在巷道松动圈范围内煤层破碎严重，存在大量的裂隙，容易形成沟通测压气室与巷道自由空间的瓦斯运移通道，再加上胶囊膨胀后难以保证与孔壁均匀接触，导致采用胶囊-粘液封孔测压效果不理想。而下套管二次带压封孔技术由于成本高、操作复杂、成功率低，在现场生产和研究中较少使用。本文通过分析确定影响煤层巷道瓦斯压力测定的关键因素，对煤层瓦斯压力测试孔围岩裂隙注浆材料进行了研究，优化了封孔工艺和参数，提出了瓦斯压力测试钻孔围岩裂隙注浆封堵技术，并在现场进行了试验[1-3]。

1 胶囊-粘液封孔瓦斯压力测定存在的问题

目前，煤层巷道瓦斯压力测试存在两大技术难题：第一，煤层煤体强度相对较小，在巷道掘进之后，由于支承压力巷道侧将产生较大范围的松动破坏圈，煤体相对破碎的产生裂隙发育，不利于瓦斯压力测定过程中的钻孔封孔；第二，由于目前瓦斯压力快速测定仪设备本身的缺陷，主要依靠胶囊和粘液封孔，其中胶囊封孔存在受钻孔施工质量和自身重力的影响。

煤层煤体强度相对较小，在巷道掘进过程中，受应力重新分布的影响，巷道两帮支承压力导致两帮围岩产生大量裂隙，煤体相对破碎，裂隙发育，大量裂隙的存在导致瓦斯压力测定过程中外部漏风(巷道风流)、内部漏气(瓦斯气体)，是导致瓦斯压力测定不够准确的一个重要原因。目前瓦斯压力快速测定主要依靠胶囊和粘液封孔，其中胶囊封孔容易受钻孔施工质量和自身重力的影响。在实际测定过程中，钻孔的轴线呈抛物线形状，而且测量管在自身重力作用下，必然下垂，此时，整个测压系统的重量将主要由胶囊和测量仪的末端支撑。在胶囊内部，测量管不同位置距孔壁的距离不同。在前端，距孔壁上部的距离较小，而距孔壁下部的距离较大。相反，在后端，距上孔壁上部的距离较大，而距孔壁下部的距离较小。这导致胶囊不能均匀膨胀，它与孔壁之间的应力也不一样大，距离越小，应力越大。因此，胶囊的实际受力状况为：在胶囊前端，上部应力较大，下部应力较小；在胶囊后端，下部应力较大，上部应力较小。胶囊与孔壁之间应力分布的不均匀性，必然导致瓦斯有可能从胶囊前端下部经它的后端上部泄漏，大大降低测定结果的准确性；而且，它会随着钻孔深度的增大更加显著[4-7]。

2 注浆封堵及材料配置

针对胶囊和粘液封孔瓦斯压力测定存在的问题，为消除巷道围岩松动圈和胶囊膨胀不均匀对钻孔密闭性的影响，对注浆封堵材料进行了改进。注浆封堵材料包括注浆封孔材料和瓦斯压力测孔的封孔材料，两种材料主要依据余吾煤业松动圈测定分析情况进行选择，两种材料的配比如下。

图1 测压管路实际受力分析图

2.1 巷道围岩注浆加固材料

1) 单一浆液材料：采用水泥单液浆，水泥采用425号普通硅酸盐水泥，水泥和水的配比一般为：1.2∶1～1.5∶1，初步选定水泥和水的重要比为1.4∶1.

2) 复合浆液材料：采用水泥和粉煤灰混合浆液，采用425号普通硅酸盐水泥和一级粉煤灰混合，固相材料和水的配比(灰水比)一般为1.2∶1～1.5∶1，水泥∶粉煤灰(固相比)=1∶9～5∶5，初步选定灰水比1.4∶1，固相比3∶7.

2.2 瓦斯压力测孔封堵材料

传统瓦斯压力测孔密封材料为膨润土+乳化液(或水)，其体积比为1∶10(即1份膨润土+10份乳化液或水)。实践证明：这种配比在使用过程中经常出现注浆管堵塞的问题。因此，本次采用的膨润土+乳化液(或水)的体积比为1∶12～1∶15，并且对密封材料中的固相进行改进，加入活性材料，提高材料的溶解性能，尽可能地避免注浆管堵塞的问题。

3 注浆封堵工艺改进

3.1 消除巷道围岩松动圈的影响

煤层巷道开挖之后形成较大的松动破坏圈即破碎区是难以避免的，这也是煤层巷道测定瓦斯压力的最大难题，本次研究中采用两次注浆法对钻孔周边的围岩进行加固以保证钻孔的密闭性。

1) 在进行瓦斯压力测定之前，事先在测孔周边用注浆锚杆进行注浆加固，如图2所示。注浆加固材料采用水泥+水玻璃混合液。

图2 注浆加固示意

2) 在测孔注浆加固之后，在瓦斯压力测孔施工之前，先施工1个直径为130 mm的大孔再次加固，如图2所示。注浆加固材料采用水泥+水玻璃混合液。两次加固的目的是为了消除或降低煤层巷道围岩破碎区较大的影响，以便下一步施工瓦斯压力测孔时，形成类似于岩层围岩的施工条件，确保封孔的质量[8-10]。

3.2 消除胶囊受力不均匀的影响

由于现场施工钻孔较长，在钻机摆动过程中，很难保证钻孔100%平直，再加上上述对胶囊实际受力的分析，以及胶囊膨胀之后形成的边界收缩效应，胶囊实际封孔长度(不足70%)远小于胶囊原长度。为了消除这一影响，第一，将内外两根胶囊加长1倍；第二，将内外胶囊改为两根胶囊串联，即内部两根串联，外部两根串联。钻孔安装施工示意如图3所示。

图3 钻孔安装施工示意

3.3 测量仪表改进

现有瓦斯压力测读末端采用的是机械压力表，这种压力表一是测量精度不够(0.1 MPa)，二是不能及时捕捉和存储瓦斯压力变化的全过程，尤其是不能捕捉和存储测试过程中的最大瓦斯压力。因此，有必要对瓦斯压力测试末端的瓦斯压力表进行改进，图4为原始瓦斯压力测量末端，图5为改进之后的测量末端。

图4 原始瓦斯压力测量末端

4 封孔步骤

1) 在打钻期间，完成压力粘液的配制，并放入粘液罐中。压力粘液为膨润土+乳化液(或水)，其体积比为根据封堵材料优化配比实验的结果确定。若密封粘液使用三相泡沫，可先将泡沫粉放入胶囊之间的护管，然后使用手压泵打水或乳化液。

图5 改进之后瓦斯压力测量末端

2) 将封孔器放入钻孔内的预定位置后，为避免危险，先暂时打开瓦斯补气口处的开关，排放瓦斯，然后利用手动式乳化液泵将乳化液压力加至1.5 MPa，检查胶囊是否膨胀并封住钻孔。检查时可用力拉护管，观察是否松动。如松动，说明胶囊未膨胀，应先放出乳化液卸压，然后检查管路是否发生阻塞，并及时排除，确保胶囊及管路通畅之后方可使用[11-14]。

3) 封孔器安装完毕后，通过护管将封孔器固定在专用的立柱上，以防测压时封孔器突然抛出。胶囊膨胀封住钻孔后，打开氮气瓶总开关和粘液罐高压截止阀开关。为了快速让粘液密封腔充满粘液，先将氮气瓶减压表的压力调到0.8～1.0 MPa，当粘液密封腔充满粘液后，再将氮气瓶减压表的压力暂时调到0.2～0.3 MPa，封堵胶囊周边钻孔裂隙。

4) 关闭瓦斯补气口处的开关，观察瓦斯压力表上的变化。测压期间要定时观察和记录瓦斯压力、乳化液压力和粘液压力。如乳化液压力或粘液压力下降，应及时补压，保证乳化液压力高于瓦斯压力1.5 MPa，粘液压力高于瓦斯压力0.2～0.3 MPa.

5) 如果瓦斯压力连续24 h没有变化，则可认为这个稳定的压力就是煤层瓦斯压力。

5 现场试验

余吾煤业主要开采3号煤层，其中N1202工作面作为本次实验工作面，位于北一采区N1201与N1203工作面之间，工作面主巷道为N1202胶顺、回顺、切眼、高抽巷，回采长度890 m，切眼长度294.6 m.煤层底板等高线+420～+440 m，巷道走势平缓，最大坡度为±4.3°.在该工作面分别施工3组瓦斯压力测试钻孔，不同组钻孔之间距离为50 m；同组内施工2个瓦斯压力测试钻孔，钻孔间距5 m.同一组内的2个钻孔均采用不同封孔工艺，1个采用原有工艺测试、另一个采用新工艺测试。具体参数及测试结果见表1.

表1 测压钻孔参数

为检验围岩裂隙注浆封堵技术所测煤层瓦斯压力的准确性，在每组均施工2个钻孔，每个钻孔各采用一种不同封孔工艺分别进行测压。比较表1中的瓦斯压力测试数据可以发现,采用原有工艺进行封孔的瓦斯压力测试钻孔，其测压结果要远小于采用新型封孔工艺的瓦斯压力测试钻孔。本次测试中，同组钻孔的间距为5 m，测压结果应该基本一致，但实际测试中，由于采用不同的封孔工艺，导致采用原有工艺的钻孔压力测试值要明显小于采用新工艺的测试值，说明采用新工艺的钻孔的测压值更加准确。同时，本次施工的3组钻孔组间距离为50 m，而该工作面内煤层赋存稳定，煤层标高和埋深变化较小，瓦斯赋存均匀。因此，各组钻孔的测压数据应该较为接近。然而3组钻孔中，原有工艺钻孔的测试值为0.14～0.31 MPa，波动较大；新工艺钻孔的测试值为0.47～0.52 MPa，基本保持一致。这进一步说明，采用围岩裂隙注浆封堵技术所测煤层瓦斯压力更加准确。