耿延輝

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市沙坪壩區(qū),400037; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區(qū),400037)

穿松軟高突煤層上向測(cè)壓鉆孔封孔技術(shù)工藝探討

耿延輝1,2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市沙坪壩區(qū),400037; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區(qū),400037)

針對(duì)某礦穿松軟高突煤層常規(guī)封孔測(cè)壓過程中出現(xiàn)的問題,分析了影響封孔質(zhì)量的因素,提出了采用一次開孔—帶壓注漿—二次開孔的封孔工藝。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),有效地封堵了過松軟高突煤層的高壓力瓦斯及圍巖裂隙,提高了測(cè)壓鉆孔的封孔質(zhì)量,成功解決了過松軟高突煤層的瓦斯壓力測(cè)定問題。

松軟高突煤層 測(cè)壓鉆孔 封孔質(zhì)量 瓦斯壓力測(cè)定 影響因素

煤層瓦斯壓力是進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定的主要參數(shù)之一,其測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著鑒定結(jié)果及后續(xù)防突措施的經(jīng)濟(jì)合理性。要保障測(cè)壓結(jié)果的準(zhǔn)確性,測(cè)壓鉆孔的封孔技術(shù)工藝是關(guān)鍵。松軟高突煤層地應(yīng)力大、瓦斯壓力大、煤層松軟,打鉆過程中容易發(fā)生垮孔、卡鉆、噴孔;穿松軟高突煤層測(cè)壓時(shí),由于突出煤層瓦斯壓力較大,在層間距較小、封孔效果差時(shí),高壓力瓦斯通過孔壁圍巖裂隙及封孔材料凝固過程中向測(cè)壓煤層串流,致使封孔材料在凝固過程中產(chǎn)生瓦斯流動(dòng)的通道,影響煤層的瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果,導(dǎo)致測(cè)壓失敗。因此,研究穿松軟高突煤層上向測(cè)壓鉆孔封孔技術(shù)工藝尤為重要,對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某礦井主采的三1煤層為突出煤層,三1煤層厚度為0.85～16.34 m,平均厚4.52 m,煤層傾角平均為30°。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖及細(xì)～中粒砂巖;底板為砂質(zhì)泥巖及細(xì)～中粒砂巖,局部有泥巖。三1煤層瓦斯含量為0.85～13.69 m3/t,平均11.60 m3/t,瓦斯壓力為0.3～3.4 MPa,透氣性系數(shù)為0.0187 m2/MPa2·d,煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.15～0.2,屬松軟高突煤層。其上部的三2煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采,兩煤層層間距平均為15 m,三2煤層平均厚度為0.8 m,平均傾角為30°。因三2煤層原始瓦斯壓力測(cè)定要求,需在礦井的＋20 m水平底板巖巷施工穿過三1煤層上向鉆孔測(cè)定三2煤層的瓦斯壓力。該礦采用常規(guī)的測(cè)壓方法測(cè)得1＃鉆孔三2煤層瓦斯壓力為2.9 MPa,這與該煤層采掘過程中的瓦斯涌出及鉆孔施工實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛惹闆r嚴(yán)重不符,分析認(rèn)為三1煤層為松軟高突煤層,煤層瓦斯壓力較大,兩層煤的層間距較小,采用常規(guī)的封孔技術(shù)工藝封孔質(zhì)量較差,很難封堵三1煤層的高壓力瓦斯,高壓力瓦斯在封孔材料凝固過程中向測(cè)壓煤層串流,影響煤層的瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果,導(dǎo)致測(cè)壓失敗。

2 影響封孔質(zhì)量因素分析

2.1 鉆孔圍巖特征

鉆孔圍巖的巖性特征直接影響著鉆孔的封孔質(zhì)量。穿松軟、高突煤層的鉆孔,由于圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低、地應(yīng)力大、瓦斯壓力較大,鉆孔施工過程中容易發(fā)生噴孔,采用常規(guī)的封孔工藝技術(shù)封孔,封孔效果差時(shí),高壓力瓦斯通過孔壁圍巖裂隙及在封孔材料凝固過程中向測(cè)壓煤層串流,致使封孔材料凝固過程中產(chǎn)生瓦斯流動(dòng)的通道,影響封孔質(zhì)量;在高地應(yīng)力作用下,圍巖強(qiáng)度較弱的鉆孔在蠕變作用下不斷有裂隙產(chǎn)生,導(dǎo)致此封孔段出現(xiàn)高壓瓦斯串流的通道,影響煤層的瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果,導(dǎo)致測(cè)壓失敗。

2.2 封孔技術(shù)工藝

封孔技術(shù)工藝是影響封孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。煤層瓦斯壓力測(cè)定常用的封孔方法有膠囊(膠圈)－密封粘液測(cè)壓法封孔工藝及注漿封孔測(cè)壓法封孔工藝。注漿封孔工藝操作簡單,目前得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的上向孔注漿封孔工藝是將測(cè)壓管下放至預(yù)定測(cè)壓煤層深度,并下放一根較短的注漿管,孔口用聚氨酯材料或者速凝水泥進(jìn)行封堵,確保注漿液不發(fā)生外漏,待測(cè)壓管返槳后停止注漿,此時(shí)封孔工作結(jié)束。對(duì)于穿松軟高突煤層的測(cè)壓鉆孔的封孔工作,鉆孔一次性施工完成后,采用常規(guī)的注漿封孔工藝很難封堵過煤段的高壓瓦斯及蠕變產(chǎn)生的裂隙,在過煤段的孔壁周圍煤巖體中形成了高壓瓦斯串流的通道,影響測(cè)壓鉆孔的封孔質(zhì)量,常規(guī)封孔工藝封孔效果如圖1所示。

圖1 常規(guī)封孔工藝

2.3 封孔深度

保證測(cè)壓鉆孔有足夠的封孔深度是提高封孔質(zhì)量的保障。巷道開挖后,在采動(dòng)作用影響下,在巷道圍巖中由淺到深形成塑性破壞區(qū)(卸壓圈)、應(yīng)力集中區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū),在塑性破壞區(qū)域,巷道圍巖裂隙發(fā)育,應(yīng)力降低,瓦斯壓力得到釋放;為保障測(cè)壓鉆孔封孔質(zhì)量,必須有足夠的封孔段深度,即封孔長度大于巷道卸壓圈影響范圍。

3 穿松軟高突煤層封孔技術(shù)工藝研究

針對(duì)三2煤層過松軟高突煤層測(cè)壓鉆孔封孔質(zhì)量較差的問題,分析其主要原因是由于封堵過煤段產(chǎn)生高壓瓦斯及孔壁的裂隙,提出采用“一次開孔—帶壓注漿—二次開孔”的封孔工藝提高測(cè)壓鉆孔的封孔質(zhì)量的方案。此次進(jìn)行了2個(gè)測(cè)壓鉆孔的帶壓注漿封孔工藝試驗(yàn),并布置1個(gè)采用常規(guī)封孔工藝的測(cè)壓鉆孔進(jìn)行對(duì)比。測(cè)壓鉆孔布置在＋20 m水平底板巖巷集中巷的6號(hào)鉆場(chǎng),如圖2所示。測(cè)壓鉆孔竣工參數(shù)如表1所示。

圖2 測(cè)壓鉆孔布置圖

表1 測(cè)壓鉆孔竣工參數(shù)

3.1 一次開孔

為避免三1煤層高壓瓦斯的影響,此次2＃、3＃測(cè)壓鉆孔分兩次開孔。一次開孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)角度及方位開孔,首先用?133 mm鉆頭打孔8 m,下放?108 mm套管6 m,并注水泥漿固住套管,待水泥漿凝固時(shí)間大于24 h后,采用?94 mm鉆頭施工鉆孔,穿過三1煤層1.5～2 m停止鉆進(jìn),然后用礦井高壓水進(jìn)行沖孔,使煤層形成一定空間的孔洞,為后期的帶壓注漿及二次開孔做足準(zhǔn)備,一次開孔工藝如圖3(a)所示。

3.2 帶壓注漿

一次開孔完成后,開始帶壓注漿封孔?？紤]到三1煤層瓦斯壓力為0.3～3.4 MPa,此次采用4.0 MPa的注漿壓力進(jìn)行封孔試驗(yàn)。首先在孔口套管上安裝法蘭盤,將注漿管路和注漿泵接好,開始試壓;試壓過程中做好安全防護(hù)措施,由小到大逐漸調(diào)試注漿泵的注漿壓力,直至注漿壓力達(dá)到4.0 MPa,此時(shí)考察法蘭盤及套管的抗壓和穩(wěn)固性是否滿足壓力需求;試壓結(jié)束后,在滿足壓力需求的條件下開始帶壓注漿作業(yè),水泥漿為水泥、水、U型膨脹劑按照一定比例攪拌而成,其中水灰比為2︰1,U型膨脹劑的用量為水泥的12%。帶壓注漿工藝如圖3(b)所示。

經(jīng)過帶壓注漿后,水泥漿在高壓力的作用下能夠更好地進(jìn)入鉆孔圍巖的裂隙,實(shí)現(xiàn)有效封堵過三1煤段孔壁中的裂隙,阻斷高壓瓦斯流動(dòng)的通道;同時(shí),由于注漿壓力大于煤層瓦斯壓力,抑制了高壓瓦斯的溢出及凝固過程中的串流,使后期的二次開孔實(shí)現(xiàn)了全巖段,避開了松軟高突煤層的影響。

3.3 二次開孔

待高壓水泥漿凝固后,進(jìn)行二次開孔作業(yè)。按照原開孔位置及角度進(jìn)行掃孔,直至過三2煤層0.5 m;下放注漿管及測(cè)壓管,連接好注漿管路按照常規(guī)的主動(dòng)式測(cè)壓方法進(jìn)行封孔,二次開孔工藝如圖3(c)所示。待水泥漿凝固24 h后安裝壓力表進(jìn)行壓力觀測(cè)。

圖3 “一次開孔—帶壓注漿—二次開孔”的封孔工藝示意圖

3.4 封孔工藝效果分析

帶壓注漿封孔和常規(guī)封孔工藝觀測(cè)壓力情況對(duì)比如圖4所示。3個(gè)測(cè)壓鉆孔的瓦斯壓力上升曲線均符合主動(dòng)式測(cè)壓的一般規(guī)律;1＃測(cè)壓孔采用常規(guī)封孔工藝,測(cè)得三2煤層瓦斯壓力2.8 MPa,與三2煤層瓦斯涌出及煤層鉆孔瓦斯情況不符,和三1煤層瓦斯壓力接近,說明常規(guī)封孔工藝無法封堵三1煤層的高壓力瓦斯,測(cè)壓失敗;2＃和3＃測(cè)壓孔采用帶壓注漿封孔工藝,測(cè)得三2煤層瓦斯壓力均為0.42 MPa,2個(gè)鉆孔測(cè)定結(jié)果一致,且與三2煤層的瓦斯涌出和煤層鉆孔瓦斯情況相符,說明采用帶壓注漿封孔工藝能夠準(zhǔn)確測(cè)出煤層的瓦斯壓力。

試驗(yàn)結(jié)果表明,帶壓注漿封孔工藝效果明顯,有效地封堵了過松軟高突煤層的高壓力瓦斯及圍巖裂隙,提高了測(cè)壓鉆孔的封孔質(zhì)量,成功解決了過松軟高突煤層的瓦斯壓力測(cè)定問題。

圖4 帶壓注漿封孔工藝和常規(guī)封孔工藝壓力觀測(cè)情況

4 結(jié)論

(1)對(duì)影響測(cè)壓鉆孔封孔質(zhì)量的因素進(jìn)行了分析,指出過松軟高突煤層采用常規(guī)封孔工藝進(jìn)行封孔時(shí)高壓瓦斯及圍巖裂隙是導(dǎo)致測(cè)壓失敗的主要原因。

(2)提出了一次開孔—帶壓注漿—二次開孔的封孔工藝提高測(cè)壓鉆孔的封孔質(zhì)量,并經(jīng)過了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得出此種封孔工藝有效地封堵了過松軟高突煤層的高壓力瓦斯及圍巖裂隙,成功解決了過松軟高突煤層的瓦斯壓力測(cè)定問題。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016－2020年)》發(fā)布

國土資源部會(huì)同國家發(fā)改委、工信部、財(cái)政部、環(huán)保部、商務(wù)部共同發(fā)布《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016－2020年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)。

當(dāng)前,我國能源資源需求增速放緩,但需求總量仍維持高位運(yùn)行。國土資源部預(yù)計(jì),到2020年,我國一次能源消費(fèi)量約為50億t標(biāo)準(zhǔn)煤,鐵礦石7.5億t標(biāo)礦,精煉銅1350萬t,原鋁3500萬t。

國土資源部副部長趙龍介紹說,根據(jù)《規(guī)劃》,“十三五”時(shí)期全國礦產(chǎn)資源發(fā)展的具體目標(biāo)包括:首先,形成一批重要礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略接續(xù)區(qū)。力爭新發(fā)現(xiàn)5～8個(gè)億噸級(jí)油田和5～10個(gè)千億方級(jí)氣田,新發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)大中型礦產(chǎn)地300～400處。

其次,建設(shè)103個(gè)能源資源基地,劃定267個(gè)國家規(guī)劃礦區(qū),鐵、銅、鋁土礦、鉀鹽等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)國內(nèi)安全供應(yīng)能力得到鞏固。劃定28個(gè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有重要價(jià)值的礦區(qū),強(qiáng)化重要礦產(chǎn)保護(hù)與儲(chǔ)備。

《規(guī)劃》提出將著手優(yōu)化礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)域布局;強(qiáng)化資源節(jié)約集約循環(huán)利用;推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新,發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)＋礦業(yè)”方式,促進(jìn)傳統(tǒng)礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

趙龍表示,《規(guī)劃》在引領(lǐng)礦產(chǎn)資源管理改革,增強(qiáng)礦業(yè)發(fā)展活力方面明確了一些制度設(shè)計(jì)。其中包括:首先,開放油氣、鈾勘探開發(fā)市場(chǎng)。加快新疆改革試點(diǎn)推廣,推進(jìn)油氣勘查開采體制機(jī)制改革,逐步放開上游勘探開發(fā)市場(chǎng),引入社會(huì)資本。按照勘查社會(huì)化、礦業(yè)權(quán)市場(chǎng)化、投資多元化、開采專業(yè)化的原則,加大鈾礦勘查開發(fā)體制改革,有序放開鈾礦勘查開發(fā)市場(chǎng),積極引導(dǎo)社會(huì)資本進(jìn)入鈾礦勘查領(lǐng)域,加快鈾礦勘查開發(fā)進(jìn)程。

其次,擴(kuò)大礦業(yè)權(quán)競(jìng)爭性出讓范圍。堅(jiān)持市場(chǎng)競(jìng)爭取向,建立符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求和礦業(yè)規(guī)律的礦業(yè)權(quán)出讓方式。探索擴(kuò)大礦業(yè)權(quán)競(jìng)爭性出讓范圍,進(jìn)一步推進(jìn)探礦權(quán)采礦權(quán)實(shí)行招標(biāo)拍賣掛牌方式出讓,著力破解制度性障礙,充分調(diào)動(dòng)市場(chǎng)各類主體的積極性,吸引社會(huì)資本和風(fēng)險(xiǎn)投資。

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

耿延輝(1980－),男,河南鄢陵人,碩士,從事礦山安全和煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)的研究工作。

耿延輝.穿松軟高突煤層上向測(cè)壓鉆孔封孔技術(shù)工藝探討[J].中國煤炭,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.