陳學(xué)習，張 亮，畢瑞卿，張 凱，徐 永

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

?

聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓技術(shù)

陳學(xué)習，張 亮，畢瑞卿，張 凱，徐 永

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

針對現(xiàn)有封孔測壓方法聚氨酯堵頭不能實現(xiàn)高壓注漿，水泥砂漿封孔測壓不適用于近水平鉆孔，膠囊粘液測壓成本高，不適用于瓦斯壓力大于3.5 MPa等問題，提出聚氨酯-膠囊二次注漿封孔測壓技術(shù)。推導(dǎo)出預(yù)注漿階段有效封孔長度與鉆孔傾角之間的函數(shù)關(guān)系，確定了近水平鉆孔封孔長度，同時通過兩個滲透擴散模型校驗得到注漿擴散半徑。在陽泉上社煤礦進行的現(xiàn)場應(yīng)用中對比膠囊粘液測壓技術(shù)，測壓結(jié)果誤差在2%以內(nèi)；相對聚氨酯做堵頭的帶壓注漿測壓技術(shù)節(jié)約測壓時間16 h，實現(xiàn)了準確快速測壓。

二次注漿；封孔長度；注漿擴散半徑；快速測壓

0 引言

煤層瓦斯壓力是所有瓦斯治理工作的重要基礎(chǔ)參數(shù)，準確測定煤層瓦斯壓力對于研究煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯有效抽采半徑、煤層突出危險性鑒定等方面具有十分重要的意義[1-4]。

煤礦井下現(xiàn)有封孔測壓方法主要分為傳統(tǒng)單一封孔技術(shù)與“兩堵一注”技術(shù)[5-10]。傳統(tǒng)單一封孔測壓方法主要包括：以聚氨酯為代表的有機發(fā)泡劑封孔測壓方法、水泥砂漿封孔測壓方法。前者存在粘結(jié)強度較差——實驗室條件下測得粘結(jié)強度僅為427.25 kPa[11]，又由于現(xiàn)場鉆孔內(nèi)壁存在不光滑、有鉆屑等問題，導(dǎo)致聚氨酯與孔壁粘結(jié)強度更小，這會導(dǎo)致聚氨酯做孔口堵頭時不可靠，容易發(fā)生孔口跑漿；即便孔口粘結(jié)密實，但在注漿漿液自重影響下，可實現(xiàn)帶壓注漿的壓力較小，一般僅在2 MPa左右；同時聚氨酯反應(yīng)速率過快，難以達到設(shè)計的封孔長度。水泥砂漿封孔測壓方法存在后期凝固易出現(xiàn)干縮，在鉆孔內(nèi)壁形成貫通裂隙并與圍巖松動圈相通，形成裂隙通道，導(dǎo)致鉆孔瓦斯泄漏，特別在傾角較小的本煤層鉆孔，注漿材料在鉆孔上部會形成月牙空隙[12]，且其測壓等待時間過長?！皟啥乱蛔ⅰ奔夹g(shù)主要包括：聚氨酯等有機發(fā)泡劑做堵頭的帶壓注漿技術(shù)、膠囊粘液封孔技術(shù)、二次開孔技術(shù)等。前者存在鉆孔深部堵頭不易送到位的問題，且由于粘結(jié)強度過小，聚氨酯做堵頭帶壓注漿時壓力較?。荒z囊粘液封孔時存在成本高，且瓦斯壓力大于3.5 MPa時會發(fā)生膠囊被頂出鉆孔的問題[13,14]；二次開孔技術(shù)存在操作工藝復(fù)雜，測壓等待時間過長的問題。

綜上所述，為解決上述問題，以提高瓦斯壓力測定的準確性，節(jié)約測壓時間，降低測壓成本，現(xiàn)提出一種新的瓦斯壓力測定技術(shù)——聚氨酯-膠囊二次注漿封孔測壓技術(shù)。

1 聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓方法

借鑒聚氨酯帶壓封孔、膠囊粘液封孔與二次封孔等測壓方法，針對現(xiàn)場測壓條件，增加封孔段長度，提出更加可靠、低成本、實現(xiàn)快速測壓的聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓技術(shù)。

將聚氨酯作為孔口堵頭。以更加可靠、能準確測壓的測壓段膠囊，代替聚氨酯帶壓注漿封孔工藝中鉆孔深部的聚氨酯堵頭，解決聚氨酯凝結(jié)速度過快，易出現(xiàn)達不到設(shè)計封孔深度的問題；且膠囊膨脹后可改善測壓氣室附近圍巖受力狀態(tài)，進而減少測壓氣室漏氣通道。

預(yù)注漿采用摻加適量添加劑的高濃度水泥漿液，二次注漿采用濃度較小的水泥漿液。預(yù)注漿液快速凝固，形成較長的封孔段，具有較大的抗壓強度及粘結(jié)強度。預(yù)注漿液凝固后，與聚氨酯形成更加可靠的可為二次高壓注漿做準備的聚氨酯水泥復(fù)合耐高壓堵頭，克服聚氨酯與孔壁粘結(jié)強度較低的缺點，并實現(xiàn)對松動圈大裂隙快速封堵，充填、膠結(jié)鉆孔壁與破碎煤體的孔隙及煤體凹凸面，封閉瓦斯通過鉆孔逸散的主要通道。二次注漿漿液流動度大，有利于水泥漿液在高壓下進入鉆孔壁圍巖微裂隙，進而劈裂擴展圍巖微裂隙，增大滲透擴散半徑，實現(xiàn)對鉆孔圍巖微裂隙及因預(yù)注漿階段水泥干縮與圍巖松動圈形成的微裂隙較好的封堵。

為了實現(xiàn)快速測壓，采用主動式測壓法進行煤層瓦斯壓力測定，且補氣壓力盡可能接近煤層瓦斯壓力。由于補氣時二次注入的水泥漿液尚未凝固，測壓氣室周圍微裂隙與注漿段鉆孔周圍微裂隙可能貫通，向測壓氣室充入的氮氣可迫使未凝固的二次注漿漿液進一步密封微裂隙，反過來尚未凝固的二次注漿漿液作為液態(tài)物質(zhì)，能更好的密封鉆孔的瓦斯氣體。該階段注漿壓力由現(xiàn)場需要確定，當圍巖較破碎時，需要增加本階段注漿壓力進一步密實圍巖裂隙，這就要求適當延長上階段預(yù)注漿液凝固等待時間，以提高孔口聚氨酯水泥復(fù)合耐高壓堵頭的可靠性。

綜上所述，上述兩階段均對孔口堵頭影響較小，不會出現(xiàn)瓦斯壓力結(jié)合水泥漿液自重將孔口堵頭沖出的情況，故不必等待第二階段水泥漿液凝固再安裝壓力表，可減少鉆孔暴露時間，降低瓦斯逸散量，減小瓦斯卸壓圈與瓦斯運移距離，加快瓦斯壓力上升速率，節(jié)約大量測壓時間，實現(xiàn)快速測壓。該測壓技術(shù)適用于本煤層鉆孔與上向穿層鉆孔，亦適用煤層瓦斯壓力大于3.5 MPa的情況。

圖1 聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓方法原理示意圖

2 理論分析

影響鉆孔密封的重要因素有封孔長度與注漿擴散半徑。由于注漿過程分為兩個階段，預(yù)注漿過程中有效封孔長度對鉆孔密封性起著至關(guān)重要的作用，它受一級返漿管與孔壁的位置關(guān)系、鉆孔傾角共同影響。在二次注漿階段，注漿擴散半徑是考核鉆孔密封程度好壞的重要指標，它受注漿壓力等因素的影響。

2.1 預(yù)注漿階段有效封孔長度的確定

將鉆孔與四分管空間位置模型近似為如圖所示，圓O為鉆孔，圓O1、O2、O3分別為一級返漿四分管、預(yù)注漿四分管、連接膠囊的四分管，四分管直徑為φ0，鉆孔直徑為φ，鉆孔傾角為α。

圖2 鉆孔與四分管空間位置剖面圖

在預(yù)注漿階段，水泥漿液通過預(yù)注漿管注漿，一級返漿管返漿。由于水泥漿液受自重影響，預(yù)注漿階段漿液在鉆孔中的返漿端呈現(xiàn)水平分布，使得預(yù)注漿階段有效封孔長度為，返漿端水泥漿液有效高度為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

圖3 鉆孔剖面圖

(6)

(7)

上式反應(yīng)了預(yù)注漿階段有效封孔長度與鉆孔傾角之前的函數(shù)關(guān)系，

對a求導(dǎo)得：

(8)

顯然，(Δl)′，即因變量Δl是以α為自變量的減函數(shù)，

結(jié)合現(xiàn)場實際，鉆孔為上向鉆孔，傾角α大于1°，所以Δl最大值Δlmax為：

由此可見當鉆孔傾角較小，為近水平鉆孔時，Δl與傾角關(guān)系為負相關(guān)，傾角最小為1°時，Δl為3.12 m，所以可通過調(diào)節(jié)一級返漿管長度對預(yù)注漿有效封孔長度進行控制，使其滿足要求。

預(yù)注漿階段水泥漿液巷道卸壓圈大裂隙快速封堵，封閉瓦斯通過鉆孔逸散的主要通道，并形成更加可靠的聚氨酯水泥復(fù)合堵頭，但該階段水泥漿液流動度小，難以密封鉆孔圍巖微裂隙，因此，該階段有效封孔長度并非越大越好，保證有效封孔長度大于巷道卸壓圈半徑即可。

(9)

預(yù)注漿階段的有效封孔長度需滿足l≥LP，LP為巷道卸壓圈半徑。

2.2 二次注漿階段注漿擴散半徑

水泥漿液在水灰比為0.8～1.0時，水泥復(fù)合漿液呈現(xiàn)典型賓漢體漿液性質(zhì)，且驗證了在水泥漿液擴散模型中，流型不隨時間的變化而變化[15,16]。將水泥漿液在鉆孔中的帶壓滲透擴散理想為典型賓漢流體漿液的柱—半球形滲透注漿模型[17]。

(10)

為了確保所取的注漿壓力滿足擴散半徑的要求，將式(10)所得的注漿壓力代入式(11)進行校驗[18]。

(11)

如果式(11)得到的漿液擴散半徑大于式(10)的，則認為得到的注漿擴散半徑滿足要求?，F(xiàn)場應(yīng)用時為保證注漿擴散半徑達到要求，需結(jié)合(10)(11)兩式進行壓力校驗。

3 操作步驟

直接施工φ75 mm的測壓鉆孔，本煤層傾角2°～4°，方位角保證鉆孔垂直巷幫；穿層鉆孔傾角結(jié)合現(xiàn)場條件保證巖孔長度20 m以上即可，方位角保證鉆孔垂直巷幫。待膠囊進入鉆孔的深度滿足孔口預(yù)留聚氨酯封孔長度時，停止送入膠囊，然后將長5 m的預(yù)注漿四分管送入鉆孔，將略大于測壓點所在巷道松動圈長度的一級返漿四分管送入鉆孔，使得送入膠囊四分管、預(yù)注漿四分管與一級返漿四分管都露出鉆孔4 m。將露出鉆孔的四分管用鐵絲固定，保證預(yù)注漿四分管與連接膠囊的四分管在下部，一級返漿四分管靠上部，最終要求聚氨酯孔口堵頭長度3.5 m。

完成聚氨酯堵頭封孔操作后，向膠囊加壓注水，將膠囊加壓穩(wěn)定至6 MPa時停止打水，待聚氨酯反應(yīng)結(jié)束凝固硬化后，通過預(yù)注漿四分管像鉆孔注入濃度較高的水泥漿液。水泥漿液采用高標號水泥，水灰比為1 ∶0.75，添加5%速凝劑與適量膨脹劑。

注漿方式采用循環(huán)式注漿法，保證注入漿液大于圈裂隙吸漿量，使得一級返漿四分管回流出漿液時返回攪拌桶，循環(huán)周期20 min，循環(huán)式預(yù)注漿結(jié)束后關(guān)閉預(yù)注漿四分管與一級返漿四分管的球閥。等待6 h水泥漿液凝固產(chǎn)生一定早期強度后，從送入膠囊的四分管注濃度較小的漿液，漿液由三通進入鉆孔上部空間。二次注漿水泥漿液仍采用高標號水泥，水灰比為1 ∶1，添加適量膨脹劑。待注漿壓力達到4～6MPa后，采用純壓式脈動注漿，脈動周期為注漿2min、停0.5min，脈動注漿15min后使得注漿壓力穩(wěn)定在6MPa左右時結(jié)束注漿工作。最后，通過事先連接完成的測壓三通，向測壓氣室注入接近煤層瓦斯壓力的氮氣，實現(xiàn)快速測壓。

4 應(yīng)用

結(jié)合以上理論分析，為了驗證聚氨酯-膠囊二次注漿封孔測壓技術(shù)的效果，在陽泉上社煤礦瓦斯突出鑒定時進行實驗考察驗證。分別在15#回風，15108第一進風，15105高抽巷布置測點，每個測點布置三個鉆孔，鉆孔之間相距30 m。其中15#回風與15108第一進風測點鉆孔為本煤層鉆孔，15105高抽巷測點鉆孔為穿層鉆孔。采用聚氨酯做堵頭帶壓注漿封孔測壓，膠囊粘液封孔測壓、聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓。ABC分別表示聚氨酯做堵頭帶壓注漿封孔測壓，膠囊粘液封孔測壓，聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓。

表1 15#回風測壓鉆孔參數(shù)

孔號傾角/°方位角/°鉆孔長度/m封孔深度/m1A39032301B39032301C3903230

圖4 15#回風測壓鉆孔瓦斯壓力

表2 15108第一進風測壓鉆孔參數(shù)

圖5 15108第一進風測壓鉆孔瓦斯壓力

表3 15105高抽巷測壓鉆孔參數(shù)

圖6 15105高抽巷測壓鉆孔瓦斯壓力

測壓過程表明，聚氨酯做堵頭帶壓注漿封孔測壓技術(shù)存在一定缺陷，聚氨酯反應(yīng)過快，送入鉆孔較深位置較困難。又由于聚氨酯本身性質(zhì)及現(xiàn)場鉆孔實際情況，聚氨酯與鉆孔內(nèi)壁黏結(jié)強度不夠大，易出現(xiàn)孔口堵頭不可靠的情況。上述測壓結(jié)果表明，聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓方法與膠囊粘液封孔測壓方法結(jié)果相近，測壓結(jié)果誤差在2%以內(nèi)，表明該新型測壓技術(shù)是可靠的。且在現(xiàn)場中該新型測壓方法還能適用于瓦斯壓力大于3.5 MPa的情況，克服了膠囊粘液封孔測壓方法的局限性。整個測壓時間較端，可以實現(xiàn)快速測壓，比起傳統(tǒng)聚氨酯做堵頭的“兩堵一注”技術(shù)更加可靠，結(jié)果更加精確，且測壓時間減少16 h左右。測壓工藝比二次開孔工藝簡單，且可節(jié)約大量時間。水泥復(fù)合漿液干縮量較小，又二階段所注水泥復(fù)合漿液濃度較低且含有膨脹劑補償干縮量，水泥復(fù)合漿液仍具有一定的膨脹性，測壓效果良好。

5 結(jié)論

(1) 提出聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓方法，該改善傳統(tǒng)單一封孔工藝與“兩堵一注”技術(shù)，提高測定煤層瓦斯壓力的可靠性，尤其適用于本煤層鉆孔與上向穿層鉆孔。

(2) 通過理論分析，推導(dǎo)出預(yù)注漿階段有效封孔長度與傾角之間的函數(shù)關(guān)系，確定了近水平鉆孔封孔長度；通過黏度時變性賓漢體漿液的柱—半球形滲透注漿模型，得到漿液擴散半徑，并結(jié)合注漿孔與被注巖層夾角及漿液黏度時變性的滲透注漿模型進行注漿壓力校驗，確定注漿擴散半徑。

(3) 通過現(xiàn)場對比試驗驗證了新型聚氨酯—膠囊二次注漿封孔測壓方法的可靠性，對比膠囊粘液測壓技術(shù)，測壓結(jié)果誤差在2%以內(nèi)；比起傳統(tǒng)聚氨酯做堵頭的“兩堵一注”技術(shù)結(jié)果更加準確，且測壓時間減少16 h左右，實現(xiàn)快速封孔；克服膠囊粘液測壓不適用于瓦斯壓力大于3.5 MPa的情況。

[1] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.

[2] 林柏泉，周世寧，張仁貴.煤巷卸壓帶及其在煤和瓦斯突出危險性預(yù)測中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，22(4)：45-50.

[3] 梁冰，袁欣鵬，孫維吉，等. 分組測壓確定瓦斯有效抽采半徑試驗研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2013，30(1)：132-135，142.

[4] 王智立. 煤層透氣性對主、被動測壓法測壓結(jié)果的準確性影響研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 周福寶，李金海，昃璽，等. 煤層瓦斯抽放鉆孔的二次封孔方法研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，38(6)：764-768.

[6] 蔣承林，曹軍，蔣宏偉，等. 本煤層聚氨酯-預(yù)注漿-高壓注漿封孔測壓技術(shù)[J]. 煤炭技術(shù)，2014，33(9)：315-317.

[7] 董賀，王佰順. 聚氨酯-水泥帶壓注水封孔測壓技術(shù)研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(7)：147-151.

[8] 王浩，蔣承林，張建軍. 煤層瓦斯壓力測定中的鉆孔注漿新技術(shù)研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，21(6)：78-83.

[9] 張占存，賀振國，鄒永洺，等. 新型煤層瓦斯壓力測定封孔技術(shù)[J]. 煤礦安全，2014，45(6)：45-51.

[10] 蔣承林，王智立，崔正中，等. 下行超深鉆孔快速測定煤層瓦斯壓力技術(shù)[J]. 煤礦安全，2014，40(5)：114-117.

[11] 李季. 煤礦硬質(zhì)聚氨酯泡沫封孔安全性能實驗研究[D].北京：中國大學(xué)，2011.

[12] 李飛，林柏泉，翟成，等. 新型水力壓裂鉆孔密封材料的試驗研究[J]. 煤礦安全，2012，43(1)：12-14.

[13] 吳愛軍. 膠囊粘液封孔器在測定煤層高瓦斯壓力時失效成因分析[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9(2)：12-17.

[14] 盤福春，解慶雪，公衍偉. 高壓瓦斯測壓中膠囊黏液法的局限性及對策[J]. 煤礦開采，2013，18(3)：103-105.

[15] 阮文軍. 注漿擴散與漿液若干基本性能研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2005，27(1)：69-73.

[16] 劉泉聲，盧超波，劉濱，等. 考慮溫度及水化時間效應(yīng)的水泥漿液流變特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(S2)：3730-3740.

[17] 楊志全，侯克鵬，郭婷婷，等. 黏度時變性賓漢體漿液的柱—半球形滲透注漿機制研究[J]. 巖土力學(xué)，2011，32(9)：2697-2703.

[18] 錢自衛(wèi)，姜振泉，曹麗文. 滲透注漿漿液擴散半徑計算方法研究及應(yīng)用[J]. 工業(yè)建筑，2012，42(7)：100-104.

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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(3142015020，3142014106，3142014110)

陳學(xué)習(1972-)，男，江蘇邳州人,博士，教授，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副院長，主要從事煤礦瓦斯治理方向研究。E-mail: xuexichen1210@163.com

TD712

A

1672-7169(2016)02-0001-06