蔣承林 王智立 崔正中 李曉偉

（1.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.中煤平朔集團(tuán)有限責(zé)任公司井工二礦，山西省朔州市，036006）

下行超深鉆孔快速測(cè)定煤層瓦斯壓力技術(shù)＊

蔣承林1，2王智立2崔正中3李曉偉1，2

（1.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.中煤平朔集團(tuán)有限責(zé)任公司井工二礦，山西省朔州市，036006）

通過(guò)對(duì)下行孔測(cè)壓的封孔方式分析研究，研制出一套用于下行超深鉆孔測(cè)壓的瓦斯壓力測(cè)定儀。分析了下行孔測(cè)壓儀的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)密封裝置的各個(gè)部件進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，證明了該封孔裝置具有良好的密封效果。在花秋二礦采用下行孔測(cè)壓儀進(jìn)行了煤層瓦斯壓力測(cè)定研究，提出一種采用高壓注漿結(jié)合下行孔測(cè)壓儀的技術(shù)方法。

瓦斯壓力測(cè)定 下行超深鉆孔 下行孔測(cè)壓儀 高壓注漿

目前，測(cè)定煤層瓦斯壓力最主要的方法是通過(guò)在井下施工測(cè)壓鉆孔來(lái)完成瓦斯壓力測(cè)定，但是測(cè)壓鉆孔的施工和密封受多種因素的影響，其中下行鉆孔特別是下行超深鉆孔成孔質(zhì)量和封孔效果難以保證，從而導(dǎo)致測(cè)壓成功率較低?，F(xiàn)場(chǎng)盡可能采用成孔率較高的上向孔，但由于巷道布置或影響生產(chǎn)等原因，有時(shí)不具備上行孔測(cè)壓的條件，因此研究在下行超深鉆孔條件下快速測(cè)定煤層瓦斯壓力技術(shù)是十分必要的。

1 下行孔測(cè)定煤層瓦斯壓力技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外在下行孔封孔中常用水泥砂漿封孔法、膠囊壓力粘液封孔器法和高壓注漿-膠囊壓力粘液封孔器法。一般情況下，水泥砂漿封孔方法主要針對(duì)煤層周圍沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造、巖層穩(wěn)定且無(wú)淋水的情況，其適用性強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)單、封孔深度長(zhǎng)、密封性好，在下行孔封孔中應(yīng)用廣泛。但該方法存在應(yīng)用的局限性：在復(fù)雜地質(zhì)條件下難以完全封堵鉆孔周邊巖體裂隙，密封性達(dá)不到要求，測(cè)出的瓦斯壓力值往往低于真實(shí)的煤體瓦斯壓力；在下行孔封孔中，尤其是在下行超深孔封孔過(guò)程中，水泥漿液和水在重力作用下，容易流入測(cè)壓室，堵塞花眼，造成測(cè)壓失??；注入水泥漿后，必須要等到水泥漿液充分凝固后才能安裝壓力表，增加了鉆孔的暴露時(shí)間及瓦斯泄漏量，勢(shì)必會(huì)增加瓦斯壓力上升的平衡時(shí)間。

膠囊壓力黏液封孔器測(cè)壓法在堅(jiān)硬且致密的巖石里測(cè)瓦斯壓力效果比較好，封孔器可以重復(fù)使用。缺點(diǎn)是該封孔器操作較為復(fù)雜，若操作不當(dāng)容易從鉆孔中推出傷人，具有一定的危險(xiǎn)性；在松軟巖層或煤層測(cè)壓時(shí)容易出現(xiàn)塌孔，膠囊會(huì)被埋入鉆孔中，回收困難，從而導(dǎo)致測(cè)壓成本增加；隨著封孔深度的增加，無(wú)法保證設(shè)備和測(cè)壓人員的安全性，因此該測(cè)壓法并不適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的下行超深孔封孔。

高壓注漿—膠囊壓力粘液封孔器測(cè)壓法經(jīng)過(guò)高壓注漿處理巖層后，適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的快速測(cè)壓，但是在超深孔測(cè)壓中，由于其封孔深度小，造成測(cè)壓室過(guò)大，導(dǎo)致瓦斯壓力上升的平衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2 下行孔測(cè)壓儀的研制及密封性檢測(cè)

2.1 下行孔測(cè)壓儀的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研制的下行孔測(cè)壓儀是由ZF-A45膨脹膠囊、無(wú)縫鋼管、前端接頭及后端接頭等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)壓儀結(jié)構(gòu)圖

該測(cè)壓儀工作原理是將測(cè)壓封孔裝置經(jīng)連接的四分管放置在鉆孔底部 （留有1 m左右的測(cè)壓室），利用壓水泵將水壓入可膨脹膠囊中，使得膠囊膨脹封住鉆孔，膨脹了的膠囊將測(cè)壓孔阻隔為測(cè)壓室和封孔段兩部分，然后往鉆孔內(nèi)灌滿水泥漿液，接上壓力表，即完成封孔。下行孔測(cè)壓儀測(cè)壓原理如圖2所示。

2.2 測(cè)壓儀密封性效果檢測(cè)

測(cè)壓儀在測(cè)壓中的作用是注水膨脹后與鉆孔壁貼緊，一方面阻止瓦斯通過(guò)裂隙向外界泄漏，另一方面是阻止灌入的水泥漿液流入測(cè)壓室。向膠囊內(nèi)部注入高壓水 （高壓水的作用是使其膨脹），注入的高壓水在膠囊和無(wú)縫鋼管之間不發(fā)生泄漏，為了達(dá)到密封壓力水的要求，在后部接頭里面加了O型密封圈，前端接頭與無(wú)縫鋼管和ZF-A45膨脹膠囊連接時(shí)纏上生料帶，這樣就堵死了高壓水在測(cè)壓儀內(nèi)的泄漏通道，保證了測(cè)壓儀的膨脹性一直保持不變，直至水泥漿液凝固。

圖2 下行孔測(cè)壓儀測(cè)壓原理圖

因膠囊與鋼管的濕摩擦系數(shù)小于膠囊與巖層鉆孔的濕摩擦系數(shù)，所以可以用鋼管模擬現(xiàn)場(chǎng)的巖層鉆孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況注水壓力在3～5 MPa，因此在試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)壓儀端頭的密實(shí)性試驗(yàn)時(shí)，保證測(cè)壓儀內(nèi)的水壓不小于5～8 MPa。測(cè)壓儀膨脹后不僅可以完全密封鉆孔，而且阻止水泥漿液流入測(cè)壓室。試驗(yàn)室的檢漏結(jié)果證明，下行孔測(cè)壓儀各個(gè)部件具有很好的密實(shí)性，完全能夠符合現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。

3 新技術(shù)在花秋二礦的應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 測(cè)壓鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)花秋二礦目前的巷道情況和井下施工條件，將1＃、2＃測(cè)壓鉆孔布置在550水平西大巷掘進(jìn)頭，3＃、4＃測(cè)壓鉆孔布置在550水平東大巷上山掘進(jìn)頭，其中1＃、2＃測(cè)壓孔完成對(duì)比試驗(yàn)一，比較下行孔測(cè)壓儀與膠囊—壓力粘液封孔器在下行超深鉆孔測(cè)壓中的測(cè)壓效果；3＃、4＃測(cè)壓孔完成對(duì)比試驗(yàn)二，比較下行孔測(cè)壓儀與水泥砂漿封孔法在下行超深鉆孔測(cè)壓中的測(cè)壓效果。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 花秋二礦16＃煤層1?！?＃鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 下行孔測(cè)壓儀測(cè)壓

3.2.1 鉆孔高壓注漿——注漿封孔器法

目前通常使用孔口管來(lái)封堵高壓水泥漿液進(jìn)行鉆孔高壓注漿，但固定孔口管操作工序復(fù)雜，耽誤工程進(jìn)度，也存在很多不安全因素。本試驗(yàn)采用注漿封孔器進(jìn)行鉆孔高壓注漿。

用直徑75 mm的鉆頭按照符合設(shè)計(jì)要求的鉆孔參數(shù)開(kāi)鉆打孔，見(jiàn)煤立即停鉆，壓風(fēng)清孔，清除孔內(nèi)積留的水；將封孔器放入打好的鉆孔，封孔器的膠囊放入孔內(nèi)即可，接好壓水泵，往膠囊注入高壓水，使之膨脹密封住鉆孔，待穩(wěn)定10 min后關(guān)掉壓水泵的泄壓閥；連接注漿泵和封孔器后端的鋼管，高壓注入準(zhǔn)備好的水泥漿液 （水泥漿配比為水∶水泥=0.75∶1）；待注漿壓力達(dá)到12 MPa后，停止注漿 （停止注漿后，單向閥的作用可以阻止注入鉆孔內(nèi)的高壓水泥漿液回流到注漿管路），沖洗注漿機(jī)注漿管路；注漿過(guò)程中要派專人觀察注漿壓力，以防壓力過(guò)高；待漿液達(dá)到半凝固狀態(tài)時(shí)，將封孔器拔出 （只有當(dāng)漿液是半凝固狀態(tài)時(shí)才可以拔出注漿封孔器，過(guò)早拔出，漿液沒(méi)有達(dá)到半凝固狀態(tài)，在高壓下容易流出，影響注漿效果；過(guò)晚拔出，漿液充分凝固，注漿封孔器難以拔出）；最后沖洗注漿封孔器表面以及鋼管內(nèi)部和單向閥，避免水泥漿液凝固堵塞而影響下次使用。

3.2.2 測(cè)壓儀封孔步驟

（1）沿上述高壓注漿孔施工，直到見(jiàn)煤并鉆入煤層中約0.8 m停止，不要入煤層太深，這樣可以減少打鉆期間的瓦斯泄漏量。

（2）測(cè)壓鉆孔打好后換壓風(fēng)進(jìn)行清孔，將測(cè)壓儀放入鉆孔中指定位置。

（3）將下行孔測(cè)壓儀連接好水管和四分管，放入鉆孔中，直到接近煤層位置，瓦斯室長(zhǎng)度保持在1～2 m。

（4）將連接測(cè)壓儀的水管接上水壓泵，向測(cè)壓儀中注入壓力水，使膠囊膨脹密封鉆孔，穩(wěn)定一段時(shí)間后向鉆孔中倒入提前準(zhǔn)備好的水泥漿液，直到注滿整個(gè)鉆孔，水泥漿完全凝固后可關(guān)閉連接水管和水泵的單向閥，撤去水泵。

（5）安裝好壓力表，觀察數(shù)據(jù)，穩(wěn)定后即可得出煤層瓦斯壓力。

3.3 測(cè)壓結(jié)果分析

1＃、2＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線如圖3所示，3＃、4＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線如圖4所示。通過(guò)在花秋二礦完成的兩組對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合瓦斯壓力數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的變化曲線，以及以往現(xiàn)場(chǎng)使用膠囊-壓力粘液封孔器和水泥砂漿封孔法測(cè)定煤層瓦斯壓力的經(jīng)驗(yàn)，主要從安全性、密封性、可靠性來(lái)分析下行孔測(cè)壓儀在下行超深鉆孔測(cè)壓中的應(yīng)用情況。

3.3.1 安全性

（1）設(shè)備方面。由于下行孔測(cè)壓儀是一次性的，測(cè)壓結(jié)束后不用回收測(cè)壓儀。使用膠囊-壓力粘液封孔器封孔，往往設(shè)備卡在鉆孔中，無(wú)法回收，尤其是在下行孔測(cè)壓時(shí)，回收更加困難。

（2）人員方面。使用膠囊-壓力粘液封孔器封孔，測(cè)壓結(jié)束后，如測(cè)壓人員回收測(cè)壓設(shè)備不當(dāng)，容易被測(cè)壓室內(nèi)積聚的高壓瓦斯沖出的封孔器打傷，而使用下行孔測(cè)壓儀，排除了以往測(cè)壓人員在回收封孔器時(shí)存在的安全隱患。

圖3 1＃、2＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線

3.3.2 密封性

（1）一次密封。下行孔測(cè)壓儀深入到待測(cè)煤層后，通過(guò)連接測(cè)壓儀的水管向膠囊注水，膠囊膨脹密封鉆孔后即可安裝壓力表，而不必等到水泥漿液凝固，減少鉆孔暴露時(shí)間，縮短瓦斯壓力平衡時(shí)間，提高測(cè)壓速率。從對(duì)比試驗(yàn)二可以看出，使用水泥砂漿封孔法要等到水泥砂漿凝固后才可以安裝壓力表，增加了瓦斯壓力的平衡時(shí)間。

圖4 3＃、4＃鉆孔瓦斯壓力變化曲線

（2）二次密封。待膠囊膨脹后，向儀器后端的鉆孔中倒?jié)M水泥漿，水泥漿凝固后二次密封鉆孔。

3.3.3 可靠性

使用膠囊-壓力粘液封孔器測(cè)壓需要在測(cè)壓期間維持膠囊水壓和粘液壓力來(lái)保證封孔效果。而使用下行孔測(cè)壓儀測(cè)壓在水泥漿液凝固后，就不再需要維持測(cè)壓儀的水壓，靠水泥漿液就可密封鉆孔，避免了膠囊壓力和粘液壓力下降導(dǎo)致測(cè)壓室與外界貫通從而導(dǎo)致測(cè)壓失敗的可能性，提高了測(cè)壓系統(tǒng)的可靠性。

下行孔測(cè)壓儀方法使用膨脹膠囊隔離測(cè)壓室，成功率高，而在水泥砂漿封孔法中，靠擋板和棉絮來(lái)分隔水泥漿液，操作復(fù)雜，成功率低。

4 結(jié)論

（1）提出在復(fù)雜地質(zhì)條件下測(cè)壓，必須用高壓注漿進(jìn)行地層處理，以此來(lái)改善鉆孔圍巖環(huán)境，研制了新型注漿封孔器。

（2）分析了下行孔測(cè)壓儀的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)密封裝置的各個(gè)部件進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，證明了該封孔裝置具有良好的密封效果。

（3）下行孔測(cè)壓儀、膠囊-壓力粘液封孔器以及水泥砂漿封孔法3種不同封孔方法在花秋二礦進(jìn)行煤層瓦斯壓力測(cè)定表明，下行孔測(cè)壓儀在下行超深鉆孔測(cè)壓中，封孔方便，操作簡(jiǎn)單，提高了整體效率和測(cè)壓準(zhǔn)確性，從安全性、密封性、可靠性的角度都值得推廣使用。

［1］孟凡龍，蔣承林等 .煤層瓦斯測(cè)壓中注漿封堵鉆孔圍巖裂隙的分析 ［J］.煤礦安全，2010（1）

［2］高亞斌，林柏泉等 .新型耐高壓鉆孔密封方法試驗(yàn)研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2013（2）

［3］王法凱，蔣承林等 .圍巖含水條件下快速測(cè)壓工藝［J］.煤礦現(xiàn)代化，2010 （2）

［4］趙志法，張慶華等 .下向穿松軟煤層涌水鉆孔測(cè)壓技術(shù)研究 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008（5）

［5］俞啟香 .礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1993

［6］翟果紅，蔣承林等 .基于高壓注漿與膠囊壓力黏液封孔技術(shù)的瓦斯測(cè)壓 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（5）

［7］黃旭超，何清等 .復(fù)雜地質(zhì)條件下測(cè)壓鉆孔的幾種封孔工藝 ［J］.能源技術(shù)及管理，2009（1）

Fast gas measuring technique for downward ultra deep boreholes

Jiang Chenglin1，2，Wang Zhili2，Cui Zhengzhong3，Li Xiaowei1，2
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；3.No.2 Mine，China Coal Pingshuo Group Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036006，China）

On the basis of research on downward borehole sealing for pressure measurement，a set of gas pressure instrument suitable for downward ultra deep boreholes was developed.Its structural composition and operating principle were analyzed.It is proved that the sealing device possesses good sealing effect after leak tests for different parts.This pressure instrument for downward boreholes was applied to Huaqiu Second Mine to measure the coal seam gas pressure.Meanwhile，the gas measuring technique combined with pressure instrument for downward borehole and grouting under high pressure was proposed.

measurement of gas pressure，downward ultra deep boreholes，piezometer for downward boreholes，grouting under high pressure

TD712.55

A

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)青年科技基金資助項(xiàng)目（2009A004）

蔣承林 （1956-），男，安徽黃山市人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）