一种煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下煤层瓦斯抽采及瓦斯压力测定钻孔的密封领域，尤其涉及一种煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料及方法。

背景技术

瓦斯压力参数是煤矿井下煤层瓦斯赋存条件分析、瓦斯灾害预测及防治、瓦斯抽采能力及效果评价等过程最主要的参数依据之一。因此，实现煤层瓦斯压力的快速准确测定对于解决矿井瓦斯灾害防治和井下煤层气资源开发等均具有十分重要的意义。而在井下实际瓦斯压力测定过程中，受煤层赋存条件及巷道施工环境等影响，通常需要施工一定数量的下向钻孔进行煤层瓦斯压力参数测定来全面准确评估煤层压力大小和赋存规律。但由于下向测压钻孔长度较长，且采用水力施钻或含有层间承压水时，孔内积水积煤现象往往较为严重且排水排泥困难；同时，由于我国目前广泛采用的水泥基钻孔密封材料和化学反应型发泡材料均难以适应含水钻孔的密封，对瓦斯压力测定工作带来极大困难，造成瓦斯压力测定失败率较高且测定结果准确性差等问题。

针对上述难题，工程上常采用如专利CN102928571A和CN203035257U中所提出的风压排水排泥法，或利用封孔过程实现注浆排水法等两种方法，但此两种方法均存在程序复杂耗时长且处理结果不理想，效果参差不齐等问题，下向含水瓦斯压力测定钻孔密封仍然难以取得良好效果，这极大地制约着煤层瓦斯压力参数测定的高效性及准确性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料，以及使用该密封材料进行煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封的方法，该方法具有无需排水、快速施工、动态调节和高效密封的优点。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料，该材料是由矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料，矿用复合型高吸水材料以及高强度弹性吸水囊袋组成；

所述矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料是由以下重量份配比的组分组成：纤维素醚80～90份、聚丙烯酰胺5～10份、乙二醛1～10份、吡咯烷酮羧酸钠1～5份、抗酶防腐剂9～20份；

所述矿用复合型高吸水材料是由以下重量份配比的组分组成：高吸水树脂90～95份、聚阴离子纤维素5～10份、聚丙烯酰胺2～5份；

所述高强度弹性吸水囊袋是由阻燃抗静电试剂处理后且具有95％以上纯棉含量的吸水布料制成。阻燃抗静电试剂处理具体是指将用于缝制成囊袋的吸水布料在阻燃抗静电试剂中浸泡，然后干燥。

优选的，所述纤维素醚为复合型纤维素醚，其是由以下重量份配比的组分组成：羟丙基甲基纤维素50～80份、聚阴离子纤维素10～30份、羧甲基纤维素钠20～40份。

优选的，所述抗酶防腐剂是由以下重量份配比的组分组成：防腐剂40～50份和防霉剂50～60份。

优选的，所述防腐剂是由山梨酸钾和丙酸钙按照质量比1:1混合，防腐剂与基料优选按质量比为0.05:100进行混合。

优选的，所述防霉剂由双氯芬和苯甲酸按照质量比1:1混合，防霉剂与基料优选按质量比为0.05:100进行混合。

优选的，所述高吸水树脂是由5～10目、10～25目、40目的不同粒径且纯水吸水倍数大于500倍的抗盐碱型聚丙烯酸盐组成。

一种煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封方法，采用如上所述的钻孔密封材料，具体步骤如下：将装有矿用复合型高吸水材料的高强度弹性吸水囊袋固定到测压管前端规定位置并送入含水钻孔孔底，利用矿用复合型高吸水材料的高吸水率及充胀性形成前端堵头；然后根据孔内含水量注入相应比例矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料浆液，确保钻孔水最终形成料水比为2％～3％的相变凝胶。

上述矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料浆液的浓度需要根据钻孔水的量进行确定，如果钻孔水含量少，可注入较低浓度的浆液，当钻孔中无水时，直接注入2％～3％的浆液即可，如果钻孔水含量多，则需相应注入较高浓度的浆液进行调整，以确保钻孔水最终形成料水比为2％～3％的相变凝胶。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明将相变凝胶钻孔密封材料、复合型高吸水材料以及吸水囊袋组合用于下向含水瓦斯压力测定钻孔的密封，具有无需排水、施工快速、可动态调节和高效密封的优点。

(2)本发明所提供的相变凝胶钻孔密封材料通过利用其水溶液中微量聚丙烯酰胺初期产生的稳定低粘溶液，使得其他纤维素醚材料在凝胶点发生前处于均匀的悬浮状态，保证了相变凝胶材料在不同相变阶段中凝胶材料的稳定性和均匀性。

(3)本发明所提供的复合型高吸水材料通过利用自身不同吸水特性在高强度弹性吸水囊袋发生吸水充胀的物理反应，完成瓦斯测压管前端密封堵头功能，为下一步环保型相变凝胶钻孔密封材料浆液的注入提供可靠的环境。

(4)本发明提供的环保型相变凝胶钻孔密封材料可以直接将钻孔孔内积水变成密封浆液的一部分，有效减少了孔内排水环节；同时，环保型相变凝胶钻孔密封材料反应形成的凝胶可与钻孔围岩实现高度粘结，进而完成钻孔高效密封、快速测压的目的。

(5)本发明提供的下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料，可实现不同钻孔密封环境条件下密封材料所需性能差异化的快速调整，因此可以适应不同的含水钻孔密封环境，极大地提高了下向含水瓦斯压力测定钻孔密封的成功率，确保瓦斯压力参数测定的可靠性。

(6)本发明提供的下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料使用量仅为普通水泥基材料的3～4％，极大地降低施工人员劳动强度，有效提高钻孔密封效率。

附图说明

图1为煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封结构示意图；

图2为实施例1中的测压效果图；

图3为实施例2中的测压效果图。

图中：1-钻孔孔壁，2-相变凝胶，3-花管，4-钻孔水，5-前端堵头，6-瓦斯导管，7-后端堵头。

具体实施方式

本发明提出一种煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封材料及方法，该密封材料主要由矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料，矿用复合型高吸水材料及高强度弹性吸水囊袋组成。其中，矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料主要由以下重量份的成分组成：复合纤维素醚80～90份、聚丙烯酰胺5～10份、乙二醛1～10份、吡咯烷酮羧酸钠1～5份和复合型抗酶防腐剂9～20份组成。矿用复合型高吸水材料主要由以下重量份的成分组成：复配型高吸水树脂90～95份、聚阴离子纤维素5～10份和聚丙烯酰胺2～5份。高强度弹性吸水囊袋主要由阻燃抗静电试剂处理过的双层针织弹性棉布及管卡组成。

本发明的使用方法是将装有复合型高吸水材料的高强度弹性吸水囊袋固定到测压管前端规定位置，并用管卡固定，随后送入含水钻孔孔底，利用复合型高吸水材料的高吸水率及充胀性形成前端堵头，然后根据孔内含水量注入相应比例矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料高浓度浆液，确保钻孔水最终形成料水比为2％～3％的相变凝胶，从而实现下向含水瓦斯压力测定钻孔的科学快速密封。煤矿井下下向含水瓦斯压力测定钻孔密封结构示意图如图1所示。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

1)钻孔条件

本煤层下向含水瓦斯压力测定钻孔，钻孔倾角-7°，钻孔长度54m，封孔长度50m，孔底向上含水45m，设计气室4m，采用四分钢管为瓦斯导气管。

2)密封材料质量配比及使用量

(1)矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料：按质量百分比计由复合纤维素醚80％、聚丙烯酰胺5％、乙二醛4％、吡咯烷酮羧酸钠2％、复合型抗酶防腐剂9％组成。

复合纤维素醚按质量百分比计由羟丙基甲基纤维素70％、聚阴离子纤维素10％、羧甲基纤维素钠20％组成。

复合型抗酶防腐剂按质量百分比计由防腐剂40％和防霉剂60％组成。

所述防腐剂是由山梨酸钾和丙酸钙按照质量比1:1混合而成，防霉剂是由双氯芬和苯甲酸按照质量比1:1混合而成。

(2)矿用复合型高吸水材料：按质量百分比计由复配型高吸水树脂92％、聚阴离子纤维素5％、聚丙烯酰胺3％组成。

复配型高吸水树脂由不同粒径的纯水吸水倍数为600倍的抗盐碱型聚丙烯酸盐组成，按质量百分比计5～10目20％、10～25目70％和40目10％。

(3)高强度弹性吸水囊袋是由阻燃抗静电试剂处理后且具有95％以上纯棉含量的吸水布料制成。

(4)使用量：矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料12kg，矿用复合型高吸水材料250g。

(5)使用方法：将装有复合型高吸水材料的高强度弹性吸水囊袋固定到测压管前端规定位置，并用管卡固定，随后送入含水钻孔孔底，利用复合型高吸水材料的高吸水率及充胀性形成前端堵头，然后根据孔内含水量注入矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料高浓度浆液，确保钻孔水最终形成料水比为2％～3％的相变凝胶，从而实现下向含水瓦斯压力测定钻孔的科学快速密封。

3)测压效果

测压效果如图2所示，从图中可看出，利用本发明方法对低倾角下向钻孔密封完成后，孔内瓦斯压力快速上升，5d内便可达到最终煤层瓦斯压力测定结果的80％，在压力稳定后可长时间保持稳定不变。

实施例2

1)钻孔条件

穿层下向含水瓦斯压力测定钻孔，钻孔倾角-30°，钻孔长度52m，封孔长度46m，孔底向上含水40m，设计气室6m，采用四分钢管为瓦斯导气管。

2)密封材料质量配比及使用量

(1)矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料：按质量百分比计由复合纤维素醚80％、聚丙烯酰胺3％、乙二醛5％、吡咯烷酮羧酸钠2％、复合型抗酶防腐剂10％组成。

复合纤维素醚按质量百分比计由羟丙基甲基纤维素60％、聚阴离子纤维素15％、羧甲基纤维素钠25％组成。

复合型抗酶防腐剂按质量百分比计由防腐剂50％和防霉剂50％组成。

(2)矿用复合型高吸水材料：按质量百分比计由复配型高吸水树脂90％、聚阴离子纤维素6％、聚丙烯酰胺4％组成。

复配型高吸水树脂由不同粒径的纯水吸水倍数为600倍的抗盐碱型聚丙烯酸盐组成，按质量百分比计5～10目10％、10～25目80％和40目10％。

(3)高强度弹性吸水囊袋是由阻燃抗静电试剂处理后且具有95％以上纯棉含量的吸水布料制成。

(4)使用量：矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料10kg，矿用复合型高吸水材料250g。

(5)使用方法：将装有复合型高吸水材料的高强度弹性吸水囊袋固定到测压管前端规定位置，并用管卡固定，随后送入含水钻孔孔底，利用复合型高吸水材料的高吸水率及充胀性形成前端堵头，然后根据孔内含水量注入矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料高浓度浆液，确保钻孔水最终形成料水比为2％～3％的相变凝胶，从而实现下向含水瓦斯压力测定钻孔的科学快速密封。

3)测压效果

测压效果如图3所示，从图中可看出，利用本发明对大倾角下向钻孔密封完成后，虽然受孔内积水影响，孔内瓦斯压力上升缓慢，但瓦斯压力值呈持续稳定上升状态，30d后，瓦斯压力逐渐趋于稳定，确保了煤层瓦斯压力测定的准确性。

实施例3

密封材料由矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料，矿用复合型高吸水材料及高强度弹性吸水囊袋组成。

(1)矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料：按质量百分比计由复合纤维素醚81％、聚丙烯酰胺5％、乙二醛1％、吡咯烷酮羧酸钠4％、复合型抗酶防腐剂9％组成。

复合纤维素醚按质量百分比计由羟丙基甲基纤维素60％、聚阴离子纤维素10％、羧甲基纤维素钠30％组成。

复合型抗酶防腐剂按质量百分比计由防腐剂50％和防霉剂50％组成。

(2)矿用复合型高吸水材料：按质量百分比计由复配型高吸水树脂90％、聚阴离子纤维素5％、聚丙烯酰胺5％组成。

复配型高吸水树脂由不同粒径的纯水吸水倍数为600倍的抗盐碱型聚丙烯酸盐组成，按质量百分比计5～10目20％、10～25目70％和40目10％。

(3)高强度弹性吸水囊袋是由阻燃抗静电试剂处理后且具有95％以上纯棉含量的吸水布料制成。

使用方法等同以上实施例。

实施例4

密封材料由矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料，矿用复合型高吸水材料及高强度弹性吸水囊袋组成。

(1)矿用环保型相变凝胶钻孔密封材料：按质量百分比计由复合纤维素醚80％、聚丙烯酰胺5％、乙二醛2％、吡咯烷酮羧酸钠3％、复合型抗酶防腐剂10％组成。

复合纤维素醚按质量百分比计由羟丙基甲基纤维素50％、聚阴离子纤维素30％、羧甲基纤维素钠20％组成。

复合型抗酶防腐剂按质量百分比计由防腐剂40％和防霉剂60％组成。

(2)矿用复合型高吸水材料：按质量百分比计由复配型高吸水树脂90％、聚阴离子纤维素7％、聚丙烯酰胺3％组成。

复配型高吸水树脂由不同粒径的纯水吸水倍数为600倍的抗盐碱型聚丙烯酸盐组成，按质量百分比计5～10目10％、10～25目80％和40目10％。

(3)高强度弹性吸水囊袋是由阻燃抗静电试剂处理后且具有95％以上纯棉含量的吸水布料制成。

使用方法等同以上实施例。