瓦斯壓力測試方法的技術應用研究

張永俊，張兵奇，陳懿博

(1．古交市煤炭工業局，山西 古交 030200; 2．河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454003)

煤層瓦斯壓力是指原始煤體孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力，也可稱為“煤層氣壓力”。是礦井瓦斯基本參數之一，它對于確定煤層瓦斯含量，進行礦井瓦斯涌出治理，瓦斯抽放以及煤與瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意義。

在治理礦井瓦斯的長期實踐中，已探索出了許多井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法，在這些測定方法中，多數準確度高、易操作，但也有不少的測定方法其準確度低、可靠性差。因此，有必要對煤層瓦斯壓力的測定方法進行規范，并在此基礎上制定煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測定的行業標準［1］。

測試方法分類根據國家安全生產監督管理總局發布的煤炭標準“煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法(AQ/T 1047 －2007)［2］，常見的瓦斯壓力測定方法有測壓法和封孔法。

1 工程實踐

山西古交煤焦集團金之中煤業有限公司由原古交市金之中煤礦有限公司單獨保留而成，生產能力45 萬 t/a，批準開采 2+3、4、6、7、8、9 號煤層。各煤層運輸大巷、軌道大巷均沿煤層底板布置，回風大巷沿煤層頂板布置。各水平回風大巷通過暗斜井與4號煤層總回風大巷聯通。礦井通風方式為中央分列式，風機工作方法為機械抽出式。

根據山西省煤炭工業局綜合測試中心2010年6月編制的《山西古交煤焦集團金之中煤業有限公司4號煤層瓦斯涌出量預測報告》以及山西國辰建設工程勘察設計有限公司編制的《山西古交煤焦集團金之中煤業有限公司礦井瓦斯抽放初步設計》中采用分源預測法對礦井的瓦斯涌出量進行了預測：礦井達到45萬t生產能力，在4號煤層開采時，礦井絕對瓦斯涌出量為14．71 m3/min，相對瓦斯涌出量為15．53 m3/t。礦井為高瓦斯礦井。

結合該礦井及鄰近山西屯蘭礦的瓦斯壓力情況，為了安全起見，需對該礦井的瓦斯壓力進行測定。

2 瓦斯參數測定方案

本次測壓采用注漿封孔、被動測壓方法，測定金之中煤業有限公司4號、8號、9號煤層瓦斯壓力。鉆孔方向為上向鉆孔。即選擇好鉆孔位置后，利用鉆機沿煤層傾斜方向或穿巖層施工上向鉆孔，然后向測壓鉆孔安設測壓管等設備，對孔口進行密封后，采用注漿泵向鉆孔注入漿液，等漿液凝固并產生一定強度后安裝壓力表進行壓力測試的方法。

2．1 測試地點

1)4號煤層瓦斯壓力測試地點。

4號煤層瓦斯壓力測點布置在4號煤層軌道平巷。其中，1號孔口標高為+783 m，距離副井井筒170 m，終孔標高788．4 m。2號孔口標高為+785．5m，距離副井井筒200 m，終孔標高790．9 m。鉆孔傾角6°，鉆孔長52 m，鉆孔與煤壁夾角約100°，兩鉆孔基本平行，1號孔和2號鉆孔孔底間距30 m。

2)8號煤層瓦斯壓力測試地點。

8號煤層瓦斯測點孔口布置在9號煤層的軌道上山，鉆孔為穿巖層布置。3號孔口標高+779．5m，距離副井井筒96 m，見煤標高+796．5 m。4號孔口標高+780．5 m，距離副井井筒101 m，見煤標高 +797．5 m。鉆孔傾角45°，鉆孔長約25 m，3號鉆孔與煤壁夾角約120°，4號鉆孔與煤壁夾角約100°，孔口間距5 m，孔底間距約40 m。

3)9號煤層瓦斯壓力測試地點。

9號煤層瓦斯壓力測點布置在9號煤層的軌道上山。其中，5號孔口標高為+782．5 m，距離副井井筒128 m，終孔標高+787．9 m。6號孔口標高為+784 m，距離副井井筒158 m，終孔標高 +789．4 m。鉆孔傾角6°，鉆孔長52 m，鉆孔與煤壁夾角約100°，兩鉆孔基本平行，5號和6號鉆孔孔底間距約30 m。

2．2 測壓規范和要求

利用順層鉆孔和穿層直接測定瓦斯壓力，鉆孔方法為上向鉆孔，水泥漿封孔，被動式測壓。瓦斯壓力測定執行《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》(AQ/T1047－2007)。各測壓鉆孔封孔示意圖見圖1。

圖1 上向鉆孔測壓示意圖

1)測壓鉆孔施工參數。

金之中煤業有限公司4號、8號、9號煤層的6個測點鉆孔均為上向鉆孔，每組鉆孔的終孔位置間距大于20 m以上，施工鉆機型號為ZDY－650，鉆孔直徑均為d95 mm，所布置的6個地點各個鉆孔施工實際參數見表1。

表1 測壓鉆孔施工實際參數

2)測壓鉆孔施工與封孔。

本次瓦斯壓力現場測定的封孔工藝采用“膨脹不收縮水泥封孔法”進行封孔，測壓方法采用被動式測壓法。各鉆孔均在施工鉆孔后24 h內進行注漿封孔工作，并且各鉆孔等24 h漿體凝固產生一定強度后才安裝壓力表，具體的測壓鉆孔施工與封孔情況見表2。

表2 測壓鉆孔施工與封孔情況

2．3 測壓進度與觀測時間

1)測壓進度安排。

a)2012年3月20日—2012年4月1日：井上下調研和資料收集。b)2012年3月20日—2012年5月20日：測壓鉆孔施工、封孔注漿和瓦斯壓力觀測。

2)壓力觀測時間的確定應遵循以下原則：

a)采用被動測壓法，則視煤層瓦斯壓力及透氣性大小的不同，其觀測時間一般需20～30 d以上。b)瓦斯壓力值在開始測定的第一周內，應2天觀測一次，并做好記錄。c)將觀測結果繪制在以時間(d)為橫坐標、瓦斯壓力(MPa)為縱坐標的坐標圖上，當觀測時間20～30天以上，如果壓力變化在3 d內小于0．015 MPa，測壓工作結束，否則繼續觀測。

3 測試結果

3．1 瓦斯壓力變化曲線

金之中煤業有限公司4號、8號、9號煤層瓦斯壓力數據觀測歷時近2個多月，由河南理工大學科研人員和礦方工程技術人員共同觀測，瓦斯壓力平穩上升，無異常變化，具體情況如下：

金之中煤礦4號煤層1號孔于2012年3月25號安裝壓力表，4月8日瓦斯壓力升為0．07 MPa，至24號表壓穩定在0．07 MPa，其壓力變化曲線見圖2。

圖2 1號孔瓦斯壓力變化曲線(4號煤層)

金之中煤業有限公司4號煤層2號孔于2012年4月21號安裝壓力表，5月5日瓦斯壓力升為0．09 MPa，至5月19號表壓穩定在0．09 MPa，其壓力變化曲線見圖3。

金之中煤業有限公司8號煤層3號孔于2012年3月26號安裝壓力表，4月11日瓦斯壓力升為0．28 MPa，至4月24日號表壓穩定在0．28 MPa，其壓力變化曲線見圖4。

金之中煤業有限公司8號煤層4號孔于2012年4月23號安裝壓力表，5月9日瓦斯壓力升為0．25 MPa，至5月19號表壓穩定在0．25 MPa，其壓力變化曲線見圖5。

金之中煤業有限公司9號煤層5號孔于2012年3月29號安裝壓力表，4月16日瓦斯壓力升為0．36 MPa，至4月24日號表壓穩定在0．36 MPa，其壓力變化曲線見圖6。

金之中煤業有限公司9號煤層6號孔于2012年4月23號安裝壓力表，5月13日瓦斯壓力升為0．32 MPa，至5月19號表壓穩定在0．32 MPa，其壓力變化曲線見圖7。

3．2 瓦斯壓力測定結果

封孔以后，經過定時觀察和記錄瓦斯壓力，并仔細檢查漏氣情況，如瓦斯壓力連續數天無變化，則可認為這個穩定的壓力就是煤層瓦斯壓力。

基于金之中煤業有限公司4號、8號、9號煤層現有的施工情況，各測定地點壓力測試鉆孔深度順層鉆孔52 m，封孔50 m，穿層鉆孔25 m，封孔20 m，且無卸壓影響，煤層瓦斯封閉情況較好，因此，所測瓦斯壓力能夠真實反映所測區域的瓦斯原始壓力，經過30天左右時間的測定，瓦斯壓力結果見表3。

表3 瓦斯壓力測試結果表

4 結論

1)4號煤層測點標高 +788．4～ +790．9 m，最大瓦斯壓力(絕對壓力)為0．17～0．19 MPa，最高瓦斯含量2．16 ～2．26 m3/t;8 號煤層測點標高 +796．5 ～+797．5 m，最大瓦斯壓力(絕對壓力)為 0．35 ～0．38 MPa，最高瓦斯含量3．55～4．25 m3/t;9號煤層測點標高 +787．9～ +789．4 m，最大瓦斯壓力(絕對壓力)為0．42 ～0．46 MPa，最高瓦斯含量6．24 ～6．37 m3/t。

2)測試結果符合預期設想。

3) 絕對瓦斯壓力為 0．19 ～0．46≤0．74，即實際測試瓦斯壓力小于規定危險值。

4)僅從瓦斯壓力方面來看金之中煤業有限公司4、8、9號煤層在目前測點控制范圍內無煤與瓦斯突出危險性。

5)建議金之中煤業有限公司4、8、9號煤層在開拓新水平、新采區，或采深增加超過50 m，或者進入新的地質單元時，重新測定4、8、9號煤層的煤層瓦斯壓力等瓦斯參數。

［1］ 王永文．鉆屑解析指標與瓦斯壓力的應用關系［J］．遼寧工程技術大學學報，2010，3(29)：396－397．

［2］ 國家安監總局．AQ/T 1047－2007煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法［S］．北京：煤炭工業出版社，2007．