一種主動式測壓方法介紹及應用

劉雪莉，戴廣龍，游繼軍

(安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

煤層瓦斯壓力是預測煤層是否具有突出危險性的一個重要指標[1]，傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測定方法都是從巖巷向煤層打鉆孔，用黃泥、砂漿等固體物來密封鉆孔，然后測定煤層瓦斯壓力，但這種測壓方法存在操作繁瑣且鉆孔密封性不能得到保證等問題，可能導致測得的瓦斯壓力低于煤層真實的瓦斯壓力[2]，針對傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測定技術存在的不足，本文提出了一種主動式測壓方法，介紹了該測壓方法的測定原理、測壓設備以及其測壓優(yōu)點，最后將這種新的測壓方法在煤礦現(xiàn)場進行應用，取得了很好的效果。

1 瓦斯壓力測定原理及測壓設備

煤層瓦斯壓力測定的原理是向煤層打一鉆孔，深入煤層內(nèi)，通過鉆孔在煤孔內(nèi)布置一根瓦斯管與外界溝通，連上瓦斯壓力表，封閉鉆孔與外界的聯(lián)系[3]。此時，由于煤孔內(nèi)的瓦斯已經(jīng)向外放散，壓力較低，煤孔周圍的煤層中瓦斯向煤孔內(nèi)運移，壓力逐漸增高。由于煤孔周圍的煤體體積遠大于煤孔的空間體積，煤層內(nèi)的吸附瓦斯量又比游離瓦斯量大得多，故經(jīng)過一段時間的瓦斯?jié)B流，煤孔內(nèi)的瓦斯壓力逐漸接近煤層的原始瓦斯壓力，從外部的壓力表上可以讀出煤孔內(nèi)的瓦斯壓力值。

我們采用的是 M-Ⅱ型瓦斯壓力測定儀測定瓦斯壓力，M-Ⅱ型瓦斯壓力測定儀的結構示意圖見圖1。

2 瓦斯壓力測定步驟

1) 制定瓦斯壓力測定方案。根據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》的要求，測壓地點應按照不同的地質單元分別進行布置，每個地質單元內(nèi)在煤層走向和傾向方向分別布置3個以上測點。為準確測定煤層瓦斯壓力，使測出的壓力值能夠代表煤層的原始瓦斯壓力，在該地質單元內(nèi)，對所有可能進行測壓的地點進行了篩選，要求測壓地點應選在不受斷層影響和裂隙小的地區(qū)[4-5]。

圖1 M-Ⅱ型瓦斯壓力測定儀結構示意圖

2) 施工測壓鉆孔。在選定的測壓地點施工測壓鉆孔，鉆孔直徑為75mm左右，施工過程中要確保鉆孔盡量平滑不彎曲。

3) 封孔。鉆孔完工后，清除孔底的鉆屑，然后立即將封孔器送入鉆孔。將測壓儀放入鉆孔預定位置后， 利用手動加壓泵1將乳化液壓力加至3.0MPa左右，用手動泵2將乳化液壓入鉆孔封孔段，并使乳化液壓力高于氣體壓力0.3～0.5MPa；在測試中，應使乳化液壓力高于預計氣體壓力1.5MPa，然后用充氣瓶通過氣體管向測壓氣室內(nèi)充入氮氣，充氣壓力應略高于煤層預測的原始瓦斯壓力。

4) 觀察并記錄壓力表讀數(shù)。當氣瓶向測壓氣室注完氮氣后立即關閉氣瓶閥門，此時的壓力表讀數(shù)應該最大，隨后讀數(shù)會逐漸下降，當讀數(shù)降到某個值不再變化時此時的讀數(shù)即為該煤層的真實瓦斯壓力。

3 主動式測壓方法的優(yōu)點

1) 操作簡單方便，密封性好，并且能檢測出鉆孔密封性的好壞。傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測定方法其操作繁瑣，所用的封孔材料如黃泥、聚氨酯、水泥砂漿等必須提前將配比調好，并且封孔后測壓鉆孔的密封性不能檢測；而該主動式測壓方法其采用的封孔原理是固體封液體，液體封氣體，該測壓方法除了利用兩個膠囊封孔外，在兩個膠囊之間沖入一定壓力的黏液，黏液的壓力略高于瓦斯壓力，黏液在壓力作用下滲入鉆孔周邊裂隙，阻止了瓦斯的泄露，并且鉆孔的氣密性可以從充氣后的壓力表上看出來，一旦鉆孔的密封性不好，壓力表的讀數(shù)則會瞬間從最大值變?yōu)榱悖ㄟ^觀察壓力表的讀數(shù)變化可以直接檢測出鉆孔的密封性好壞。

2) 測壓時間短，瓦斯壓力穩(wěn)定快。傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測定方法其測壓時間需20d左右，而該主動式測壓方法只需10d左右，甚至更短，充氣后1h內(nèi)壓力表穩(wěn)定的讀數(shù)即為煤層的真實瓦斯壓力。傳統(tǒng)的被動式測壓方法其在打鉆過程中煤層中的瓦斯就順著鉆孔向外流動，并且打鉆時間越長，瓦斯的損失量就越多，封孔后由于瓦斯?jié)B透擴散作用，煤層瓦斯從壓力高的地方流向鉆孔的氣室內(nèi)以彌補打鉆及封孔過程中的瓦斯損失量，只有當氣室內(nèi)的瓦斯壓力接近煤層的瓦斯壓力的時候，壓力表才會顯示讀數(shù)。而該主動式測壓方法在鉆孔密封后向測壓氣室內(nèi)注入略高于煤層預測原始瓦斯壓力的氣體不僅可以彌補打鉆過程中的瓦斯損失量，而且氣室內(nèi)的高壓力氣體在高壓作用下迅速向低瓦斯壓力地方流動，這樣煤層瓦斯壓力會在很短時間內(nèi)重新達到平衡，壓力表讀數(shù)就會穩(wěn)定，這個過程經(jīng)現(xiàn)場測試僅需要1h左右，之后只需每天觀測一下壓力表的讀數(shù)，整個測壓過程完成也就5～10d。

3) 瓦斯壓力測定結果更準確。由于傳統(tǒng)的被動式測壓方法其測壓氣室內(nèi)瓦斯壓力的平衡全部依靠煤層瓦斯的滲透擴散作用，而瓦斯的滲透擴散作用受瓦斯壓力的影響很大，瓦斯壓力越高其滲透擴散越快，一旦煤層的原始瓦斯壓力不是很大，再加上巷道或者采空區(qū)等泄壓帶的影響，其煤層瓦斯壓力就會更小，這樣瓦斯的滲透擴散作用會很弱，導致測壓氣室內(nèi)瓦斯壓力很小甚至沒有，從而壓力表也就顯示很小甚至無讀數(shù)。而主動式測壓就可以解決這一問題，因為起始氣室內(nèi)的氣體壓力就高于該煤層其他地方的瓦斯壓力，所以氣室內(nèi)的氣體只會向低瓦斯壓力的地方流動，平衡一旦建立，壓力表的讀數(shù)就將穩(wěn)定下來，該讀數(shù)即為煤層的瓦斯壓力。

4 現(xiàn)場應用

位于貴州省大方縣星宿鄉(xiāng)的瑞豐煤礦，其區(qū)域位于新場東翼北端，礦區(qū)為單斜構造，地層呈單斜產(chǎn)出，傾向210°～249°,傾角9°～16°，平均15°左右。區(qū)內(nèi)含煤巖系為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，含煤15～26層。含煤巖系總厚112～151m,平均厚128m,含煤總厚6.35m，含煤率4.96%,含可采煤層3層即M18、M51、M73煤層，平均總厚4.45m，煤質均為中-低硫無煙煤，本次進行進行測壓的煤層為M73煤層。

由于瑞豐煤礦井田范圍很小，井田內(nèi)無斷層構造的存在，可以按照一個地質單元考慮。根據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》的要求，本次測壓地點選在回風下山鉆場、回風下山、軌道下山、輸送帶下山鉆場以及輸送帶下山五處，每處測壓點布置兩個測壓鉆孔，共計十個測壓鉆孔，其中M73-1、M73-3、M73-5、M73-7、M73-9鉆孔采用傳統(tǒng)的被動式測壓方法，M73-2、M73-4、M73-6、M73-8、M73-10鉆孔采用主動式測壓方法，各測壓鉆孔瓦斯壓力值如表1所示。根據(jù)礦方提供的資料及對M73煤層瓦斯含量的測定，初步預測M73煤層原始瓦斯壓力為0.5MPa，在使用主動式測壓方法的五個測壓鉆孔中沖入0.6MPa的氮氣，待測壓過程結束后將各鉆孔瓦斯壓力隨時間的變化關系繪制成曲線，曲線圖見圖2、3所示。

表1 各測壓鉆孔瓦斯壓力數(shù)據(jù)記錄

圖2 M73-1、M73-3、M73-5、M73-7、M73-9鉆孔瓦斯壓力上升曲線圖

從表1可以看出:同一測壓地點用兩種不同的測壓方法其測壓結果也不同，并且可以看出使用主動式測壓方法其測壓結果更接近煤層原始瓦斯壓力；從圖2可以看出使用傳統(tǒng)的被動式測壓方法其瓦斯壓力穩(wěn)定要10d左右，之后還要繼續(xù)觀察，整個測壓過程結束需20d左右；而通過對圖3分析可以看出使用主動式測壓方法其瓦斯壓力穩(wěn)定只需50min左右，之后只需觀察5～10d即可，由此可見采用該主動式測壓方法可以最大限度的縮短測壓時間，極大的提高了工作效率。

圖3 M73-2、M73-4、M73-6、M73-8、M73-10鉆孔瓦斯壓力下降曲線圖

5 結論

通過現(xiàn)場應用可以看出使用該主動式測壓方法測出的煤層瓦斯壓力更接近煤層原始瓦斯壓力，這為煤礦現(xiàn)場合理制定瓦斯災害防治方案提供可靠依據(jù)，同時該主動式測壓方法能夠快速的測出煤層瓦斯壓力。當煤礦需要通過制定瓦斯治理方案來保證生產(chǎn)時，主動測壓方法能夠節(jié)約大量時間，提高工作效率，因此在煤礦生產(chǎn)過程中這種測壓方法具有極大的推廣價值。

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

[2] 張鐵崗．礦井瓦斯綜合治理技術[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

[3] 于不凡．煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005．

[4] 國家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦安全規(guī)程[G]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[5] 中華人民共和國煤炭工業(yè)部．防治煤與瓦斯突出規(guī)定[G]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．