涌水條件下的下向鉆孔煤層瓦斯壓力測定技術*

趙 晶

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京市朝陽區，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區，100013）

★煤礦安全★

涌水條件下的下向鉆孔煤層瓦斯壓力測定技術*

趙 晶1，2，3

（1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京市朝陽區，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區，100013）

針對下向涌水鉆孔煤層瓦斯壓力測定的難點，通過兩堵一注的水泥砂漿封孔技術使下向涌水鉆孔形成良好的位于裂隙含水層以外的測壓氣室，較好地封堵裂隙含水層，消除其對瓦斯壓力測定的影響。通過對測壓鉆孔周圍瓦斯壓力和水壓力曲線分布的分析，結合現場封孔測壓數據，確保了下向涌水鉆孔煤層瓦斯壓力測定結果的準確性。

涌水 下向鉆孔 瓦斯壓力 兩堵一注封孔工藝 瓦斯壓力恢復曲線

煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙內氣體分子自由熱運動所產生的作用力，應用較為廣泛的是未受采動、瓦斯抽采及人為卸壓等因素影響的原始煤層瓦斯壓力，以此作為評價煤層突出危險性的首選指標。同時，煤層瓦斯壓力還是決定瓦斯流動動力以及動力現象潛能的基本參數，在評價瓦斯儲量、涌出、抽采、突出等問題中均具有指導意義。盡管封孔測壓技術在我國已經比較成熟，但不能保證每次測壓都能測得真實煤層瓦斯壓力。鉆孔施工過程中難免穿過含水層或裂隙含水層，在不能有效封堵涌水情況下，將影響壓力數據的可靠性，甚至報廢鉆孔，造成人力、物力、財力和時間的極大浪費。因此，在現有普遍應用的封孔技術條件下，選擇合理的鉆孔施工方法及封孔工藝，通過分析含水測壓孔壓力恢復曲線，獲得煤層較為真實的瓦斯壓力具有現實意義。

1　概述

1.1礦井概況

山西朱家店煤礦井田南北走向長約4.5 km，東西傾斜寬約3.1～4.6 km，面積為17.152 km2，設計產量120萬t/a，準采標高為+1099.99～+ 459.99 m。目前僅南翼一采區0401工作面正在回采，開采二疊系下統山西組4#煤層，山西組砂巖含水組為其直接充水含水層，礦井涌水量約100 m3/d。

1.2瓦斯涌出情況

0401工作面在回采過程中，揭露兩條正斷層，2014年3月12日風排瓦斯涌出量為2.6 m3/min；4月12日風排瓦斯涌出量為3.8 m3/min；4月21日風排瓦斯涌出量為5.5 m3/min。截止到2014年4月，該工作面已在本煤層抽放2年左右，實測工作殘余瓦斯含量在3 m3/t左右，瓦斯異常涌出主要原因是鄰近層瓦斯涌出造成的。考慮到0401工作面的實際情況，短期內難以實施下鄰近層本煤層抽采，因此，在0401工作面前方各巷施工底板下向鉆孔穿透各下鄰近層至工作面下部，提前抽采深部裂隙瓦斯，防止遇構造或者工作面周期來壓時瓦斯涌出量突然增大，同時施工底板下向鉆孔觀測下鄰近層石炭系上統太原組6#煤層瓦斯壓力，進一步探明6#煤層瓦斯賦存情況，為工作面回采期間的下鄰近層抽放提供依據，0401回風巷探煤鉆孔布置見圖1。

1.3測壓面臨的問題

該礦地質情況較為復雜，4#、6#煤層之間圍巖松軟、易破碎，且施工下向鉆孔時需穿過4#煤層底板的砂質泥巖和6#煤層頂板的石灰巖裂隙含水層，2個裂隙含水層巖溶裂隙較為發育，涌水量大，給6#煤層瓦斯壓力的測定帶來困難。為探明從4#煤層向6#煤層施工鉆孔時的涌水情況，2015年3月30日，在0401回風巷施工一個探煤鉆孔（見圖1）。在接近6#煤層時鉆孔涌水較大，涌水量約0.01 m3/min。

圖1　0401回風巷探煤鉆孔圖

1.4下向孔壓力恢復曲線類型

根據煤體裂隙承壓水對測壓的影響，下向孔瓦斯壓力恢復曲線可分為以下3種:

（1）鉆孔內僅有少量的裂隙水，水壓對煤層瓦斯壓力影響基本可以忽略，此時測壓鉆孔周圍煤層瓦斯流動符合穩定徑向流動，鉆孔周圍瓦斯壓力符

合下列關系:

式中:Pb——煤層原始瓦斯壓力，MPa；

P——鉆孔周圍瓦斯壓力，MPa；

R0——鉆孔半徑，m；

Rb——原始瓦斯壓力邊界半徑，m；

r——鉆孔瓦斯壓力影響半徑，m。

從式（1）可以看出，煤層瓦斯壓力恢復曲線符合雙曲線規律。

（2）鉆孔內有承壓水，在測壓初期主要表現為水壓，在短時間內鉆孔內壓力達到恒定值，測壓氣室內水壓與氣壓達到平衡時，主要表現為水壓。水壓先于瓦斯壓力表現時，鉆孔周圍煤體內的水體流動符合達西定律，水流速度與水壓符合以下關系:

式中:Pm——鉆孔內水壓力，MPa；

μ——水的絕對粘度，Pa·S；

Rm——鉆孔周圍水壓最大半徑，m；

K——煤層的滲透率，m2；

υ——鉆孔周圍水的流速，m/s。

從式（2）可以看出，測壓鉆孔壓力恢復曲線與水壓恢復曲線一致，前期水壓與水的流速成正比，后期水壓穩定在一定值，表現為 “廠”字型。

（3）鉆孔內有少量承壓水，水壓與瓦斯壓力共同影響壓力恢復曲線:初期壓力為瓦斯壓力；中期鉆孔內水逐漸涌出后，開始起主要作用，此時鉆孔內壓力恢復曲線表現為水壓；瓦斯在裂隙中的流速要低于水流速度，后期在水壓穩定后，鉆孔內壓力恢復曲線又表現為瓦斯壓力。

通過以上分析可知，第一種類型的煤層瓦斯壓力恢復曲線在壓力值穩定后，即為真實煤層瓦斯壓力；第二種類型的煤層瓦斯壓力恢復曲線所示壓力為鉆孔內水壓，此時瓦斯壓力測壓失敗；第三種類型的煤層瓦斯壓力恢復曲線在壓力值穩定后，拆除壓力表，根據從鉆孔中放出的水量、鉆孔參數等，對測定的結果進行修正，但對于水平及下向鉆孔則不需要修正，即壓力表讀數可以認為是真實煤層瓦斯壓力。

2　現有封孔技術分析

針對煤層瓦斯壓力測定過程中鉆孔涌水問題，國內外專家學者提出以下幾種解決辦法:

（1）鉆孔涌水較小的情況下，用海帶等遇水膨脹材料直接堵住水泥漿封孔，孔口用干水泥封堵，運用伯努利方程計算水壓，間接計算瓦斯壓力，此方法誤差較大，測得數據僅供參考；

（2）當測壓鉆孔所穿含水層層位較淺、孔壁巖石裂隙不發育、出水點較少時，可采用一次注水泥漿封孔，此方法難以完全封堵滲水裂隙，給測壓帶來誤差；

（3）當測壓孔所穿含水層裂隙不發育但圍巖出水點較多時，可采用全孔注漿-二次掃孔-注漿封孔法，因需要重新開孔，難以保持新開孔方向，易再次揭穿含水層或偏離原鉆孔封堵裂隙有效半徑之外，導致封孔堵水失敗；

（4）有機高分子化合物封孔，此類材料在封堵含水鉆孔時，易被鉆孔內涌水沖散，導致封孔不均，達不到封孔強度及有效封孔長度。

（5）全孔下套管注漿，通過套管內掃孔，穿透目標測壓煤層，此種方法能有效封堵鉆孔內涌水，但其封孔工藝復雜，成本較高，現場應用較少。

上述幾種方法均是從封堵鉆孔涌水的角度出發，未考慮含水層或裂隙水均是不斷補充的，如僅考慮在測壓結束之后扣除靜水壓力的方法，仍然無法準確測得煤層瓦斯壓力。在地質條件難以判明時，所選鉆孔穿過含水層這種情況將導致鉆孔大量涌水，根本無法進行瓦斯壓力測定，因此，在測定瓦斯壓力時，應盡量按照AQ/T 1047《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》選點的要求，選擇巖體完備、遠離采空區及受采動影響、無地質構造的地點開孔，這樣鉆孔所遇大多為裂隙水（裂隙含水層），此時采用水泥漿封孔堵水就能測得較為真實的煤層瓦斯壓力。

3　下向涌水鉆孔瓦斯壓力測定

3.1鉆孔施工工藝

該礦6#煤層頂板為石灰巖，鉆孔涌水較大，涌水鉆孔測壓應準確掌握裂隙含水層位置，并將裂隙含水層控制在測壓氣室以外，再選定地點，以45°俯角，首先選用?94 mm的鉆頭鉆進至目標煤層頂板，此時退桿，換用?75 mm的鉆頭穿透煤層，并進入目標煤層底板5 m，用于沉積下向鉆孔煤渣。鉆孔施工結束后，立即用壓風吹洗鉆孔，盡量排出鉆孔內積水及煤渣。

3.2鉆孔兩堵一注封孔工藝

采用注漿泵進行水泥漿注漿封孔，在水泥漿中加入一定比例的速凝劑及膨脹劑，防止水泥漿凝固后因失水收縮產生裂隙，加速水泥自重抵抗氣室內瓦斯壓力。下向孔存在封孔水泥漿流入測壓氣室，易造成測壓管篩孔段堵塞，為此在測壓管篩孔前段焊接一個?80 mm的圓盤，圓盤上方纏繞遇水膨脹的海帶，將其一起伸入?94 mm鉆孔底部后，等海帶充分吸收水分后，開始注漿。考慮到測壓鉆孔內涌水較大，該工藝需布設3根?15 mm管，分別作為測壓管、注漿管和排氣管，如圖2所示。

下向涌水鉆孔注漿封孔工藝為:

（1）將帶有海帶堵頭的測壓管送入直徑?94 mm鉆孔底部（測壓目標煤層中部），穿過裂隙含水層；

（2）將注水泥漿管送入距?94 mm鉆孔底部約500 mm處固定，使其末端到海帶堵頭留有一定的注漿空間；

（3）在孔口送入500 mm長的排氣管，并用海帶將排氣管、注水泥漿管、測壓管捆綁好，一起送入距孔口300 mm處，用干水泥、速凝劑及少量的水封堵孔口；

圖2　下向涌水鉆孔封孔示意圖

（4）孔口水泥凝固30 min后，通過水泥注漿管注漿，要求水灰比為3∶1左右，同時觀察排氣管情況，冒出水泥漿后停止注漿；

（5）水泥漿凝固24 h后在測壓管端安裝壓力表。

3.3測壓結果分析與探討

采取上述技術對6#煤層進行煤層瓦斯壓力測定，按照AQ/T 1047《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》選點的要求，在0401工作面回風巷150 m（Ⅰ測點）、300 m（Ⅱ測點）、500 m（Ⅲ測點）處布置3個測壓點，每個測壓點各布置2個測壓鉆孔，鉆孔方位角均為338°，傾角為-45°，6#煤層測壓鉆孔主要參數及壓力穩定結果見表1。在瓦斯壓力測定過程中，多次觀測鉆孔無漏水漏氣現象，從2015年4月20日-5月9日，通過20 d的觀察記錄，所有鉆孔瓦斯壓力最終穩定在一定值，瓦斯壓力不存在先上升后下降的情況，說明所有鉆孔封孔質量良好。

表1　6#煤層測壓鉆孔主要參數及壓力穩定結果

圖3　鉆孔瓦斯壓力恢復曲線

圖3為鉆孔瓦斯壓力恢復曲線，根據前述3類壓力恢復曲線的規律可知，2#、3#、4#及6#鉆孔煤層瓦斯壓力恢復曲線符合雙曲線規律，符合前述第一種類型壓力恢復曲線特征。測壓結束后，拆卸壓力表，從測壓管噴出大量瓦斯，且基本無水及其他雜質，表明鉆孔堵水及封孔測壓質量良好，所測瓦斯壓力為真實可靠；5#鉆孔煤層瓦斯壓力恢復曲線呈現先急劇上升后穩定的過程，壓力表值表現為水壓，符合第二種類型壓力恢復曲線特征，可判斷該鉆孔封孔段未能有效封蓋承壓水范圍，測壓失敗；1#鉆孔煤層瓦斯壓力恢復曲線在3 d內鉆孔內壓力達到恒定值0.25 MPa，此時表現為水壓，3 d后的曲線符合雙曲線規律，水壓的影響不足以改變壓力恢復曲線規律，可以認為近似符合第三種類型壓力恢復曲線特征，由于此鉆孔為下向孔，且同一個地點的兩個鉆孔（1#鉆孔和2#鉆孔）瓦斯壓力比較接近，所測結果也為真實瓦斯壓力值。

將所測6#煤層瓦斯壓力（除5#測壓孔失敗外）與埋深進行回歸分析得:

式中:P——煤層瓦斯壓力，MPa；

H——埋深，m。

6#煤層瓦斯壓力與埋深的關系如圖4所示。結果表明，測壓范圍內的煤層瓦斯壓力隨埋深增加而增加，有較好的線性關系，進一步證明該方法測得煤層瓦斯壓力的可靠性。

圖4　6#煤層瓦斯壓力與埋深的關系

經過以上分析，實測6#煤層最大瓦斯壓力為0.63 MPa。

4　結論

（1）通過分析下向鉆孔3種類型壓力恢復曲線規律，結合現場下向鉆孔的實測數據及煤層瓦斯壓力與埋深的線性回歸驗證，確保了涌水條件下的下向鉆孔煤層瓦斯壓力測定結果的真實性和準確性。

（2）該封孔測壓技術在下向涌水鉆孔瓦斯壓力測定過程中，多次觀測鉆孔無漏水漏氣現象，鉆孔封孔質量良好，測壓結果穩定可靠，實測6#煤層最大瓦斯壓力為0.63 MPa。可為下向涌水鉆孔煤層瓦斯壓力測定提供借鑒。

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Measurement technology of coal seam gas pressure in the downward hole under water burst

Zhao Jing1，2，3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Beijing Municipal Engineering Research Center of Coal Mine Safety，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aiming at the difficulty of measurement of coal seam gas pressure in the downward hole under water burst，hole sealing technology with two blockage and one injection of cement plaster was proposed，which better blocked up the fissured aquifer，furthermore formed the air chamber to gas pressure measurement outside of the fissured aquifer in the downward hole under water burst，thus eliminated the effect of the fissured aquifer on the gas pressure measurement.The distribution of gas pressure and water pressure around the hole of gas pressure measurement was analyzed，combining with the data of gas pressure measurement in the sealed hole on site，which insures the accuracy of gas pressure measurement of coal seam in the downward hole under water burst.

water burst，downward holes，gas pressure，hole sealing technology with two blockage and one injection，gas pressure recovery curve

TD712.5

A

趙晶（1979-），男，山西原平人，碩士，工程師，主要從事礦井瓦斯治理與利用工程技術研究工作。

（責任編輯 張艷華）

國家科技重大專項（2011ZX05040-001 -007）