上向長距離穿層鉆孔薄煤層群聯合測壓技術應用分析

李 磊

(陜西秦安煤礦安全評價事務有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

瓦斯防治是煤礦安全最重要的工作之一，煤層瓦斯壓力是煤礦瓦斯防治工作中的重要基礎參數，其與煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出量的大小有關，不僅是礦井通風、安全設計的重要參數，而且是煤與瓦斯突出危險性預測和防突措施效果評價的主要指標之一。因此，準確測定煤層瓦斯壓力對礦井是十分重要的[1]。

目前國內外測定煤層瓦斯壓力的方法主要有直接法和間接法2種[2-5]，直接法是指在煤礦井下通過測定鉆孔及相應測定方法直接測量煤層瓦斯壓力的過程，又可以分為主動測壓法和被動測壓法。文中采用穿層鉆孔被動測壓法，即從巷道穿過巖層向鄰近煤層施工直徑為50～75 mm的鉆孔，孔中安放測壓管，在巖石段將孔密封后，用壓力表或自動測壓儀直接測定煤層瓦斯壓力[6]。由于巖石一般都比較完整致密，所以封孔效果較好。在內蒙古烏海礦區出現了瓦斯含量偏低但是瓦斯壓力偏高的異常情況，所以對神隆煤礦進行瓦斯壓力的準確測定有重大意義，進而對礦井的瓦斯等級鑒定提供依據。

1 礦井概況

神隆煤礦采用的是斜井單水平開拓方式，水平標高為+1 000 m。全井田劃為一個采區，井田采用由上而下的開采順序。由于9#、10#煤層距離比較近，所以作為一個煤組聯合布置。采用單一走向長壁綜合機械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

由于神隆煤礦9#煤層和10#煤層平均間距僅為1.27 m，局部0.5 m甚至合層，單獨測壓難度大，因此采用單獨測壓和聯合測壓相結合的方法。先測定10#煤層壓力(不穿透煤層)，然后再測定9#、10#煤層聯合壓力。

2 現場瓦斯壓力測定

2.1 封孔材料的選取

有角度的鉆孔一般采用水泥砂漿封孔。下向鉆孔孔底可以采用棉紗或者海帶等[7]，上向穿層鉆孔開口部分一般采用聚氨酯封孔，以承受上部水泥砂漿的重力，也有采用水—套管帶壓注漿封孔新技術[8]。本次孔口采用1 m長度聚氨酯封孔，上部用水泥砂漿封孔。

2.2 測定方法及步驟

選擇測定地點：選擇煤層沒有暴露、無地質構造且隔離巖柱垂直厚度超過5 m的巖巷，施工直徑φ75 mm以上的穿層鉆孔穿透煤層全厚。

安設測壓管：成孔后，在孔內安設測壓管，用水泥砂漿對鉆孔進行封孔(封孔長度6 m以上)，如圖1所示。

封孔測壓：封孔材料經24 h凝固后，在封孔管孔口安設截止閥和壓力表開始測壓；要求測壓的頭3天，每天記錄一次壓力表的讀數，以后每隔2～3天記錄一次壓力表的讀數，當壓力表的壓力指示值連續3天沒有變化時，壓力指示值加上當地大氣壓力即為煤層原始瓦斯壓力。

圖1 測壓鉆孔結構及封孔方式示意圖(上向孔)

2.3 測定地點的選擇

瓦斯壓力測定時，在下組煤車場10 m、15 m處布置一組測壓鉆孔，在下組煤車場150 m、155 m處布置一組測壓鉆孔，鉆孔編號為1號孔和3號孔來測10#煤層瓦斯壓力，鉆孔編號為2號孔和4號孔來測9#+10#煤層的聯合瓦斯壓力，測點布置如圖2、圖3所示。

圖2 神隆煤礦9#、10#煤層測壓鉆孔位置平面圖

圖3 神隆煤礦9#、10#煤層測壓鉆孔剖面圖

2.4 測定結果

測壓方法采用水泥砂漿封孔自然恢復法，由于鉆孔長度較長，增加鉆孔的封孔長度來提高瓦斯壓力測定的準確性[9]。測試過程中，1號測壓孔封孔質量問題，漏氣嚴重，顯示壓力為0；其它2、3、4#測壓孔正常，各鉆孔布置參數及瓦斯壓力測定結果見表1。

從表1可以看出，10#煤層的單獨壓力為1.8 MPa；2號測壓孔9#、10#煤層的聯合壓力為0.9 MPa，4號測壓孔9#、10#煤層的聯合壓力為2.2 MPa。

3 瓦斯壓力的影響分析

3.1 瓦斯壓力對瓦斯含量的影響

間接方法測定煤層瓦斯含量，包括計算煤層游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量2步，具體方法是在井下鉆孔實測煤層瓦斯壓力，并在實驗室測定煤樣的孔隙率、吸附等溫線和煤的工業分析結果，考慮煤中水分、溫度、可燃物百分比及瓦斯組分等影響因數，按郎繆爾方程計算

(1)

游離瓦斯含量根據氣體狀態方程求得

(2)

式中：Xy—煤的游離瓦斯含量，m3/ t；V—單位質量煤的空隙容積，m3/t；P—瓦斯壓力，MPa；T0，P0—標準狀況下的絕對溫度(273 K)與壓力(0.101 325 MPa)；T—瓦斯絕對溫度，T=273+t；t—瓦斯的攝氏溫度，℃；ξ-瓦斯壓縮系數。

煤中瓦斯含量是式(1)和式(2)結果之和。

X=Xx+Yy

(3)

根據上式(實測的煤層瓦斯壓力和煤的吸附等溫線)計算得該礦井瓦斯含量一般在8 m3/t以上，但是順層和穿層鉆孔測得的瓦斯含量均不超過4.5 m3/t，嚴重低于間接計算出來的瓦斯含量。在實測的瓦斯含量各組分濃度分析中，CH4濃度為70%左右，N2濃度為10%左右，CO2濃度很低，剩余10%～20%的氣體為未知氣體。在煤層瓦斯中，包括烴類氣體和非烴類氣體，烴類氣體主要是CH4，也含有一定的沒有裂解的重烴類氣體；非烴類氣體為少量的CO2、N2、H2S等。因此煤層瓦斯中含有10%～20%的未知氣體為重烴氣體。

根據《防治煤與瓦斯突出規定》，開采突出煤層時，瓦斯含量必須低于8 m3/t，并且根據井下瓦斯傳感器經常報警的情況，由分析可知，是因為煤層中除了含有CH4之外，還含有其他烴類氣體，造成瓦斯含量超限。重烴氣體爆炸極限(上限和下限)更大，所以礦井在瓦斯防治的過程中，必須注意其他烴類氣體的影響。

3.2 瓦斯壓力對煤與瓦斯突出危險性分析

采用煤層突出危險性指標進行突出煤層鑒定的，應當將實際測定的煤層瓦斯壓力、煤的堅固性系數、煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度作為鑒定依據。全部指標均處于表2所示臨界值范圍的，確定為突出煤層。

表2 判定煤層突出危險性單項指標的臨界值及范圍

《瓦斯等級鑒定暫行辦法》規定：當f≤0.3、p≥0.74 MPa，或0.3

4 結論

(1)神隆煤礦10#煤層的單獨瓦斯壓力為1.8 MPa，9#、10#煤層的聯合瓦斯壓力為2.2 MPa，由于9#、10#煤層聯合開采，聯合瓦斯壓力可以用于開采時的瓦斯壓力應用工程實踐。

(2)神隆煤礦瓦斯含量中含有重烴氣體，危險度較大，必須引起高度重視。

(3)在神隆煤礦進行煤層突出危險性鑒定以前，建議礦井按突出礦井管理。