云南礦區(qū)薄煤層瓦斯壓力的準確測定

王志強

(云南天力煤化有限公司，云南省昭通市，657600)

我國云貴川地區(qū)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造較多，開采煤層多為薄煤層或者是極薄煤層。煤層瓦斯壓力高、煤層瓦斯涌出量造成工作面上隅角瓦斯經(jīng)常超限。近年來，安全高產(chǎn)高效的煤礦開采已經(jīng)成為礦井的主流觀念，同時對煤層瓦斯壓力的準確測量提出了更為嚴格的要求。云南地區(qū)礦井經(jīng)常穿越水文地質(zhì)更為復(fù)雜的含水巖層，孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育。常規(guī)測壓室長度要進入煤層1.5 m左右，對于云南薄煤層(厚度<1.5 m)如何準確測定煤層瓦斯壓力提出了新的要求。因此，準確測量煤層瓦斯壓力值及預(yù)測煤層瓦斯含量，為礦井安全高效生產(chǎn)提供依據(jù)，具有十分重要的意義。

1 薄煤層瓦斯壓力準確測定的影響因素

影響煤層瓦斯壓力測定的因素較多，在技術(shù)方面，封孔材料、封孔方式方法、操作人員封孔完成質(zhì)量都有很大程度的影響。薄煤層瓦斯壓力測定與地質(zhì)構(gòu)造、含水層、鉆孔位置、方向角、傾角影響有關(guān)。

(1)地質(zhì)構(gòu)造。由于云南薄煤層的特殊測定環(huán)境，在實施瓦斯壓力測定時，煤層周圍有無地質(zhì)構(gòu)造并不清楚。因此，在實施鉆孔測壓之前要探明該區(qū)域有無地質(zhì)構(gòu)造或者大的斷層褶皺，防止測壓孔受地質(zhì)構(gòu)造的影響，造成封孔困難或者封孔質(zhì)量不佳，使得測定的壓力值偏低。

(2)鉆孔位置與角度。鉆孔位置要滿足穿過巖層15 m并保證在煤體中有大于1.5 m的測壓室長度，滿足上述條件還需要結(jié)合鉆孔角度的選取，確定合理的鉆孔方向角與傾角才能夠保證煤中測壓室長度為1.5 m。

(3)含水層。云南礦井水文地質(zhì)較為復(fù)雜，在一些穿過含水層的巖層打孔測壓，施工過程進行堵水治水是關(guān)鍵所在。

2 試驗礦井概況

云南天力煤化有限公司昌能煤礦位于彝良縣洛澤河鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)位于窩鉛向斜東翼，巴抓斷裂的下盤，呈一單斜構(gòu)造。地層走向總體近于南北向，傾向西。西部地層較緩，而東部地層相對較陡，地層傾角6°～51°，一般為7°～17°。區(qū)內(nèi)發(fā)育有F1、F2、F3和F44條斷層。礦內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的褶曲構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)侵入巖分布。采礦權(quán)內(nèi)確定全區(qū)可采煤層2層，編號為C5、C3。C5煤層傾角4°～8°，煤層厚度為1.54～1.75 m，平均厚1.66 m，結(jié)構(gòu)單一；C3煤層傾角5°～13°，煤層厚度為0.81～1.05 m，平均厚0.92 m，結(jié)構(gòu)單一。

3 多次注漿封堵一體化技術(shù)的應(yīng)用

礦井開拓開采后，圍巖應(yīng)力場再次分布，地應(yīng)力的集中造成巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育。巷道頂?shù)装寮跋锏辣谔幱谄扑楸┞秴^(qū)域，主要表現(xiàn)為頂?shù)装寤虮诿嫫扑椤⒋嬖谳^多的裂隙造成完整性較差，裂隙發(fā)育豐富。由于巷道應(yīng)力集中施工，鉆孔徑向會在一定范圍內(nèi)形成破碎區(qū)，煤體透氣性較大。因此，巷道開挖與鉆孔鉆進在鉆孔周圍形成了疊加的破碎區(qū)裂隙帶，裂隙帶透氣性較高，形成較長影響范圍的優(yōu)勢漏風(fēng)通道。針對煤層瓦斯壓力測定鉆孔周圍煤體破碎嚴重、透氣性大的問題，提出了封堵一體化鉆孔密封工藝。

3.1 多次注漿封堵一體化工藝

封隔一體化技術(shù)是指第一次注漿封孔成孔清洗后，在退鉆桿的同時，在注漿系統(tǒng)測壓鉆孔內(nèi)部(即鉆孔內(nèi)壁)噴涂一層低滲透性的防滲材料，來填補和固化因鉆孔施工造成的巖體的裂隙，在鉆孔內(nèi)壁上形成一層致密的隔膜，密封工藝原理如圖1所示。多次注漿封堵一體化工藝降低了鉆孔內(nèi)壁的滲透系數(shù)，隔絕鉆孔破碎區(qū)裂隙帶與外界空氣的連通通道，防止空氣進入裂隙，顯著提高鉆孔的密封性。

1—煤層；2—柔性膏體；3—防滲粘性材料；4—孔口管；5—測壓孔；6—注漿孔；7—法蘭盤圖1 封隔鉆孔密封工藝原理圖

3.2 多次注漿封堵一體化技術(shù)現(xiàn)場實施

經(jīng)查昌能煤礦1000～1025 m水平范圍內(nèi)的北翼采區(qū)工作面運輸巷無大的地質(zhì)構(gòu)造，尤其在揭露(萬壽山組分布段)F3斷層時，斷層破碎帶正常涌水量僅為2.5～3.0 m3/d，斷層破碎帶寬約2.0 m。故本次現(xiàn)場技術(shù)試驗選取在本區(qū)域內(nèi)對C5煤層進行4個穿層鉆孔測定煤層瓦斯壓力試驗。試驗鉆孔間距為20 m，并依次編號。根據(jù)煤礦現(xiàn)有地質(zhì)資料及煤層賦存條件，試驗鉆孔方向角與傾角分別選擇160°～170°與15°～18°，測算可以保證鉆孔長度在巖體中大于15 m，測壓室長度在煤體中為1.5 m。其中1#、3#煤層瓦斯壓力測定鉆孔采用新型多次注漿封堵一體化封孔技術(shù)封孔，鉆孔內(nèi)注漿材料為柔性膏體封孔材料；2#、4#煤層瓦斯壓力測定鉆孔采用礦井常用兩堵一注常規(guī)水泥砂漿封孔，鉆孔內(nèi)注漿材料為水泥砂漿封孔材料。

(1)第一次注漿封孔。首先4個鉆孔全部使用直徑94 mm的鉆頭鉆進5 m，清洗孔內(nèi)物質(zhì)，將與法蘭盤焊接的孔口管(規(guī)格?95 mm×5 mm，長度5 m)送入孔內(nèi)，用聚氨酯固定孔口管。然后用孔徑75 mm的鉆頭按既定的方向角和傾角鉆進，當(dāng)見煤時停止鉆進，推出鉆桿后把兩個法蘭盤繼續(xù)對接，并與注漿機注漿管路連接。注入壓力為10 MPa的清水，把孔壁附近的孔隙通道擴大。完成后1#、3#鉆孔采用柔性膏體封孔，注漿終壓力要大于12 MPa，穩(wěn)定0.5 h以上；2#、4#鉆孔注水泥漿混合速凝劑添加劑封堵巖層裂隙，同樣注漿終壓力要大于12 MPa，并穩(wěn)定0.5 h。第一次注漿示意圖見圖2。

1—煤層；2—柔性膏體；3—1#、3#鉆孔防滲粘性材料；4—孔口管；5—注漿孔；6—法蘭盤圖2 第一次注漿示意圖

(2)第二次注漿封孔。4個鉆孔都要等待第一次封孔注漿凝固72 h以上，卸下外接的法蘭盤，按照之前的方位角和傾角鉆進，在距煤層約0.5 m處停止鉆進。分別觀察4個鉆孔是否有水涌出，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4個鉆孔均未有水涌出。4個鉆孔繼續(xù)向煤層鉆進1.5 m，此時觀測鉆孔流出的皆為破碎煤體，驗證了之前選擇的方向角與傾角滿足測壓室停留在煤層中的距離大于1.5 m的條件。1#、3#鉆孔在使用柔性膏體封孔之前，在鉆孔內(nèi)壁孔口周圍區(qū)域噴涂一層低滲透性的防滲材料。4個鉆孔在退出鉆桿后用四分管(?15 mm)作為測壓管路，第一節(jié)管路管體上布滿測壓孔，并用鐵紗網(wǎng)包裹，與焊接注漿接口及四分管接口的法蘭盤對接。注漿管路與法蘭盤的快速接口連接進行第二次注漿，1#、3#鉆孔使用柔性膏體封孔，2#、4#鉆孔則使用傳統(tǒng)的水泥砂漿封孔。第二次注漿示意圖見圖3。

在多次注漿封堵一體化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，分別對選定的4個鉆孔進行為期20 d的觀測。4個鉆孔煤層瓦斯壓力測定曲線如圖4所示。由圖4可以看出1#、3#鉆孔的瓦斯壓力值整體都高于2#、4#鉆孔，驗證了新型多次注漿封堵一體化封孔技術(shù)具有良好的封閉性。1#、3#鉆孔的瓦斯壓力分別在觀測的第8天、第9天達到平衡狀態(tài)，而2#、4#鉆孔的瓦斯壓力則在第12天和第13天才達到平衡狀態(tài)，這也從側(cè)面反映2#、4#鉆孔的整體氣密性不如1#、3#鉆孔。從測壓結(jié)果可以看出，煤層瓦斯壓力為0.28～0.36 MPa，結(jié)合礦井在采動過程中瓦斯涌出情況來看，0.36 MPa與0.34 MPa的結(jié)果更為接近礦井真實煤層瓦斯壓力值，可見新型多次注漿封堵一體化技術(shù)相比于傳統(tǒng)測壓方法是可靠的。

1—煤層；2—柔性膏體；3—1#、3#鉆孔防滲粘性材料；4—孔口管；5—壓力表；6—注漿孔；7—法蘭盤圖3 第二次注漿示意圖

圖4 4個鉆孔煤層瓦斯壓力測定曲線

4 結(jié)論

云南薄煤層煤礦井下地質(zhì)條件相對復(fù)雜，煤層經(jīng)常布置在水文地質(zhì)條件復(fù)雜 的附近層，且?guī)r層的孔裂隙相對發(fā)育，嚴重影響了瓦斯壓力的測定。準確測定云南薄煤層瓦斯壓力值，封孔質(zhì)量是關(guān)鍵因素之一，而合理的測壓區(qū)域選擇與鉆孔的方向角及傾角的選擇是重要因素。多次注漿新型封堵一體化技術(shù)在昌能煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用，并與傳統(tǒng)的水泥砂漿測壓進行了對比分析研究，驗證了該技術(shù)工藝可以更加準確測定薄煤層瓦斯壓力。