高瓦斯礦井瓦斯壓力分布規律研究

李 鵬，張鵬沖

(1.陽泉市上社二景煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045200； 2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

瓦斯壓力作為瓦斯礦井煤層瓦斯關鍵參數之一，直接關系到礦井瓦斯等級的劃分，隨著礦井埋深的增加，瓦斯災害越發嚴重，為了充分掌握礦井瓦斯參數，有必要改進和運用更為先進的測壓技術。因此，如何快速、高效、準確地測定礦井煤層瓦斯壓力直接關系到礦井的采掘銜接和安全生產，對瓦斯礦井具有重要的意義。

1 工程概況

和諧煤礦位處陽泉市盂縣南婁鎮南上社村以西，開采6—15號煤層，開采標高為+930～+1 132 m，井田生產規模為90萬t/a，井田面積3.658 2 km2. 全井田只布置1個水平，其水平標高為+985 m. 礦井采用斜井、立井綜合開拓，15號煤層劃分1個采區，采用綜采放頂煤采煤方法，工作面180 m，機采高度為2.20 m，落煤高度為3.80 m，頂板采用全部垮落法管理，開采15號煤層時布置兩個綜掘面。礦井通風方式為中央分列式。

2 測定礦井瓦斯壓力設計方案

2.1 地質單元分析

和諧煤礦在井田東部發育褶曲構造，井田內地層相對平整，幾乎無斷層，只存在小型陷落柱，尚未發現有巖漿巖侵入，構造屬簡單類型。

15號煤層試驗區域內共賦存有2個斷層：DF8、DF3，分別位于15號煤層采區距離15號煤層膠帶大巷695 m和井田南部邊界處。DF8斷層斷距為0.5～2 m，延深長度約為113 m，因其斷距小對煤層連續性影響不大。DF3斷層斷距為15～17 m，延深長度約為482 m，因其靠近礦井邊界且約有241 m在礦井保護煤柱范圍之外，因此，DF3斷層對巷道布置有一定的影響，但對15號煤層整體穩定性影響不大。區域內陷落柱有6個，對巷道布置有一定的影響，但對15號煤層整體穩定性及瓦斯賦存規律影響不大。斷層與陷落柱對整個試驗區域的煤層賦存、礦井的采掘布置影響較小，煤層賦存穩定。因此，試驗區域煤層可認定為同一瓦斯地質單元。

2.2 測定礦井瓦斯壓力方法

15號煤層原始瓦斯壓力直接測定方法采用被動式測壓，采用的主要材料有425標號水泥、木楔、4″鐵管、管接頭、壓力表接頭、壓力表等。該礦試驗區域測壓鉆孔為上向順層鉆孔和下向順層鉆孔[1-2]. 瓦斯測壓鉆孔封孔采用“兩堵一注”帶壓注漿封孔，該技術利用帶壓注漿方式改變瓦斯抽采鉆孔周圍煤體特性和密封微孔裂隙。通過注漿設備，以一定壓力將漿液材料壓注到瓦斯抽采鉆孔封孔段空間及周圍孔壁煤體擾動裂隙內部，漿液在注漿壓力作用下，可以劈裂擴展孔壁內煤體裂隙，充填孔隙和煤體凹凸面，增大漿液擴散范圍；并在大滲透壓力梯度作用下滲入煤體微裂隙內，并產生凝聚力，待漿液固化后，形成樹枝狀分布，并與煤體顆粒固體黏結在一起，達到對鉆孔周圍煤巖體施加主動支護的目的，徹底密封瓦斯泄漏通道[3-4].“兩堵一注”封孔工藝原理示意圖見圖1.

圖1 HD-Ⅰ封孔材料封孔原理示意圖

2.3 測定礦井瓦斯壓力鉆孔布置

該礦試驗區域內15號煤層為同一瓦斯地質單元，測壓鉆孔應該布置在未受采動影響和抽采影響的區域，結合該礦現有巷道布置情況，傾向上布置3個煤層瓦斯壓力測點，共6個瓦斯壓力鉆孔。第6測點布置編號為6-1#、6-2#的2個順層鉆孔，其中，6-1#鉆孔位于15號煤膠帶大巷內距主變電所381 m處，鉆孔終孔標高為+974 m、終孔埋深為201 m；6-2#鉆孔位于15號煤膠帶大巷內距主變電所438 m處，鉆孔終孔標高為+968 m，終孔埋深為235 m. 6-1#和6-2#測壓鉆孔位置及平、剖面圖分別見圖2，3.

圖2 6號測點鉆孔位置示意圖

圖3 6號測點鉆孔布置平、剖面示意圖

2.4 煤的破壞類型考察

煤的破壞類型是指煤體結構受構造應力作用后的破壞程度，由于煤的物理、力學性質不盡相同，《煤礦瓦斯等級鑒定辦法》附錄D中將其分為5種類型，分別為Ⅰ類(非破壞煤)、Ⅱ類(破壞煤)、Ⅲ類(強烈破壞煤)、Ⅳ類(粉碎煤)和Ⅴ類(全粉煤)。和諧礦15號煤層的破壞類型勘察地點選在15號煤采區回風巷掘進工作面、第一聯絡巷和膠帶巷距離第一聯絡巷300 m處。勘查地點均布置在15號煤層中，且掘進工作已經完成。煤層半亮或暗淡，節理發育不清，不規則塊狀，多棱角，有明顯構造擠壓特征；小片構造，由塊狀、斷口參差狀或粒狀構成，用手可捻成粉末、碎粒，偶爾較硬。結合破壞類型分類表判定15號煤層煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類。

2.5 煤層瓦斯突出參數實驗室測定

1) 煤的瓦斯放散初速度。

瓦斯放散初速度(Δp)是煤體瓦斯動力重要特征之一，能較好地反映煤層的突出危險傾向性，瓦斯放散初速度(Δp)越大，瓦斯突出危險傾向性越大。分別在勘查地點取軟分層煤樣進行瓦斯放散初速度測試，其測定結果見表1.

2) 煤的堅固性系數。

煤的堅固性系數(f)是表示煤抵抗外力破壞能力的一個綜合指標，主要由煤的物理力學性質所決定，實質上反映的是單位質量的煤破壞所消耗的能量的大小，是反映煤層突出危險性的一個單項指標。按照相關要求，分別在勘查地點取軟分層煤樣測試煤的堅固性系數，其測定結果見表1.

表1 15號煤層瓦斯放散初速度和堅固性系數測定結果表

3 礦井瓦斯壓力分布規律研究

1) 單孔瓦斯壓力測定結果及壓力變化規律分析。

各鉆孔在封孔、安裝壓力表后，每天進行瓦斯壓力觀測，直到壓力變化3天內小于0.015 MPa為止。瓦斯壓力測點布置在未受采動和抽采工程影響的原始煤體區域，測壓鉆孔客觀、全面地反映了區域內15號煤層實際瓦斯壓力。根據觀測情況，該煤層瓦斯壓力測定結果見表2.

表2 15號煤層瓦斯壓力測定結果表

同一地點以最高瓦斯壓力測定值作為測定結果，因此，該次所測得15號煤層瓦斯壓力為0.03～0.12 MPa.將6-1#和6-2#測壓鉆孔瓦斯壓力觀測數據(表壓)繪成壓力變化曲線圖，見圖4，圖5.

圖4 6-1#測壓鉆孔瓦斯壓力變化曲線圖

圖5 6-2#測壓鉆孔瓦斯壓力變化曲線圖

15號煤層瓦斯壓力鉆孔埋深處于201～320 m，3-1#測壓鉆孔位于最大埋深處(標高+958 m，埋深320 m)，該測壓鉆孔瓦斯壓力為0.12 MPa. 由表2可以看出，煤層瓦斯壓力沿走向在同水平或埋深相近地點結果相近，在傾斜方向符合隨埋深逐漸增加的趨勢，符合煤層瓦斯普遍賦存規律。因此，該次所測得的和諧煤礦15號煤層的瓦斯壓力值是可靠的。

2) 區域瓦斯壓力測試分析。

15號煤層試驗區域內各實測瓦斯壓力梯度關系見圖6，符合瓦斯壓力隨埋深增加而增大的規律，測壓鉆孔最低控制標高為+958 m(最大埋深320 m)，即為區域內最低標高。結合區域最大瓦斯放散初速度ΔPmax為32 mmHg，最小堅固性系數fmin為0.16和煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ，并且通過對區域15號煤層實測瓦斯參數綜合分析可知，區域內發生突出的可能性較小。

圖6 沿煤層傾向瓦斯壓力隨埋深變化趨勢圖

4 結 論

1) 測定和諧煤礦15號煤層采區瓦斯壓力，并通過理論分析得到不同埋深與瓦斯壓力的關系，分析得出區域內發生瓦斯突出的可能性較小。

2) 該次試驗所用的測壓技術在滿足相關測定瓦斯壓力要求的基礎上，能適應礦井的采掘銜接和安全生產，并在該礦得到了成功的應用和檢驗。

3) 礦井在開拓新水平，或者進入新的地質單元時，應重新進行煤層瓦斯相關參數的測定，掌握各個地質單元煤層地質變化和瓦斯涌出變化情況。在作業過程中加強地質構造超前探測和瓦斯涌出的日常觀測工作，當瓦斯涌出出現異常或有煤與瓦斯突出征兆時，應停止采掘作業，并采取相應技術措施，確認安全有效后，方可進行采掘作業。