瓦斯壓力測試方法的技術(shù)應(yīng)用研究

張永俊，張兵奇，陳懿博

(1．古交市煤炭工業(yè)局，山西 古交 030200; 2．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

煤層瓦斯壓力是指原始煤體孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力，也可稱為“煤層氣壓力”。是礦井瓦斯基本參數(shù)之一，它對于確定煤層瓦斯含量，進(jìn)行礦井瓦斯涌出治理，瓦斯抽放以及煤與瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意義。

在治理礦井瓦斯的長期實踐中，已探索出了許多井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法，在這些測定方法中，多數(shù)準(zhǔn)確度高、易操作，但也有不少的測定方法其準(zhǔn)確度低、可靠性差。因此，有必要對煤層瓦斯壓力的測定方法進(jìn)行規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上制定煤礦井下煤層瓦斯壓力直接測定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］。

測試方法分類根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的煤炭標(biāo)準(zhǔn)“煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法(AQ/T 1047 －2007)［2］，常見的瓦斯壓力測定方法有測壓法和封孔法。

1 工程實踐

山西古交煤焦集團(tuán)金之中煤業(yè)有限公司由原古交市金之中煤礦有限公司單獨(dú)保留而成，生產(chǎn)能力45 萬 t/a，批準(zhǔn)開采 2+3、4、6、7、8、9 號煤層。各煤層運(yùn)輸大巷、軌道大巷均沿煤層底板布置，回風(fēng)大巷沿煤層頂板布置。各水平回風(fēng)大巷通過暗斜井與4號煤層總回風(fēng)大巷聯(lián)通。礦井通風(fēng)方式為中央分列式，風(fēng)機(jī)工作方法為機(jī)械抽出式。

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)局綜合測試中心2010年6月編制的《山西古交煤焦集團(tuán)金之中煤業(yè)有限公司4號煤層瓦斯涌出量預(yù)測報告》以及山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司編制的《山西古交煤焦集團(tuán)金之中煤業(yè)有限公司礦井瓦斯抽放初步設(shè)計》中采用分源預(yù)測法對礦井的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測：礦井達(dá)到45萬t生產(chǎn)能力，在4號煤層開采時，礦井絕對瓦斯涌出量為14．71 m3/min，相對瓦斯涌出量為15．53 m3/t。礦井為高瓦斯礦井。

結(jié)合該礦井及鄰近山西屯蘭礦的瓦斯壓力情況，為了安全起見，需對該礦井的瓦斯壓力進(jìn)行測定。

2 瓦斯參數(shù)測定方案

本次測壓采用注漿封孔、被動測壓方法，測定金之中煤業(yè)有限公司4號、8號、9號煤層瓦斯壓力。鉆孔方向為上向鉆孔。即選擇好鉆孔位置后，利用鉆機(jī)沿煤層傾斜方向或穿巖層施工上向鉆孔，然后向測壓鉆孔安設(shè)測壓管等設(shè)備，對孔口進(jìn)行密封后，采用注漿泵向鉆孔注入漿液，等漿液凝固并產(chǎn)生一定強(qiáng)度后安裝壓力表進(jìn)行壓力測試的方法。

2．1 測試地點(diǎn)

1)4號煤層瓦斯壓力測試地點(diǎn)。

4號煤層瓦斯壓力測點(diǎn)布置在4號煤層軌道平巷。其中，1號孔口標(biāo)高為+783 m，距離副井井筒170 m，終孔標(biāo)高788．4 m。2號孔口標(biāo)高為+785．5m，距離副井井筒200 m，終孔標(biāo)高790．9 m。鉆孔傾角6°，鉆孔長52 m，鉆孔與煤壁夾角約100°，兩鉆孔基本平行，1號孔和2號鉆孔孔底間距30 m。

2)8號煤層瓦斯壓力測試地點(diǎn)。

8號煤層瓦斯測點(diǎn)孔口布置在9號煤層的軌道上山，鉆孔為穿巖層布置。3號孔口標(biāo)高+779．5m，距離副井井筒96 m，見煤標(biāo)高+796．5 m。4號孔口標(biāo)高+780．5 m，距離副井井筒101 m，見煤標(biāo)高 +797．5 m。鉆孔傾角45°，鉆孔長約25 m，3號鉆孔與煤壁夾角約120°，4號鉆孔與煤壁夾角約100°，孔口間距5 m，孔底間距約40 m。

3)9號煤層瓦斯壓力測試地點(diǎn)。

9號煤層瓦斯壓力測點(diǎn)布置在9號煤層的軌道上山。其中，5號孔口標(biāo)高為+782．5 m，距離副井井筒128 m，終孔標(biāo)高+787．9 m。6號孔口標(biāo)高為+784 m，距離副井井筒158 m，終孔標(biāo)高 +789．4 m。鉆孔傾角6°，鉆孔長52 m，鉆孔與煤壁夾角約100°，兩鉆孔基本平行，5號和6號鉆孔孔底間距約30 m。

2．2 測壓規(guī)范和要求

利用順層鉆孔和穿層直接測定瓦斯壓力，鉆孔方法為上向鉆孔，水泥漿封孔，被動式測壓。瓦斯壓力測定執(zhí)行《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》(AQ/T1047－2007)。各測壓鉆孔封孔示意圖見圖1。

圖1 上向鉆孔測壓示意圖

1)測壓鉆孔施工參數(shù)。

金之中煤業(yè)有限公司4號、8號、9號煤層的6個測點(diǎn)鉆孔均為上向鉆孔，每組鉆孔的終孔位置間距大于20 m以上，施工鉆機(jī)型號為ZDY－650，鉆孔直徑均為d95 mm，所布置的6個地點(diǎn)各個鉆孔施工實際參數(shù)見表1。

表1 測壓鉆孔施工實際參數(shù)

2)測壓鉆孔施工與封孔。

本次瓦斯壓力現(xiàn)場測定的封孔工藝采用“膨脹不收縮水泥封孔法”進(jìn)行封孔，測壓方法采用被動式測壓法。各鉆孔均在施工鉆孔后24 h內(nèi)進(jìn)行注漿封孔工作，并且各鉆孔等24 h漿體凝固產(chǎn)生一定強(qiáng)度后才安裝壓力表，具體的測壓鉆孔施工與封孔情況見表2。

表2 測壓鉆孔施工與封孔情況

2．3 測壓進(jìn)度與觀測時間

1)測壓進(jìn)度安排。

a)2012年3月20日—2012年4月1日：井上下調(diào)研和資料收集。b)2012年3月20日—2012年5月20日：測壓鉆孔施工、封孔注漿和瓦斯壓力觀測。

2)壓力觀測時間的確定應(yīng)遵循以下原則：

a)采用被動測壓法，則視煤層瓦斯壓力及透氣性大小的不同，其觀測時間一般需20～30 d以上。b)瓦斯壓力值在開始測定的第一周內(nèi)，應(yīng)2天觀測一次，并做好記錄。c)將觀測結(jié)果繪制在以時間(d)為橫坐標(biāo)、瓦斯壓力(MPa)為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)圖上，當(dāng)觀測時間20～30天以上，如果壓力變化在3 d內(nèi)小于0．015 MPa，測壓工作結(jié)束，否則繼續(xù)觀測。

3 測試結(jié)果

3．1 瓦斯壓力變化曲線

金之中煤業(yè)有限公司4號、8號、9號煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)觀測歷時近2個多月，由河南理工大學(xué)科研人員和礦方工程技術(shù)人員共同觀測，瓦斯壓力平穩(wěn)上升，無異常變化，具體情況如下：

金之中煤礦4號煤層1號孔于2012年3月25號安裝壓力表，4月8日瓦斯壓力升為0．07 MPa，至24號表壓穩(wěn)定在0．07 MPa，其壓力變化曲線見圖2。

圖2 1號孔瓦斯壓力變化曲線(4號煤層)

金之中煤業(yè)有限公司4號煤層2號孔于2012年4月21號安裝壓力表，5月5日瓦斯壓力升為0．09 MPa，至5月19號表壓穩(wěn)定在0．09 MPa，其壓力變化曲線見圖3。

金之中煤業(yè)有限公司8號煤層3號孔于2012年3月26號安裝壓力表，4月11日瓦斯壓力升為0．28 MPa，至4月24日號表壓穩(wěn)定在0．28 MPa，其壓力變化曲線見圖4。

金之中煤業(yè)有限公司8號煤層4號孔于2012年4月23號安裝壓力表，5月9日瓦斯壓力升為0．25 MPa，至5月19號表壓穩(wěn)定在0．25 MPa，其壓力變化曲線見圖5。

金之中煤業(yè)有限公司9號煤層5號孔于2012年3月29號安裝壓力表，4月16日瓦斯壓力升為0．36 MPa，至4月24日號表壓穩(wěn)定在0．36 MPa，其壓力變化曲線見圖6。

金之中煤業(yè)有限公司9號煤層6號孔于2012年4月23號安裝壓力表，5月13日瓦斯壓力升為0．32 MPa，至5月19號表壓穩(wěn)定在0．32 MPa，其壓力變化曲線見圖7。

3．2 瓦斯壓力測定結(jié)果

封孔以后，經(jīng)過定時觀察和記錄瓦斯壓力，并仔細(xì)檢查漏氣情況，如瓦斯壓力連續(xù)數(shù)天無變化，則可認(rèn)為這個穩(wěn)定的壓力就是煤層瓦斯壓力。

基于金之中煤業(yè)有限公司4號、8號、9號煤層現(xiàn)有的施工情況，各測定地點(diǎn)壓力測試鉆孔深度順層鉆孔52 m，封孔50 m，穿層鉆孔25 m，封孔20 m，且無卸壓影響，煤層瓦斯封閉情況較好，因此，所測瓦斯壓力能夠真實反映所測區(qū)域的瓦斯原始壓力，經(jīng)過30天左右時間的測定，瓦斯壓力結(jié)果見表3。

表3 瓦斯壓力測試結(jié)果表

4 結(jié)論

1)4號煤層測點(diǎn)標(biāo)高 +788．4～ +790．9 m，最大瓦斯壓力(絕對壓力)為0．17～0．19 MPa，最高瓦斯含量2．16 ～2．26 m3/t;8 號煤層測點(diǎn)標(biāo)高 +796．5 ～+797．5 m，最大瓦斯壓力(絕對壓力)為 0．35 ～0．38 MPa，最高瓦斯含量3．55～4．25 m3/t;9號煤層測點(diǎn)標(biāo)高 +787．9～ +789．4 m，最大瓦斯壓力(絕對壓力)為0．42 ～0．46 MPa，最高瓦斯含量6．24 ～6．37 m3/t。

2)測試結(jié)果符合預(yù)期設(shè)想。

3) 絕對瓦斯壓力為 0．19 ～0．46≤0．74，即實際測試瓦斯壓力小于規(guī)定危險值。

4)僅從瓦斯壓力方面來看金之中煤業(yè)有限公司4、8、9號煤層在目前測點(diǎn)控制范圍內(nèi)無煤與瓦斯突出危險性。

5)建議金之中煤業(yè)有限公司4、8、9號煤層在開拓新水平、新采區(qū)，或采深增加超過50 m，或者進(jìn)入新的地質(zhì)單元時，重新測定4、8、9號煤層的煤層瓦斯壓力等瓦斯參數(shù)。

［1］ 王永文．鉆屑解析指標(biāo)與瓦斯壓力的應(yīng)用關(guān)系［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2010，3(29)：396－397．

［2］ 國家安監(jiān)總局．AQ/T 1047－2007煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法［S］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2007．