長距離、多煤層瓦斯壓力測定技術(shù)的應(yīng)用

王國飛，石 軍

(汾西礦業(yè)集團 雙柳煤礦，山西 呂梁 033000)

煤層瓦斯壓力是煤與瓦斯突出的動力。準(zhǔn)確測定煤層瓦斯壓力對礦井合理制定瓦斯防治措施,預(yù)測預(yù)報煤與瓦斯突出的危險性, 都具有重要意義。一直以來, 國內(nèi)外測定煤層瓦斯壓力都是從巖巷向煤層打鉆孔, 用黃泥、砂漿等材料封孔。這種方法適用于封孔段堅硬致密的巖層, 但是當(dāng)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)涌水量較大及煤層間距較近的情況, 測出的瓦斯壓力值往往低于真實的煤層瓦斯壓力, 極易造成安全隱患。因此, 雙柳煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作提出了長距離測壓鉆孔封孔、近距離煤層測壓封孔和封堵含水層測壓封孔技術(shù)。

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

雙柳煤礦位于山西省柳林縣西北部的孟門鎮(zhèn)，行政區(qū)劃屬呂梁市柳林縣管轄。井田呈長方形，南北走向長4.70～5.05 km，東西傾斜寬4.45～7.45 km，面積29.607 2 km2. 批準(zhǔn)開采3#、4(3+4)#、8#、9(8+9)#煤層，目前開采4(3+4)#煤合并層。

1.2 礦井下組煤基本情況

下組煤二采區(qū)沿8#煤分別布置軌道下山、回風(fēng)下山，沿9#煤層布置帶式運輸機下山，下組煤正在進行大巷延伸，還未形成采掘工作面。本次瓦斯壓力測定主要針對下組煤8#和9(8+9)#煤層。

下組煤巷道距離上組煤巷道平均距離69.5 m，距離較大；主要含水層為L1～L5薄層石灰?guī)r及少量砂巖層，灰?guī)r的平均厚度30.64 m. 據(jù)雙柳井田補充勘探試驗資料，礦井頂板充水水源主要來自石炭系上統(tǒng)太原組L1～L5灰?guī)r水。2010—2013年，雙柳煤礦在下組煤實施太灰水探放工作，施工了多處太灰疏放孔，疏放太灰水量總計176.90萬m3.

2 煤層瓦斯壓力測定

煤層瓦斯壓力是煤層發(fā)生突出的動力之一。因此，準(zhǔn)確測定煤層瓦斯壓力對于煤層的突出危險性預(yù)測十分重要。

2.1 瓦斯壓力測定原理

煤層瓦斯壓力測定的原理：由底板(頂板)巷道向煤層施工一鉆孔，穿過煤層，在鉆孔內(nèi)布置一根瓦斯管，封孔后在煤層內(nèi)形成測壓室。上表后，測壓室周圍無限大空間煤體內(nèi)的瓦斯不斷向測壓室運移，保證封孔后凝固時期逸散的瓦斯得以補充，孔內(nèi)測定的瓦斯壓力接近煤層的原始瓦斯壓力。

2.2 下組煤瓦斯壓力測定存在的問題

雙柳煤礦在進行下組煤水平延伸前，須按照《防突規(guī)定》要求布置測點，測定瓦斯壓力進行開拓前的區(qū)域預(yù)測，由于下組煤只在淺部施工有3條主要大巷，測壓存在以下問題：

1) 下組煤巷道距離上組煤巷道59.79～75.11 m，平均69.5 m，距離較大，下向鉆孔封孔測壓存在一定難度。

2) 施工測壓鉆孔過程中需穿過太原組灰?guī)r含水層，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料可知，太原組灰?guī)r含水層涌水量可達30 m3/h，涌水會對測壓產(chǎn)生影響，測壓前須對出水的測壓鉆孔進行封堵。

3) 區(qū)域突出危險性預(yù)測需分別對8#和9(8+9)#煤層進行測壓，由于8#、9(8+9)#距離較近(層間距0.7～12.01 m)，測壓時須排除這兩層煤之間的相互干擾。

3 瓦斯壓力測定技術(shù)

3.1 長距離、多煤層瓦斯壓力測定技術(shù)

針對下向鉆孔施工距離遠封孔測壓困難，設(shè)計加工了專門的測壓裝置，見圖1.該裝置包括測壓單元以及用于封堵測壓孔的封孔單元。測壓單元包括壓力表和泄壓閥；封孔單元包括篩孔管、軟管、固定件，軟管的一端與測壓單元連通，軟管的另一端與篩孔管連通。封孔測壓時將封孔單元送入測壓孔內(nèi)，固定件在重力作用下將軟管和篩孔管下放至測壓孔內(nèi)的目的位置，然后進行初次注漿，漿液初步凝固，形成初次注漿層，并將孔口用水泥漿液封堵，最后在初次注漿層和孔口封堵層之間進行二次注漿，形成二次注漿層，待水泥漿完全凝固膨脹后形成密封注漿層；開啟測壓裝置，實現(xiàn)測壓孔內(nèi)煤層瓦斯壓力的測定。將封孔單元下放，可實現(xiàn)長距離封孔。測壓鉆孔施工過程中需穿過含水層，若有水涌出時，采取注漿堵水的方法鉆孔和含水層。針對雙柳煤礦8#、9(8+9)#距離近需要分別測壓的問題，在進行9(8+9)#煤層測壓鉆孔施工時，采用注漿封堵8#煤層裂隙，測定9(8+9)#煤層瓦斯壓力。

3.2 8#煤層瓦斯壓力測定方法

8#煤層壓力測定具體流程：1) 施工下向孔，硬巖處退鉆。2) 下套管至孔底。3) 向鉆孔內(nèi)壓注水泥固孔，掃孔試壓。4) 換94 mm鉆孔從套管內(nèi)掃孔至孔底，再繼續(xù)鉆進至含水層。5) 若有水涌出時，采取注漿堵水的方法把鉆孔和含水層隔離開，排除含水層的水壓對煤層瓦斯壓力測量的影響，之后掃孔鉆進至8#煤層。6) 下放鉆孔測壓裝置后進行封孔測壓，并觀測壓力變化情況。壓力測定示意圖見圖2.

圖1 煤層瓦斯壓力測定裝置示意圖

圖2 8#煤層壓力測定示意圖

3.3 9(8+9) #煤層瓦斯壓力測定方法

9(8+9)#煤層壓力測定具體流程：1) 施工下向孔，硬巖處退鉆。2) 下套管至孔底。3) 向鉆孔內(nèi)壓注水泥固孔，掃孔試壓。4) 掃孔后掘進至含水層，若有水涌出時，采取注漿堵水的方法把鉆孔和含水層隔離開，排除含水層的水壓對煤層瓦斯壓力測量的影響，直到鉆孔內(nèi)無水涌出時再繼續(xù)掃孔鉆進至8#煤層底板下方約1 m處后向孔內(nèi)注漿，封堵8#煤層裂隙，控制8#煤層瓦斯向鉆孔內(nèi)流動。5) 掃孔鉆進至9(8+9)#煤層底板1 m處后下放測壓裝置進行封孔測壓。9(8+9)#煤層壓力測定示意圖見圖3.

4 測壓地點的選取

圖3 9(8+9) #煤層壓力測定示意圖

下組煤只在淺部施工有3條主要大巷，無法對深部煤層進行布點測壓，上組煤4(3+4)#煤層已經(jīng)進入深部開采，從4(3+4)#煤層巷道中施工垂直下向鉆孔可有效覆蓋8#、9(8+9)#深部煤層。根據(jù)相關(guān)測點布置要求及上組煤巷道情況，8#、9(8+9)#煤層分別設(shè)計了8個煤層瓦斯壓力測點，見圖4.

5 煤層瓦斯壓力測定結(jié)果

8#、9(8+9)#煤層瓦斯壓力測定結(jié)果見表1,表2.

由表1,2可得：8#、9(8+9)#煤層瓦斯壓力隨標(biāo)高增大而減小的變化規(guī)律，符合煤層瓦斯壓力梯度的規(guī)律及該礦的實際情況。

圖4 下組煤測點布置圖

在壓力測定過程中，出現(xiàn)封孔不嚴、漏氣等不可控因素，實測壓力可能低于煤層的真實壓力；待下組煤巷道具備測壓條件后對煤層瓦斯壓力進行測定，收集數(shù)據(jù)與本次測壓數(shù)據(jù)進行對比驗證，及時對數(shù)據(jù)進行修正。

6 結(jié) 論

1) 長距離測壓鉆孔封孔、近距離煤層封孔測壓和封堵含水層封孔測壓技術(shù)成功地應(yīng)用于雙柳煤礦下組煤煤層瓦斯壓力。各鉆孔的煤層瓦斯壓力隨著煤層埋藏深度的增加而增大, 這符合煤層瓦斯壓力梯度的規(guī)律和礦井的實際情況。

表1 雙柳煤礦8#煤層瓦斯壓力測定結(jié)果表

表2 9(8+9) #煤層瓦斯壓力測定結(jié)果表

2) 該技術(shù)具有投入費用較低、實際操作簡單的優(yōu)點，采用該技術(shù)測定的煤層瓦斯壓力符合瓦斯壓力梯度的規(guī)律及該礦的實際情況。