高瓦斯礦井瓦斯壓力分布規(guī)律研究

李 鵬，張鵬沖

(1.陽泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045200； 2.中煤科工集團(tuán) 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(guān)鍵參數(shù)之一，直接關(guān)系到礦井瓦斯等級(jí)的劃分，隨著礦井埋深的增加，瓦斯災(zāi)害越發(fā)嚴(yán)重，為了充分掌握礦井瓦斯參數(shù)，有必要改進(jìn)和運(yùn)用更為先進(jìn)的測壓技術(shù)。因此，如何快速、高效、準(zhǔn)確地測定礦井煤層瓦斯壓力直接關(guān)系到礦井的采掘銜接和安全生產(chǎn)，對(duì)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(zhèn)南上社村以西，開采6—15號(hào)煤層，開采標(biāo)高為+930～+1 132 m，井田生產(chǎn)規(guī)模為90萬t/a，井田面積3.658 2 km2. 全井田只布置1個(gè)水平，其水平標(biāo)高為+985 m. 礦井采用斜井、立井綜合開拓，15號(hào)煤層劃分1個(gè)采區(qū)，采用綜采放頂煤采煤方法，工作面180 m，機(jī)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(hào)煤層時(shí)布置兩個(gè)綜掘面。礦井通風(fēng)方式為中央分列式。

2 測定礦井瓦斯壓力設(shè)計(jì)方案

2.1 地質(zhì)單元分析

和諧煤礦在井田東部發(fā)育褶曲構(gòu)造，井田內(nèi)地層相對(duì)平整，幾乎無斷層，只存在小型陷落柱，尚未發(fā)現(xiàn)有巖漿巖侵入，構(gòu)造屬簡單類型。

15號(hào)煤層試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)共賦存有2個(gè)斷層：DF8、DF3，分別位于15號(hào)煤層采區(qū)距離15號(hào)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(duì)煤層連續(xù)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(hù)煤柱范圍之外，因此，DF3斷層對(duì)巷道布置有一定的影響，但對(duì)15號(hào)煤層整體穩(wěn)定性影響不大。區(qū)域內(nèi)陷落柱有6個(gè)，對(duì)巷道布置有一定的影響，但對(duì)15號(hào)煤層整體穩(wěn)定性及瓦斯賦存規(guī)律影響不大。斷層與陷落柱對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的煤層賦存、礦井的采掘布置影響較小，煤層賦存穩(wěn)定。因此，試驗(yàn)區(qū)域煤層可認(rèn)定為同一瓦斯地質(zhì)單元。

2.2 測定礦井瓦斯壓力方法

15號(hào)煤層原始瓦斯壓力直接測定方法采用被動(dòng)式測壓，采用的主要材料有425標(biāo)號(hào)水泥、木楔、4″鐵管、管接頭、壓力表接頭、壓力表等。該礦試驗(yàn)區(qū)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(shù)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(shè)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(dòng)裂隙內(nèi)部，漿液在注漿壓力作用下，可以劈裂擴(kuò)展孔壁內(nèi)煤體裂隙，充填孔隙和煤體凹凸面，增大漿液擴(kuò)散范圍；并在大滲透壓力梯度作用下滲入煤體微裂隙內(nèi)，并產(chǎn)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(jié)在一起，達(dá)到對(duì)鉆孔周圍煤巖體施加主動(dòng)支護(hù)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(yàn)區(qū)域內(nèi)15號(hào)煤層為同一瓦斯地質(zhì)單元，測壓鉆孔應(yīng)該布置在未受采動(dòng)影響和抽采影響的區(qū)域，結(jié)合該礦現(xiàn)有巷道布置情況，傾向上布置3個(gè)煤層瓦斯壓力測點(diǎn)，共6個(gè)瓦斯壓力鉆孔。第6測點(diǎn)布置編號(hào)為6-1#、6-2#的2個(gè)順層鉆孔，其中，6-1#鉆孔位于15號(hào)煤膠帶大巷內(nèi)距主變電所381 m處，鉆孔終孔標(biāo)高為+974 m、終孔埋深為201 m；6-2#鉆孔位于15號(hào)煤膠帶大巷內(nèi)距主變電所438 m處，鉆孔終孔標(biāo)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(hào)測點(diǎn)鉆孔位置示意圖

圖3 6號(hào)測點(diǎn)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(jié)構(gòu)受構(gòu)造應(yīng)力作用后的破壞程度，由于煤的物理、力學(xué)性質(zhì)不盡相同，《煤礦瓦斯等級(jí)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(qiáng)烈破壞煤)、Ⅳ類(粉碎煤)和Ⅴ類(全粉煤)。和諧礦15號(hào)煤層的破壞類型勘察地點(diǎn)選在15號(hào)煤采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面、第一聯(lián)絡(luò)巷和膠帶巷距離第一聯(lián)絡(luò)巷300 m處。勘查地點(diǎn)均布置在15號(hào)煤層中，且掘進(jìn)工作已經(jīng)完成。煤層半亮或暗淡，節(jié)理發(fā)育不清，不規(guī)則塊狀，多棱角，有明顯構(gòu)造擠壓特征；小片構(gòu)造，由塊狀、斷口參差狀或粒狀構(gòu)成，用手可捻成粉末、碎粒，偶爾較硬。結(jié)合破壞類型分類表判定15號(hào)煤層煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類。

2.5 煤層瓦斯突出參數(shù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力重要特征之一，能較好地反映煤層的突出危險(xiǎn)傾向性，瓦斯放散初速度(Δp)越大，瓦斯突出危險(xiǎn)傾向性越大。分別在勘查地點(diǎn)取軟分層煤樣進(jìn)行瓦斯放散初速度測試，其測定結(jié)果見表1.

2) 煤的堅(jiān)固性系數(shù)。

煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)是表示煤抵抗外力破壞能力的一個(gè)綜合指標(biāo)，主要由煤的物理力學(xué)性質(zhì)所決定，實(shí)質(zhì)上反映的是單位質(zhì)量的煤破壞所消耗的能量的大小，是反映煤層突出危險(xiǎn)性的一個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)。按照相關(guān)要求，分別在勘查地點(diǎn)取軟分層煤樣測試煤的堅(jiān)固性系數(shù)，其測定結(jié)果見表1.

表1 15號(hào)煤層瓦斯放散初速度和堅(jiān)固性系數(shù)測定結(jié)果表

3 礦井瓦斯壓力分布規(guī)律研究

1) 單孔瓦斯壓力測定結(jié)果及壓力變化規(guī)律分析。

各鉆孔在封孔、安裝壓力表后，每天進(jìn)行瓦斯壓力觀測，直到壓力變化3天內(nèi)小于0.015 MPa為止。瓦斯壓力測點(diǎn)布置在未受采動(dòng)和抽采工程影響的原始煤體區(qū)域，測壓鉆孔客觀、全面地反映了區(qū)域內(nèi)15號(hào)煤層實(shí)際瓦斯壓力。根據(jù)觀測情況，該煤層瓦斯壓力測定結(jié)果見表2.

表2 15號(hào)煤層瓦斯壓力測定結(jié)果表

同一地點(diǎn)以最高瓦斯壓力測定值作為測定結(jié)果，因此，該次所測得15號(hào)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(shù)據(jù)(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(hào)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(biāo)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(diǎn)結(jié)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(guī)律。因此，該次所測得的和諧煤礦15號(hào)煤層的瓦斯壓力值是可靠的。

2) 區(qū)域瓦斯壓力測試分析。

15號(hào)煤層試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)各實(shí)測瓦斯壓力梯度關(guān)系見圖6，符合瓦斯壓力隨埋深增加而增大的規(guī)律，測壓鉆孔最低控制標(biāo)高為+958 m(最大埋深320 m)，即為區(qū)域內(nèi)最低標(biāo)高。結(jié)合區(qū)域最大瓦斯放散初速度ΔPmax為32 mmHg，最小堅(jiān)固性系數(shù)fmin為0.16和煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ，并且通過對(duì)區(qū)域15號(hào)煤層實(shí)測瓦斯參數(shù)綜合分析可知，區(qū)域內(nèi)發(fā)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(jié) 論

1) 測定和諧煤礦15號(hào)煤層采區(qū)瓦斯壓力，并通過理論分析得到不同埋深與瓦斯壓力的關(guān)系，分析得出區(qū)域內(nèi)發(fā)生瓦斯突出的可能性較小。

2) 該次試驗(yàn)所用的測壓技術(shù)在滿足相關(guān)測定瓦斯壓力要求的基礎(chǔ)上，能適應(yīng)礦井的采掘銜接和安全生產(chǎn)，并在該礦得到了成功的應(yīng)用和檢驗(yàn)。

3) 礦井在開拓新水平，或者進(jìn)入新的地質(zhì)單元時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行煤層瓦斯相關(guān)參數(shù)的測定，掌握各個(gè)地質(zhì)單元煤層地質(zhì)變化和瓦斯涌出變化情況。在作業(yè)過程中加強(qiáng)地質(zhì)構(gòu)造超前探測和瓦斯涌出的日常觀測工作，當(dāng)瓦斯涌出出現(xiàn)異?；蛴忻号c瓦斯突出征兆時(shí)，應(yīng)停止采掘作業(yè)，并采取相應(yīng)技術(shù)措施，確認(rèn)安全有效后，方可進(jìn)行采掘作業(yè)。