上向鉆孔直接測定瓦斯壓力新技術研究及應用

周昀涵 羅新榮 吳麗麗

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008）

上向鉆孔直接測定瓦斯壓力新技術研究及應用

周昀涵 羅新榮 吳麗麗

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008）

針對當前瓦斯壓力測定技術存在的問題，提出了水—套管帶壓封孔測壓技術，介紹了該技術的原理及工藝，在丁集煤礦13－1＃煤層瓦斯壓力測定中進行了應用，為了檢驗水—套管帶壓封孔技術測定煤層瓦斯壓力的準確性，利用煤層瓦斯壓力間接計算法計算出煤層瓦斯壓力與測值對比，結果表明，瓦斯壓力間接計算法求得煤層瓦斯壓力在1.42～1.45 MPa之間，其數據與1＃、2＃鉆孔現場測壓值1.41～1.43 MPa基本吻合。

瓦斯壓力 封孔測壓 上向鉆孔 水－套管帶壓注漿技術

瓦斯壓力是指煤層中的游離瓦斯作用于孔隙壁的壓力，煤層瓦斯的膨脹能是瓦斯涌出和突出的動力。因此，測定瓦斯壓力是防治煤與瓦斯突出的重要任務之一。瓦斯壓力分為原始瓦斯壓力和卸壓瓦斯壓力，測定原始瓦斯壓力是為了劃分煤層突出性，測定卸壓瓦斯壓力通常是為了考察防突效果。無論測定哪種瓦斯壓力都是向測定目標煤層打一鉆孔，將測壓管一端深入煤層，另外一端接上瓦斯壓力表，在測壓管無堵塞、斷裂以及與壓力表連接的一端鉆孔無漏氣的前提下，壓力表的數值就是被測煤層的瓦斯壓力。但是在多種情況下，由于打鉆孔施工或其他動力干擾已破壞了鉆孔周圍的封閉性，等鉆孔施工至煤層后，瓦斯經過鉆孔裂隙溢出，這時測定的瓦斯壓力不是煤層瓦斯壓力。為了彌補這種缺陷，改善鉆孔封孔技術是亟待解決的問題。

1 問題分析

煤層瓦斯壓力測定值的可靠性主要取決于以下兩個關鍵因素：測壓地點和封孔技術。

1.1 測壓地點

測壓地點的選取是直接影響測壓成功與否的一個首要因素。在選取測壓地點時，首先，為了準確測定煤層瓦斯壓力，一般是在巖巷打穿層鉆孔測定，測壓地點最好無淋水、斷裂、裂隙、褶曲及地質構造異常區；其次，測壓50 m范圍內無巷道掘進、震動放炮；最后，打鉆前熟悉礦井開拓布置、煤層賦存情況，設計合理的鉆孔參數。然而，在測定某些煤層時，很難選擇到滿足以上原則的測壓地點。

1.2 封孔技術

當前測壓管封孔方法有固體材料封孔和封孔器法兩大類。固體封孔材料有黃泥、粘土和水泥砂漿；封孔器分為膠圈、膠囊、膠圈—粘液和聚氨酯泡沫—壓力粘液等幾種類型。這些封孔方法都不同程度地存在以下幾種形式的漏氣狀況：

（1）鉆孔內的瓦斯通過巷道（鉆孔本身）的卸壓圈和裂隙向外泄露；

（2）鉆孔內的瓦斯通過鉆孔密封段的巖體向外泄漏；（3）鉆孔孔底殘留的鉆屑也會引起瓦斯泄漏；（4）填料砂漿未充滿鉆孔或填料時壓力不夠使鉆孔空間形成的孔隙泄漏；

（5）鉆孔周圍外載荷移動巖石而泄漏；

（6）鉆孔端的填料物質未包住測壓管而泄漏。

鑒于以上因素，在雙套管測壓技術的基礎上試驗設計一種新的封孔技術——水－套管帶壓注漿封孔技術。

2 水—套管帶壓注漿封孔技術

2.1 技術原理

水—套管帶壓注漿裝置由內外雙套管構成，外套管起保護孔口的作用，內套管主要起支撐松軟、易垮塌的煤巖體的作用，以防止鉆孔內含水巖段中的水進入測壓管干擾瓦斯壓力測定。通過套管對鉆孔進行高壓注漿，充填套管外圍含水層的含水和裂隙空間，使鉆孔周圍一定范圍內含水層變為隔水層，同時封堵松軟巖層裂隙，并在套管周圍形成具有一定厚度的穩固水泥圍巖，保護測壓管不受外環境的干擾。該技術可以隔絕測壓鉆孔與圍巖裂隙間的連通，使鉆孔與圍巖含水裂隙無法導通，保證測壓孔圍巖無漏水現象。用水代替內套管里的砂漿還可以起到以下作用：檢驗測壓孔的密封性；使套管內的氣體全部壓入煤層測壓室內，減少測壓室氣體平衡時間；測壓完成后，容易回收測壓管的整套裝置。

2.2 套管安裝工藝

（1）先用直徑略大于108 mm的鉆頭開孔，在鉆進2～3 m后退出鉆桿，用壓風掃凈孔內巖粉，將外套管（直徑小于108 mm）送進孔內，先將沾有聚氨酯的棉紗搗入護口管的外圍，待聚氨酯完全發泡后，自動穩定外套管，再將水和水泥按一定比例制成水泥漿注漿入孔內加固外套管，之后做耐壓試驗，最低壓力不能小于6 MPa，外套管安裝成功。該級套管主要作用是保護孔口防止塌孔。

（2）孔口管耐壓試驗合格后，用直徑略大于89 mm（直徑小于108 mm）的鉆頭施工鉆孔，鉆至距煤層底板0.5 m左右停鉆，鋪設直徑89 mm（或95 mm）內套管，將套管注漿固結以封堵含水層水源，之后做耐壓試驗，最低壓力不能小于6 MPa，保證鉆孔掃孔后無水并不漏氣。

上述工作完成后，用直徑75 mm（或直徑小于89 mm）鉆頭掃孔，掃孔時要穿透煤層，鉆孔施工完成。

2.3 水、聚氨酯封孔測壓工藝

（1）將預先準備好的測壓管與纏密目紗的花管插入煤層內。測壓管一端與孔口法蘭連接。

圖1 水－套管測壓封孔測壓示意圖

（2）在法蘭上放入少許棉紗，上好法蘭，打開注水閥門，向孔內注一定的聚氨酯，密封法蘭連接處，防止漏水漏氣。

（3）從注水孔注水，直到連接壓力表接口出水為止。

（4）關閉閥門，接上壓力表后，打開閥門。封孔結束。

（5）瓦斯壓力觀測時間視瓦斯壓力的大小而定。

（6）瓦斯壓力測定完畢后，打開測壓孔排放瓦斯，記錄排放瓦斯的時間和流量以及煤層厚度、鉆孔直徑等參數，求出煤層透氣性系數。

（7）整個測壓工作結束后，回收測壓管、法蘭、壓力表。水－套管測壓封孔示意圖見圖1。

3 現場試驗

丁集煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，11－2＃煤層已發生過3次煤與瓦斯突出，13－1＃煤層厚度為0.50～10.68 m，平均厚3.70 m，一般厚2.5～4 m，13－1＃煤以塊狀為主，中部少量粉末狀，性脆，斷口平坦，具玻璃、弱玻璃光澤，以亮、鏡煤為主，中下部煤質較差，以暗煤為主，屬半亮型煤，底部含1層夾矸；13－1＃煤按照突出煤層管理，13－1＃煤瓦斯含量為3.7～7.2 m3/t。

3.1 測壓地點及鉆孔參數

結合地質資料、現場布置及測壓鉆孔長度不宜過長的要求，經分析和計算將測壓地點選在1311（3）巖巷掘進工作面處，在巷道左右兩幫各布置1個孔，見煤標高為－740 m。鉆孔布置參數見表1。

表1 鉆孔布置參數

3.2 煤層瓦斯測定技術工藝

該試驗利用水－套管帶壓封孔技術施工程序，先用?133 mm鉆頭鉆進5 m后，孔內鋪設?108 mm、壁厚4 mm無縫鋼管5 m，并注漿試壓10 MPa；達到強度后，用?94 mm鉆頭鉆進至距煤層底板0.5 m，鋪設?89 mm套管，也要注漿試壓10 MPa；再用?75 mm鉆頭鉆進至煤層底板，在孔內鋪設四分管（四分管前端接有纏密目紗的花管），管前端伸入原始煤層，另一端與孔口法蘭盤連接，用聚氨酯密封孔口法蘭盤后，從注水閥向孔內注水，水一直注到煤巖交界處，待測壓管口有水流出即可，當孔口法蘭盤不漏水表明封孔成功，否則失敗。

當用?75 mm鉆頭鉆進至煤層底板時，取全孔煤樣，進行解吸瓦斯試驗和煤樣成分的工業分析，為檢驗直接瓦斯壓力測定結果作準備。

表2 1＃、2＃孔瓦斯壓力測定結果

3.3 測壓結果及瓦斯壓力變化曲線

經過3 d測試試驗，瓦斯壓力達到穩定狀態，測得13－1＃煤層瓦斯壓力結果見表2，瓦斯壓力隨時間的變化曲線分別如圖2和圖3所示。測壓完成后，測定鉆孔瓦斯流量，并記錄相應時間，以便計算煤層透氣性系數，放水、回收測壓管。

3.4 效果檢驗

為了檢驗水—套管帶壓封孔技術測煤層瓦斯壓力的準確性，利用煤層瓦斯壓力間接計算法計算出煤層瓦斯壓力。在測定煤層瓦斯壓力的同時，采集了1＃、2＃鉆孔內的煤樣，在實驗室取得煤對瓦斯吸附常數、工業分析及其孔隙體積。

大量研究表明：煤層瓦斯含量W與瓦斯壓力P滿足郎格謬爾吸附方程，用郎格謬爾方程反算煤層瓦斯壓力。煤層瓦斯含量W與瓦斯壓力P的關系可描述為：式中：W——煤層瓦斯含量，m3/t

a——煤的瓦斯吸附常數，試驗溫度下煤的極限吸附量，m3/t；

b——煤的瓦斯吸附常數，MPa－1；

P——煤層的原始瓦斯壓力，MPa；

P0——標準狀況下的大氣壓力，P0＝0.101325 MPa；

e——自然對數的底，e≈2.718；

t——煤層瓦斯的溫度，取42℃；

t0——實驗室測定煤的吸附常數時的實驗溫度，取45℃；

Mad——煤中水分含量，%；Aad——煤中灰分含量，%；

T——煤層瓦斯的溫度，T＝273＋t，K，煤層瓦斯溫度是由井下現場測試與實驗室修正過后的溫度，t＝42℃；

T0——標準狀況下的絕對溫度，273 K；

K——單位質量煤的孔隙體積，m3/t；

ξ——甲烷的壓縮系數，取1.08。

利用公式（1）和瓦斯含量等參數，可間接計算出各含量點瓦斯壓力，間接計算結果見表3。

表3 瓦斯壓力間接計算結果

根據瓦斯壓力間接計算結果可以看出，煤層瓦斯壓力在1.42～1.45 MPa之間，其數據與1＃、2＃鉆孔現場測壓值1.41～1.43 MPa基本吻合。因此，可以認為水－套管帶壓注漿測壓技術測得的壓力值為煤層原始瓦斯壓力。

4 結語

（1）帶壓注漿封堵測壓孔裂隙，既使在測壓孔周圍有含水層，水也難以進入測壓孔內，這可以消除由水壓帶來所測煤層瓦斯壓力過大的情況。

（2）水—套管帶壓注漿封孔技術避免了鉆孔周邊裂隙使得封孔不嚴而漏氣，測出的瓦斯壓力值通常低于真實的煤層瓦斯壓力。

（3）外套管可以避免在松軟巖層、巖石移動或煤層打測壓鉆孔時出現塌孔，測壓封孔設備無法伸入煤層或測壓完成后設備會被埋入孔中，無法回收的現象。

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Research and application of new technology for direct determination of gas pressure by upward－hole drilling

Zhou Yunhan，Luo Xinrong，Wu Lili
（School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

On the basis of analysis of problems in current gas pressure measurements，a new measuring technology was proposed，namely water－casing pipe with pressure borehole sealing technology，and its principal and process were introduced.It was applied to the gas pressure measurement of No.13－1 coal seam in Dingji Coal Mine.In order to check its accuracy，the gas pressure of seam was calculated by indirect calculation method.The results showed that the calculated value was in the range of 1.42－1.45 MPa，which agreed well with the value of 1.41－1.43 MPa measured from No.1 and 2 boreholes.

gas pressure，pressure measurement by sealing boreholes，upward－hole drilling，water－casing pipe with pressure grouting technology

TD712.3

A

周昀涵（1982－），男，四川達州人，中國礦業大學安全技術及工程在讀研究生，主要從事瓦斯防治技術及礦井降溫技術研究。

（責任編輯 梁子榮）