地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜礦井煤層瓦斯壓力測(cè)定的影響因素

趙文清　但章玉　潘孝康

摘要：闡述了測(cè)量礦井瓦斯壓力的意義，同時(shí)對(duì)瓦斯壓力的測(cè)試方法及主要原理進(jìn)行了簡(jiǎn)介。針對(duì)一些礦井具有較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合礦井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析影響礦井瓦斯壓力測(cè)量結(jié)果的主要因素，得到了以下結(jié)論：（1） 針對(duì)礦井的地質(zhì)構(gòu)造特征，合理選擇測(cè)壓地點(diǎn)，充分考慮煤層賦存特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；（2） 精確設(shè)計(jì)施工鉆孔、優(yōu)化鉆孔參數(shù)、恰當(dāng)選擇封孔深度和封孔時(shí)間；（3） 合理整合和改進(jìn)現(xiàn)有測(cè)壓方法，分階段、分區(qū)域合理選擇測(cè)壓方法。

關(guān)鍵詞：測(cè)壓方法；瓦斯壓力；地質(zhì)構(gòu)造；鉆孔

煤層中的瓦斯壓力是礦井安全生產(chǎn)時(shí)必須獲取的基礎(chǔ)參數(shù)，也是研究礦井瓦斯災(zāi)害、瓦斯解吸和涌出規(guī)律以及評(píng)價(jià)煤層瓦斯含量和瓦斯抽放等的基本瓦斯參數(shù)。測(cè)量煤層瓦斯壓力的方法有很多，但是由于不同的礦井的地質(zhì)條件差異性較大，需要選擇合適的測(cè)量方法。因而，如何在短時(shí)間內(nèi)精確、有效地獲取煤層原始瓦斯壓力，一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的主要研究課題，其對(duì)于礦山安全管理與高效生產(chǎn)等方面都具有重大的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義[1～2]。

1. 測(cè)壓方法

一般情況下，礦山對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)量的方法主要為直接測(cè)定法，有時(shí)也采用間接測(cè)定法。在巖巷或者煤巷向測(cè)量煤層打鉆孔，采用封孔材料和壓力表等來(lái)檢測(cè)煤層瓦斯壓力的方法稱為直接測(cè)定法；間接測(cè)定法則是以煤層瓦斯運(yùn)移賦存特征、煤層透氣性系數(shù)、煤層瓦斯含量系數(shù)曲線等為基礎(chǔ)，在檢測(cè)區(qū)域附近收集煤層瓦斯涌出量或統(tǒng)計(jì)采掘過(guò)程中瓦斯涌出量等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算推測(cè)出瓦斯壓力。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用直接測(cè)定法獲取煤層瓦斯壓力參數(shù)[1]。

直接測(cè)定法的主要原理是通過(guò)打鉆，將鉆孔布置在煤層深部，在孔內(nèi)放置一根管道與外部連通，在管道口接上氣體壓力表，封閉鉆孔，防止氣體外泄。在打鉆過(guò)程中。鉆孔附近的瓦斯放散到巷道中，孔內(nèi)的壓力與巷道氣壓相同，鉆孔附近的煤層中由于含有較高濃度的瓦斯，會(huì)逐漸向孔內(nèi)滲流，鉆孔內(nèi)瓦斯壓力逐漸增大。由于鉆孔所處煤層體積遠(yuǎn)大于鉆孔自身的空間體積，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的瓦斯?jié)B流作用，鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力逐漸接近煤層的原始瓦斯壓力。從連接的壓力表上可以讀出孔內(nèi)氣體的壓力值，當(dāng)壓力值在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有變化時(shí)，此時(shí)的數(shù)值便是煤層的瓦斯壓力值[6]。

2. 影響測(cè)壓結(jié)果因素

對(duì)井下煤層瓦斯壓力進(jìn)行直接測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量煤層的瓦斯壓力時(shí)，測(cè)壓地點(diǎn)的選擇、施工工藝以及測(cè)量讀數(shù)等每個(gè)工序都很復(fù)雜，只有做好每一個(gè)工序，才有可能獲得有效的煤層瓦斯壓力[7]。尤其是斷層多、煤層頂?shù)装遢^為破碎松軟等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦井，進(jìn)行煤層瓦斯壓力的測(cè)量就變得更為復(fù)雜，對(duì)測(cè)量結(jié)果的造成明顯影響的因素就更多了。

2.1 測(cè)壓地點(diǎn)的選擇

在煤層瓦斯瓦力的測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量地點(diǎn)的選擇尤為重要。需要考慮以下兩個(gè)因素：①測(cè)壓鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)與周圍巷道之間的相對(duì)位置關(guān)系[8]。由于巷幫由外到里存在巷道寬3倍～5倍的裂隙區(qū)[9]，因?yàn)樵趯?duì)測(cè)壓鉆孔進(jìn)行布置時(shí)，必須將鉆孔的見(jiàn)煤點(diǎn)布置在裂隙區(qū)以外，使其不受圍巖裂隙的影響；②鉆孔的開孔地點(diǎn)、見(jiàn)煤點(diǎn)等不應(yīng)暴露在煤層卸壓范圍內(nèi)。煤層的卸壓范圍由具體實(shí)際煤層的賦存特征、煤面暴露時(shí)間和面積大小等因素共同決定[9～10]。

2.2 煤層賦存條件

不同礦井的地質(zhì)構(gòu)造差異較大，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，部分煤層的產(chǎn)狀與整體差異性較大，導(dǎo)致鉆孔布置位置與設(shè)計(jì)要求不符，達(dá)不到預(yù)計(jì)地點(diǎn)或深度，影響測(cè)量結(jié)果。另一方面，礦井中的斷層或破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯壓力的測(cè)量也有較大影響，由于施工需求，必須在斷層、裂隙帶或破碎帶等區(qū)域進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)量時(shí)，應(yīng)該先對(duì)鉆孔周圍50m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行水泥漿或其他封堵材料封堵，減少裂隙的影響，這樣才能有效測(cè)量瓦斯壓力[6]。

2.2.1 煤層埋藏深度

隨著煤層埋藏深度的增加，巷道地應(yīng)力逐漸增大，煤層和圍巖在應(yīng)力的作用下，裂隙閉合程度增大，導(dǎo)致煤巖透氣性降低，瓦斯不易運(yùn)移滲出，煤層中瓦斯的封存率較高。因此，掌握瓦斯壓力隨埋深的變化規(guī)律有益于了解煤層賦存情況[5]。

2.2.2 煤層頂?shù)装鍘r性

煤層的頂?shù)装鍘r層的巖性對(duì)測(cè)壓結(jié)果有較大的影響，巖性致密，將會(huì)對(duì)煤層中的瓦斯起到較好的密封作用，降低瓦斯的滲出，利于測(cè)壓工作的開展，同時(shí)縮短測(cè)量時(shí)間。

2.2.3 鉆孔周邊巖石裂隙

如果鉆孔周圍巖層含有較多裂隙、較大的裂隙時(shí)，可能會(huì)影響測(cè)壓結(jié)果，尤其是在封孔效果不好時(shí)尤為顯著。所以布孔時(shí)不要選擇地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶[5]。

2.2.4 水文地質(zhì)條件

礦井含煤巖系及圍巖中一般都含有地下水，其運(yùn)移和賦存特征與煤巖的孔隙、裂隙通道息息相關(guān)。地下水豐富的區(qū)域，由于水的作用，煤層的中瓦斯?jié)B出量較大。這樣可以促進(jìn)瓦斯的排放，進(jìn)而降低了煤層瓦斯含量和瓦斯壓力[5]。通常情況下，處于承壓狀態(tài)的含水層都具有一定的壓力，如果測(cè)壓孔穿過(guò)了有壓的含水層，水壓與瓦斯壓力疊加會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大[11～13]。

2.3 鉆孔參數(shù)

鉆孔參數(shù)主要包括傾角、方位、孔深、孔徑等。首先，合理設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，盡量使測(cè)壓鉆孔不受采動(dòng)應(yīng)力的影響。然后，做到合理控制參數(shù)，從而減少測(cè)壓工作量，降低成本，促使測(cè)壓工作更便捷，結(jié)果更準(zhǔn)確[8]。

2.4 封孔工藝[14]

目前，根據(jù)采用的封孔材料不同，測(cè)壓方法一般可分為黃泥（黏土）法，水泥砂漿封孔法，膠圈封孔器法，膠圈——壓力黏液封孔法，膠囊——壓力黏液封孔法等。按測(cè)壓封孔方法的不同，測(cè)定方法可分為填料法和封孔器法2類。

2.5 封孔深度

鉆孔測(cè)壓中鉆孔密封位置所達(dá)到的深度就是封孔深度。由于煤巖層中裂隙松散區(qū)域的存在，針對(duì)瓦斯抽采封孔和測(cè)壓封孔兩種對(duì)瓦斯密封有較高要求的技術(shù)，每次封孔深度都必須穿過(guò)這些區(qū)域達(dá)到煤巖的致密區(qū)，從而保證鉆孔不受采動(dòng)應(yīng)力的影響。測(cè)壓鉆孔對(duì)封孔深度要求十分嚴(yán)苛，沒(méi)有超過(guò)裂隙松散區(qū)的封孔深度，可能使孔內(nèi)的瓦斯通過(guò)松動(dòng)裂隙區(qū)流出，導(dǎo)致測(cè)量的瓦斯壓力偏低[8]。因而，鉆孔測(cè)壓時(shí)一定要確保封孔深度足夠。如果鉆孔經(jīng)過(guò)巖巷，鉆孔深度一般情況下都應(yīng)大于10m。

2.6 封孔時(shí)間

測(cè)壓鉆孔施工完后應(yīng)24h內(nèi)完成鉆孔的封孔工作，在完成封孔工作24h后進(jìn)行測(cè)定工作[15]。對(duì)于鉆孔流量衰減系數(shù)較大的煤層，封孔要及時(shí)。

在古敘礦區(qū)觀文煤礦12406運(yùn)輸順槽測(cè)定19號(hào)煤層瓦斯，布置兩個(gè)鉆孔，相距50m。5#鉆孔在鉆孔施工完后8h內(nèi)完成封孔；6#鉆孔在鉆孔施工完后16h內(nèi)完成封孔。在同樣的封孔條件下，測(cè)得的兩孔瓦斯壓力參數(shù)見(jiàn)表1。

3. 結(jié)論

（1）測(cè)定煤層瓦斯壓力時(shí)，測(cè)壓鉆孔的布置位置應(yīng)遠(yuǎn)離采動(dòng)影響的范圍，熟悉測(cè)壓鉆孔附近的煤巖地質(zhì)特征，避免諸如斷層、褶皺、鄰近煤層、水等其他因素的影響，防止瓦斯壓力測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至測(cè)壓失敗。

（2）對(duì)于鉆孔流量衰減系數(shù)較大的煤層，封孔要及時(shí)。在施工條件允許時(shí)，應(yīng)盡量做到鉆孔施工完后立即封孔以確保測(cè)量瓦斯壓力結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）合理整合和改進(jìn)現(xiàn)有測(cè)壓方法，根據(jù)實(shí)際情況，分階段、分區(qū)域合理選擇測(cè)壓方法、布孔位置以及封孔方法等，促使鉆孔測(cè)壓的成功率大大提高，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量煤層瓦斯壓力的目的。

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