長距離、多煤層瓦斯壓力測定技術的應用

王國飛，石 軍

(汾西礦業集團 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。準確測定煤層瓦斯壓力對礦井合理制定瓦斯防治措施,預測預報煤與瓦斯突出的危險性, 都具有重要意義。一直以來, 國內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, 但是當鉆孔內出現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大學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。

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，行政區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

下組煤二采區沿8#煤分別布置軌道下山、回風下山，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薄層石灰巖及少量砂巖層，灰巖的平均厚度30.64 m. 據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太原組L1～L5灰巖水。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生突出的動力之一。因此，準確測定煤層瓦斯壓力對于煤層的突出危險性預測十分重要。

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，在鉆孔內布置一根瓦斯管，封孔后在煤層內形成測壓室。上表后，測壓室周圍無限大空間煤體內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《防突規定》要求布置測點，測定瓦斯壓力進行開拓前的區域預測，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巖含水層，根據相關地質資料可知，太原組灰巖含水層涌水量可達30 m3/h，涌水會對測壓產生影響，測壓前須對出水的測壓鉆孔進行封堵。

3) 區域突出危險性預測需分別對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

3.1 長距離、多煤層瓦斯壓力測定技術

針對下向鉆孔施工距離遠封孔測壓困難，設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，固定件在重力作用下將軟管和篩孔管下放至測壓孔內的目的位置，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，實現測壓孔內煤層瓦斯壓力的測定。將封孔單元下放，可實現長距離封孔。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) 向鉆孔內壓注水泥固孔，掃孔試壓。4) 換94 mm鉆孔從套管內掃孔至孔底，再繼續鉆進至含水層。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，直到鉆孔內無水涌出時再繼續掃孔鉆進至8#煤層底板下方約1 m處后向孔內注漿，封堵8#煤層裂隙，控制8#煤層瓦斯向鉆孔內流動。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。根據相關測點布置要求及上組煤巷道情況，8#、9(8+9)#煤層分別設計了8個煤層瓦斯壓力測點，見圖4.

5 煤層瓦斯壓力測定結果

8#、9(8+9)#煤層瓦斯壓力測定結果見表1,表2.

由表1,2可得：8#、9(8+9)#煤層瓦斯壓力隨標高增大而減小的變化規律，符合煤層瓦斯壓力梯度的規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，收集數據與本次測壓數據進行對比驗證，及時對數據進行修正。

6 結 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成功地應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果表

表2 9(8+9) #煤層瓦斯壓力測定結果表

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