注浆封孔法测定煤层瓦斯压力在平沟煤矿的应用

张金山 王政伟 周连春 王瑞智 孙宝雷

(内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古自治区包头市,014010)

★煤矿安全 ★

注浆封孔法测定煤层瓦斯压力在平沟煤矿的应用

张金山 王政伟 周连春 王瑞智 孙宝雷

(内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古自治区包头市,014010)

介绍了煤层瓦斯压力测定中的注浆封孔工艺,并在平沟煤矿的9#、10#、16#煤层进行了现场应用,得出了各煤层的瓦斯压力随煤层底板等高线变化的拟合曲线以及各煤层瓦斯梯度,结果表明,9#、10#、16#煤层的瓦斯压力梯度分别为0.0484 MPa/100 m、0.1255 MPa/100 m、3.162 MPa/100m。

注浆封孔法 煤层瓦斯压力 瓦斯梯度 平沟煤矿

AbstractThe authors of this paper present an account about the grouting for hole sealing technology designed for use in testing coal seam methane gas pressure.This technology is put to actual application in#9 coal seam,#10 coal seam and#16 coal seam in Ping’gou Coal Mine. This application produces the fitting curve of methane pressure in different coal seams that changes with the coal seam floor contour as well as every coal seam’s mine gas gradients.The results show that the mine gas pressure gradients are 0.0484MPa/100m,0.1255MPa/100m and 3. 162MPa/100m,respectively.

Key wordsgrouting for hole sealing method,coal seam gas pressure,gas gradient,Ping’gou Coal Mine

煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力,即气体作用于孔隙壁的压力。它是煤层瓦斯赋存与涌出的最基本的参数,在研究煤与瓦斯突出、瓦斯涌出和瓦斯抽采时,煤层瓦斯压力是非常重要的基本参数之一。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量的主要因素,当煤的吸附瓦斯能力相同时,煤层瓦斯压力越高,煤中所含瓦斯量也就越大。它不仅决定着煤层瓦斯含量与涌出量的大小,而且对于合理地进行通风设计起着重要的作用。因此,准确测定煤层瓦斯压力是十分必要的。

1 煤层瓦斯压力测定

目前测定煤层瓦斯压力的方法有两种,一是间接测定方法,二是直接测定方法。间接测定煤层瓦斯压力方法是根据煤层瓦斯流动规律、煤层透气性系数、瓦斯解吸规律、煤层瓦斯含量系数曲线以及在测压地点附近测定的煤层瓦斯涌出量或统计采掘中的涌出量等参数,通过计算,推测出该地点的瓦斯压力;利用直接测定法进行煤层瓦斯压力测定时,先用钻机由岩层或煤层巷道向预定测量煤层瓦斯压力的地点打1个钻孔,然后在钻孔中放置测压装置,再将钻孔严密封闭堵塞并将压力表和测压装置相连来测出瓦斯压力。直接测压法的技术关键是钻孔封闭的质量,其封孔方法可分为填料法和封孔器法两类。根据封孔器的结构特点,封孔器又可分为胶圈、胶囊和胶圈—粘液等几种类型。

此次在平沟煤矿进行9#、10#、16#煤层瓦斯压力测定是按照煤炭行业标准 MT/T638-1996《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》的规定进行,采用注浆封孔测压法 (填料封孔法的一种),见图1和图2。封孔材料采用水泥浆或马丽散。

1.1 测压地点选择

进行煤层瓦斯压力测定时,最好在距煤层一定距离的岩石巷道打穿层钻孔进入煤层进行测定。测定地点还要尽量避开大的断层、褶曲、裂隙带以及其它地质构造带,钻孔周围煤层应处于原始状态,且需保证钻孔的岩石段完好。具体操作应根据矿井开拓布置、煤层赋存情况和井下风、水、电等实际条件来选择确定。

根据平沟煤矿巷道布置情况,目前没有适合布置9#煤层瓦斯压力测点的岩巷。所以,此次9#煤层瓦斯压力测定所有测点均布置在本煤层巷道,利用本煤层钻孔进行测定。

1.2 测定方法

如图1和图2所示,进行瓦斯压力测定时,首先在钻场内向测压煤层打钻孔,穿透煤层全厚,钻孔打至煤层顶板 (或底板)500mm处。钻孔施工好后,立即清洗钻孔,保证钻孔畅通,然后插入测压管至预定的深度,再用木塞将钻孔严密封闭,用泥浆泵 (或可控式注射仪)向孔内注入预定量的水泥浆 (或马丽散)。封完孔24 h后,在测压管上安装压力表,并定期观测压力值,待压力升至最高值并稳定5 d后,压力表指示的即为煤层瓦斯压力。测压管选用4分管,封孔材料为水泥浆或马丽散。

2 瓦斯压力测定结果

按照上述方法,分别对9#、10#及16#煤层的瓦斯压力进行测定,各测定钻孔参数及瓦斯压力测定结果见表1。

表1 瓦斯压力测定钻孔施工布置参数及测定结果表

3 各煤层瓦斯压力梯度

通过对煤层瓦斯压力测定结果分析得出,在同一矿区地质条件基本不变的情况下,瓦斯带内煤层的瓦斯压力随着深度的增加而增大,二者呈线性关系。通常煤层瓦斯压力随深度的变化程度用瓦斯压力梯度来表示。瓦斯压力梯度是指煤层赋存深度每增加100m时瓦斯压力的平均增加值,一般采用下式计算。

式中:C——煤层瓦斯压力梯度,MPa/100m;

P1、P2——在煤层底板标高 H1、H2处的瓦斯压力,MPa;

H1、H2——煤层瓦斯压力值为 P1、P2时测压点的煤层底板标高,m。

3.1 9#煤层瓦斯压力梯度

对9#煤层瓦斯压力的测定是通过在中组煤轨道下山的两个不同地点各设两个测点进行的,分别测定出煤层底板标高1031.87 m和990.55 m处的煤层瓦斯压力,测定结果见表1。

由表1可知,9#-1和9#-4钻孔的瓦斯压力测定值小于同标高点。由于这4个测点均是在煤层中封孔进行测定,故推断9#-1和9#-4测点由于封孔段处在裂隙范围内导致钻孔漏气,故在进行瓦斯压力梯度计算时,将它们作为不可靠测值,不参与瓦斯压力梯度计算。剔除不可靠数据后,对瓦斯压力测定结果进行线性回归,得出9#煤层瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律如图3所示。

图3 9#煤瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律

从图3中可以看出,9#煤层瓦斯压力随煤层底板的降低而升高,其关系式为:

式中:P——煤层瓦斯压力,MPa;

H——煤层瓦斯压力值为 P值时测压点的

煤层底板标高,100m。

由式2和图3可以看出,图3中所拟合出的直线的斜率即为9#煤层的瓦斯压力梯度,故9#煤层的瓦斯压力梯度为0.0484 MPa/100m。

3.2 10#煤层瓦斯压力梯度

对10#煤层瓦斯压力的测定,是通过在中组煤轨道下山的两个不同地点各设两个测点进行的,分别测定出煤层底板标高+1027.31 m和+995.44 m处的煤层瓦斯压力,测定结果见表1。由测定结果可以看出,10#-1和10#-4测定钻孔的瓦斯压力测定值小于同标高点,这是由于封孔段处在裂隙范围内导致钻孔漏气,故在进行瓦斯压力梯度计算时,将它们作为不可靠测值,不参与瓦斯压力梯度计算。剔除不可靠数据后,对瓦斯压力测定结果进行线性回归,得出10#煤层瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律 (见图4)。从图中可以看出,10#煤层瓦斯压力随煤层底板的降低而升高,其关系式为:

式中符号意义同前。

图4中所拟合出的直线的斜率即为10#煤层的瓦斯压力梯度,故 10#煤层的瓦斯压力梯度为0.1255 MPa/100m。从表1中的测定结果还可以看出,10#煤层的瓦斯压力小于同标高范围内的9#煤层的瓦斯压力,这主要是由于受到了本矿现有条件的限制。

10#煤层的瓦斯压力测定地点处于9#煤层的开采影响范围内,9#煤层的开采使10#煤层的瓦斯部分释放,所测定10#煤层的瓦斯压力为其残存瓦斯压力。

图4 10#煤瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律

3.3 16#煤层瓦斯压力梯度

对16#煤层瓦斯压力的测定,是通过在联络巷、1401轨道下山下 60 m、1401轨道下山下344 m和1401带式输送机巷距停采线180 m的4个不同地点各设两个测点进行的,分别测定出不同煤层底板标高处的瓦斯压力,测定结果见表1,由测定结果可以看出,16#-1和16#-2测定钻孔的瓦斯压力仅为0.1 MPa和0.12 MPa。相关研究表明,当瓦斯压力低于0.15 MPa时,煤层处于瓦斯风化带内,故可以认为16#-1和16#-2测点处的16#煤层处于瓦斯风化带内,所以其瓦斯压力很低。因此,在进行瓦斯压力梯度计算时,这两个测定值不参与瓦斯压力梯度计算。对其余的瓦斯压力测定结果进行线性回归,得出16#煤层瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律,如图5所示。从图中可以看出,16#煤层瓦斯压力随煤层底板的降低而升高,其关系式为:

式中符号意义同前。

图5 16#煤瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律

图5中所拟合出的直线的斜率即为16#煤层的瓦斯压力梯度,故 16#煤层的瓦斯压力梯度为3.162 MPa/100m。

4 瓦斯压力测定结果分析

平沟煤矿采用下行开采,采掘巷道布置在煤层内,目前没有合适的地点打穿层钻孔测定9#煤层的瓦斯压力,所以其测压钻孔均布置在本煤层内,采用马丽散封孔进行测定。在煤层内进行瓦斯压力测定结果的准确性在很大程度上取决于煤层裂隙的发育状况,9#-1及9#-4钻孔的瓦斯压力值远小于同标高测点,这是由于9#煤层测压孔的封孔段处存在裂隙导致钻孔漏气,致使瓦斯压力值偏小,因此在进行瓦斯压力梯度计算时这两个值不参与计算。

10#煤层的瓦斯压力测定是通过从9#煤层打下向穿层钻孔进行,但由于10#煤层与9#煤层的层间距平均只有4.35 m,该测压钻孔附近的10#煤层瓦斯已经部分释放,所以瓦斯压力较低。尤其是10#-1及10#-4钻孔的瓦斯压力值比同标高测点低很多,很可能是钻孔与较大的裂隙沟通,导致瓦斯泄露,在进行10#煤层瓦斯压力梯度计算时这两个值也不参与计算。

16#煤层的测压钻孔是从14#煤层打下向穿层钻孔进行,16#煤层与14#煤层的层间距平均为10.75 m,是较为理想的瓦斯压力测定地点,其测定结果与煤层底板标高呈较好的相关性。16#-1和16#-2测值较小,是由于这两个测点处于风化带内。

5 结论

本文采用煤层瓦斯压力测定中的注浆封孔工艺,分别准确测出了平沟煤矿的9#、10#和16#煤层的瓦斯压力,为类似煤矿煤层瓦斯压力的测量提供了借鉴。煤层瓦斯压力是矿井瓦斯基本参数之一,它对于确定平沟矿煤层瓦斯含量,进行矿井瓦斯涌出治理、瓦斯抽采以及煤与瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意义。

[1]马丕梁.煤矿瓦斯灾害防治技术手册 [M].北京:化学工业出版社,2007

[2]俞启香.矿井瓦斯防治 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1992

[3]周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论 [M].北京:煤炭工业出版社,1997

(责任编辑 梁子荣)

Application of grouting-hole-sealing for coal seam methane pressure testing in Ping’gou Coal Mine

Zhang Jinshan,Wang Zhengwei,Zhou Lianchun,Wang Ruizhi,Sun Baolei
(School of Mining Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou, Inner Mongolia autonomous region 014010,China)

TD712.3

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张金山 (1959-),男,教授,主要从事采矿工程的教学及研究工作。