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 014010)

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 014010)

摘要:准确测定煤层瓦斯压力对矿井有效而合理地制定瓦斯防治措施、预测预报煤与瓦斯突出的危险性,具有重要意义。本文介绍了煤层瓦斯压力测定中的注浆封孔工艺,分别测出了平沟煤矿的9#、10#、16#煤层的瓦斯压力,并对结果进行了分析。

封孔注浆法 煤层瓦斯压力 测定

Abstract:Accurate determination of coalbed methane pressure is of important significance for the coal mines to take effective and reasonable measures to prevent and control gas,to predict and precast risks of coal and gas outburst.The paper described the technologyfor sealing grouting boreholes for determination of CBM pressure.It measured respectively the gas pressure of Nos.9,10 and 16 seams.It also analyzed the results of measurements.

Keywords:Method for sealing grouting boreholes;coalbed methane pressure;determination

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,在研究和治理煤和瓦斯突出、瓦斯涌出和瓦斯抽放时,煤层瓦斯压力亦是一个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一个主要因素,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等,通过计算,推测出该地点的瓦斯压力。间接测压法一般用于难以进行直接测压的条件下,根据煤层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量等基础参数推算煤层瓦斯压力,以及由地层深度估算煤层瓦斯压力等。直接测定煤层瓦斯压力方法是先用钻机由岩层巷道或煤层巷道向预定测量煤层瓦斯压力的地点打一钻孔,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。直接测压法的关键是钻孔封闭的质量。直接测压的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。

本次在平沟煤矿进行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),如图1及图2所示。封孔材料采用水泥浆或马丽散。

图1 注水泥浆测定瓦斯压力方法示意图

图2 注马丽散测定瓦斯压力方法示意图

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。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。

表1 瓦斯压力测定钻孔施工布置参数及测定结果表

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,本次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。

瓦斯压力测定钻孔施工布置参数见表1。

1.2 测定方法

瓦斯压力测定方法如图1及图2所示。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小时后,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天后,压力表指示的即为煤层瓦斯压力(表压力)。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如表1所示。

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,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。

(1)9#煤层瓦斯压力梯度

在平沟煤矿9#煤层测定煤层瓦斯压力过程中,在中组煤轨道下山的两个不同地点各设两个测点,分别测定煤层底板标高1031.87m和990.55m处的煤层瓦斯压力,测定结果见表1。

由测定结果可以看出,Y L9-1和Y L9-4测定钻孔的瓦斯压力测定值小于同标高点。由于这四个测点均是在煤层中封孔进行测定,所以Y L9-1和Y L9-4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

从上图中可以看出,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0.0484MPa/100m。

(2)10#煤层瓦斯压力梯度

在平沟煤矿10#煤层测定瓦斯压力过程中,在中组煤轨道下山的两个不同地点各设两个测点,分别测定煤层底板标高1027.31m和995.44m处的煤层瓦斯压力,测定结果见表1,由测定结果可以看出,Y L10-1和Y L10-4测定钻孔的瓦斯压力测定值小于同标高点,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,如图4所示。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0.1255MPa/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,这主要是由于受本矿现有条件的限制。

图4 10#煤瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律

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。

(3)16#煤层瓦斯压力梯度

在平沟煤矿16#煤层测定瓦斯压力过程中,在加力泵联络巷、1401轨道下山下60m、1401轨道下山下344m和1401皮带巷距停采线180m的四个不同地点各设两个测点,分别测定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,Y L16-1和Y L16-2测定钻孔的瓦斯压力仅为0.1MPa和0.12MPa。有关研究表明,当瓦斯压力低于0.15MPa时,煤层处于瓦斯风化带内,故可以认为Y L16-1和Y L16-2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:

图5 16#煤瓦斯压力随煤层底板标高的变化规律

式中符号意义同前。

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3.162MPa/100m。

5 瓦斯压力测定结果分析

平沟煤矿采用剔头下山开采,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,Y L9-1及Y L9-4钻孔的瓦斯压力值远小于同标高测点,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4.35m,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Y L10-1及Y L10-4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10.75m,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。Y L16-1和Y L16-2测值较小,是由于这两个测点处于风化带内。

[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.

Application of Method for Measurement of CBM Pressure by Sealing Grouting Borehole in Pinggou Coal Mine

Zhang Jinshan,Wang Zhengwei,Zhou Lianchun,Wang Ruizhi,Sun Baolei
(Mining Engineering College,Inner Mongolia University of Science and T echnology,Inner Mongolia 014010)

张金山,男,教授,主要从事采矿工程的教学及研究工作。完成科研项目16项,发表论文40余篇,专著2部。

(责任编辑 刘 馨)