一种主动式测压方法介绍及应用

刘雪莉，戴广龙，游继军

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

煤层瓦斯压力是预测煤层是否具有突出危险性的一个重要指标[1]，传统的煤层瓦斯压力测定方法都是从岩巷向煤层打钻孔，用黄泥、砂浆等固体物来密封钻孔，然后测定煤层瓦斯压力，但这种测压方法存在操作繁琐且钻孔密封性不能得到保证等问题，可能导致测得的瓦斯压力低于煤层真实的瓦斯压力[2]，针对传统的煤层瓦斯压力测定技术存在的不足，本文提出了一种主动式测压方法，介绍了该测压方法的测定原理、测压设备以及其测压优点，最后将这种新的测压方法在煤矿现场进行应用，取得了很好的效果。

1 瓦斯压力测定原理及测压设备

煤层瓦斯压力测定的原理是向煤层打一钻孔，深入煤层内，通过钻孔在煤孔内布置一根瓦斯管与外界沟通，连上瓦斯压力表，封闭钻孔与外界的联系[3]。此时，由于煤孔内的瓦斯已经向外放散，压力较低，煤孔周围的煤层中瓦斯向煤孔内运移，压力逐渐增高。由于煤孔周围的煤体体积远大于煤孔的空间体积，煤层内的吸附瓦斯量又比游离瓦斯量大得多，故经过一段时间的瓦斯渗流，煤孔内的瓦斯压力逐渐接近煤层的原始瓦斯压力，从外部的压力表上可以读出煤孔内的瓦斯压力值。

我们采用的是 M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪测定瓦斯压力，M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪的结构示意图见图1。

2 瓦斯压力测定步骤

1) 制定瓦斯压力测定方案。根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》的要求，测压地点应按照不同的地质单元分别进行布置，每个地质单元内在煤层走向和倾向方向分别布置3个以上测点。为准确测定煤层瓦斯压力，使测出的压力值能够代表煤层的原始瓦斯压力，在该地质单元内，对所有可能进行测压的地点进行了筛选，要求测压地点应选在不受断层影响和裂隙小的地区[4-5]。

图1 M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪结构示意图

2) 施工测压钻孔。在选定的测压地点施工测压钻孔，钻孔直径为75mm左右，施工过程中要确保钻孔尽量平滑不弯曲。

3) 封孔。钻孔完工后，清除孔底的钻屑，然后立即将封孔器送入钻孔。将测压仪放入钻孔预定位置后， 利用手动加压泵1将乳化液压力加至3.0MPa左右，用手动泵2将乳化液压入钻孔封孔段，并使乳化液压力高于气体压力0.3～0.5MPa；在测试中，应使乳化液压力高于预计气体压力1.5MPa，然后用充气瓶通过气体管向测压气室内充入氮气，充气压力应略高于煤层预测的原始瓦斯压力。

4) 观察并记录压力表读数。当气瓶向测压气室注完氮气后立即关闭气瓶阀门，此时的压力表读数应该最大，随后读数会逐渐下降，当读数降到某个值不再变化时此时的读数即为该煤层的真实瓦斯压力。

3 主动式测压方法的优点

1) 操作简单方便，密封性好，并且能检测出钻孔密封性的好坏。传统的煤层瓦斯压力测定方法其操作繁琐，所用的封孔材料如黄泥、聚氨酯、水泥砂浆等必须提前将配比调好，并且封孔后测压钻孔的密封性不能检测；而该主动式测压方法其采用的封孔原理是固体封液体，液体封气体，该测压方法除了利用两个胶囊封孔外，在两个胶囊之间冲入一定压力的黏液，黏液的压力略高于瓦斯压力，黏液在压力作用下渗入钻孔周边裂隙，阻止了瓦斯的泄露，并且钻孔的气密性可以从充气后的压力表上看出来，一旦钻孔的密封性不好，压力表的读数则会瞬间从最大值变为零，通过观察压力表的读数变化可以直接检测出钻孔的密封性好坏。

2) 测压时间短，瓦斯压力稳定快。传统的煤层瓦斯压力测定方法其测压时间需20d左右，而该主动式测压方法只需10d左右，甚至更短，充气后1h内压力表稳定的读数即为煤层的真实瓦斯压力。传统的被动式测压方法其在打钻过程中煤层中的瓦斯就顺着钻孔向外流动，并且打钻时间越长，瓦斯的损失量就越多，封孔后由于瓦斯渗透扩散作用，煤层瓦斯从压力高的地方流向钻孔的气室内以弥补打钻及封孔过程中的瓦斯损失量，只有当气室内的瓦斯压力接近煤层的瓦斯压力的时候，压力表才会显示读数。而该主动式测压方法在钻孔密封后向测压气室内注入略高于煤层预测原始瓦斯压力的气体不仅可以弥补打钻过程中的瓦斯损失量，而且气室内的高压力气体在高压作用下迅速向低瓦斯压力地方流动，这样煤层瓦斯压力会在很短时间内重新达到平衡，压力表读数就会稳定，这个过程经现场测试仅需要1h左右，之后只需每天观测一下压力表的读数，整个测压过程完成也就5～10d。

3) 瓦斯压力测定结果更准确。由于传统的被动式测压方法其测压气室内瓦斯压力的平衡全部依靠煤层瓦斯的渗透扩散作用，而瓦斯的渗透扩散作用受瓦斯压力的影响很大，瓦斯压力越高其渗透扩散越快，一旦煤层的原始瓦斯压力不是很大，再加上巷道或者采空区等泄压带的影响，其煤层瓦斯压力就会更小，这样瓦斯的渗透扩散作用会很弱，导致测压气室内瓦斯压力很小甚至没有，从而压力表也就显示很小甚至无读数。而主动式测压就可以解决这一问题，因为起始气室内的气体压力就高于该煤层其他地方的瓦斯压力，所以气室内的气体只会向低瓦斯压力的地方流动，平衡一旦建立，压力表的读数就将稳定下来，该读数即为煤层的瓦斯压力。

4 现场应用

位于贵州省大方县星宿乡的瑞丰煤矿，其区域位于新场东翼北端，矿区为单斜构造，地层呈单斜产出，倾向210°～249°,倾角9°～16°，平均15°左右。区内含煤岩系为上二叠统龙潭组，含煤15～26层。含煤岩系总厚112～151m,平均厚128m,含煤总厚6.35m，含煤率4.96%,含可采煤层3层即M18、M51、M73煤层，平均总厚4.45m，煤质均为中-低硫无烟煤，本次进行进行测压的煤层为M73煤层。

由于瑞丰煤矿井田范围很小，井田内无断层构造的存在，可以按照一个地质单元考虑。根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》的要求，本次测压地点选在回风下山钻场、回风下山、轨道下山、输送带下山钻场以及输送带下山五处，每处测压点布置两个测压钻孔，共计十个测压钻孔，其中M73-1、M73-3、M73-5、M73-7、M73-9钻孔采用传统的被动式测压方法，M73-2、M73-4、M73-6、M73-8、M73-10钻孔采用主动式测压方法，各测压钻孔瓦斯压力值如表1所示。根据矿方提供的资料及对M73煤层瓦斯含量的测定，初步预测M73煤层原始瓦斯压力为0.5MPa，在使用主动式测压方法的五个测压钻孔中冲入0.6MPa的氮气，待测压过程结束后将各钻孔瓦斯压力随时间的变化关系绘制成曲线，曲线图见图2、3所示。

表1 各测压钻孔瓦斯压力数据记录

图2 M73-1、M73-3、M73-5、M73-7、M73-9钻孔瓦斯压力上升曲线图

从表1可以看出:同一测压地点用两种不同的测压方法其测压结果也不同，并且可以看出使用主动式测压方法其测压结果更接近煤层原始瓦斯压力；从图2可以看出使用传统的被动式测压方法其瓦斯压力稳定要10d左右，之后还要继续观察，整个测压过程结束需20d左右；而通过对图3分析可以看出使用主动式测压方法其瓦斯压力稳定只需50min左右，之后只需观察5～10d即可，由此可见采用该主动式测压方法可以最大限度的缩短测压时间，极大的提高了工作效率。

图3 M73-2、M73-4、M73-6、M73-8、M73-10钻孔瓦斯压力下降曲线图

5 结论

通过现场应用可以看出使用该主动式测压方法测出的煤层瓦斯压力更接近煤层原始瓦斯压力，这为煤矿现场合理制定瓦斯灾害防治方案提供可靠依据，同时该主动式测压方法能够快速的测出煤层瓦斯压力。当煤矿需要通过制定瓦斯治理方案来保证生产时，主动测压方法能够节约大量时间，提高工作效率，因此在煤矿生产过程中这种测压方法具有极大的推广价值。

[1] 俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[2] 张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2001.

[3] 于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]．北京：煤炭工业出版社，2005．

[4] 国家煤矿安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程[G]．北京：煤炭工业出版社，2005.

[5] 中华人民共和国煤炭工业部．防治煤与瓦斯突出规定[G]．北京：煤炭工业出版社，2009．