地质构造复杂矿井煤层瓦斯压力测定的影响因素

2016-12-01赵文清但章玉潘孝康

西部资源 2016年5期

赵文清　但章玉　潘孝康

摘要：阐述了测量矿井瓦斯压力的意义，同时对瓦斯压力的测试方法及主要原理进行了简介。针对一些矿井具有较为复杂的地质构造，结合矿井的现场数据，通过对比分析影响矿井瓦斯压力测量结果的主要因素，得到了以下结论：（1）针对矿井的地质构造特征，合理选择测压地点，充分考虑煤层赋存特性对测量结果的影响；（2）精确设计施工钻孔、优化钻孔参数、恰当选择封孔深度和封孔时间；（3）合理整合和改进现有测压方法，分阶段、分区域合理选择测压方法。

关键词：测压方法；瓦斯压力；地质构造；钻孔

煤层中的瓦斯压力是矿井安全生产时必须获取的基础参数，也是研究矿井瓦斯灾害、瓦斯解吸和涌出规律以及评价煤层瓦斯含量和瓦斯抽放等的基本瓦斯参数。测量煤层瓦斯压力的方法有很多，但是由于不同的矿井的地质条件差异性较大，需要选择合适的测量方法。因而，如何在短时间内精确、有效地获取煤层原始瓦斯压力，一直是国内外相关领域的主要研究课题，其对于矿山安全管理与高效生产等方面都具有重大的指导意义和现实意义[1～2]。

1. 测压方法

一般情况下，矿山对煤层瓦斯压力测量的方法主要为直接测定法，有时也采用间接测定法。在岩巷或者煤巷向测量煤层打钻孔，采用封孔材料和压力表等来检测煤层瓦斯压力的方法称为直接测定法；间接测定法则是以煤层瓦斯运移赋存特征、煤层透气性系数、煤层瓦斯含量系数曲线等为基础，在检测区域附近收集煤层瓦斯涌出量或统计采掘过程中瓦斯涌出量等参数，通过计算推测出瓦斯压力。目前，国内外主要采用直接测定法获取煤层瓦斯压力参数[1]。

直接测定法的主要原理是通过打钻，将钻孔布置在煤层深部，在孔内放置一根管道与外部连通，在管道口接上气体压力表，封闭钻孔，防止气体外泄。在打钻过程中。钻孔附近的瓦斯放散到巷道中，孔内的压力与巷道气压相同，钻孔附近的煤层中由于含有较高浓度的瓦斯，会逐渐向孔内渗流，钻孔内瓦斯压力逐渐增大。由于钻孔所处煤层体积远大于钻孔自身的空间体积，经过一段时间的瓦斯渗流作用，钻孔内的瓦斯压力逐渐接近煤层的原始瓦斯压力。从连接的压力表上可以读出孔内气体的压力值，当压力值在一段时间内没有变化时，此时的数值便是煤层的瓦斯压力值[6]。

2. 影响测压结果因素

对井下煤层瓦斯压力进行直接测量是一项复杂的系统工程，在现场测量煤层的瓦斯压力时，测压地点的选择、施工工艺以及测量读数等每个工序都很复杂，只有做好每一个工序，才有可能获得有效的煤层瓦斯压力[7]。尤其是断层多、煤层顶底板较为破碎松软等地质构造复杂的矿井，进行煤层瓦斯压力的测量就变得更为复杂，对测量结果的造成明显影响的因素就更多了。

2.1 测压地点的选择

在煤层瓦斯瓦力的测量过程中，测量地点的选择尤为重要。需要考虑以下两个因素：①测压钻孔见煤点与周围巷道之间的相对位置关系[8]。由于巷帮由外到里存在巷道宽3倍～5倍的裂隙区[9]，因为在对测压钻孔进行布置时，必须将钻孔的见煤点布置在裂隙区以外，使其不受围岩裂隙的影响；②钻孔的开孔地点、见煤点等不应暴露在煤层卸压范围内。煤层的卸压范围由具体实际煤层的赋存特征、煤面暴露时间和面积大小等因素共同决定[9～10]。

2.2 煤层赋存条件

不同矿井的地质构造差异较大，在构造运动的作用下，部分煤层的产状与整体差异性较大，导致钻孔布置位置与设计要求不符，达不到预计地点或深度，影响测量结果。另一方面，矿井中的断层或破碎带等地质构造对瓦斯压力的测量也有较大影响，由于施工需求，必须在断层、裂隙带或破碎带等区域进行瓦斯压力测量时，应该先对钻孔周围50m范围内的围岩进行水泥浆或其他封堵材料封堵，减少裂隙的影响，这样才能有效测量瓦斯压力[6]。

2.2.1 煤层埋藏深度

随着煤层埋藏深度的增加，巷道地应力逐渐增大，煤层和围岩在应力的作用下，裂隙闭合程度增大，导致煤岩透气性降低，瓦斯不易运移渗出，煤层中瓦斯的封存率较高。因此，掌握瓦斯压力随埋深的变化规律有益于了解煤层赋存情况[5]。

2.2.2 煤层顶底板岩性

煤层的顶底板岩层的岩性对测压结果有较大的影响，岩性致密，将会对煤层中的瓦斯起到较好的密封作用，降低瓦斯的渗出，利于测压工作的开展，同时缩短测量时间。

2.2.3 钻孔周边岩石裂隙

如果钻孔周围岩层含有较多裂隙、较大的裂隙时，可能会影响测压结果，尤其是在封孔效果不好时尤为显著。所以布孔时不要选择地质构造裂隙带[5]。

2.2.4 水文地质条件

矿井含煤岩系及围岩中一般都含有地下水，其运移和赋存特征与煤岩的孔隙、裂隙通道息息相关。地下水丰富的区域，由于水的作用，煤层的中瓦斯渗出量较大。这样可以促进瓦斯的排放，进而降低了煤层瓦斯含量和瓦斯压力[5]。通常情况下，处于承压状态的含水层都具有一定的压力，如果测压孔穿过了有压的含水层，水压与瓦斯压力叠加会导致测量结果偏大[11～13]。

2.3 钻孔参数

钻孔参数主要包括倾角、方位、孔深、孔径等。首先，合理设计钻孔参数，现场控制时，尽量使测压钻孔不受采动应力的影响。然后，做到合理控制参数，从而减少测压工作量，降低成本，促使测压工作更便捷，结果更准确[8]。

2.4 封孔工艺[14]

目前，根据采用的封孔材料不同，测压方法一般可分为黄泥（黏土）法，水泥砂浆封孔法，胶圈封孔器法，胶圈——压力黏液封孔法，胶囊——压力黏液封孔法等。按测压封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法2类。

2.5 封孔深度

钻孔测压中钻孔密封位置所达到的深度就是封孔深度。由于煤岩层中裂隙松散区域的存在，针对瓦斯抽采封孔和测压封孔两种对瓦斯密封有较高要求的技术，每次封孔深度都必须穿过这些区域达到煤岩的致密区，从而保证钻孔不受采动应力的影响。测压钻孔对封孔深度要求十分严苛，没有超过裂隙松散区的封孔深度，可能使孔内的瓦斯通过松动裂隙区流出，导致测量的瓦斯压力偏低[8]。因而，钻孔测压时一定要确保封孔深度足够。如果钻孔经过岩巷，钻孔深度一般情况下都应大于10m。

2.6 封孔时间

测压钻孔施工完后应24h内完成钻孔的封孔工作，在完成封孔工作24h后进行测定工作[15]。对于钻孔流量衰减系数较大的煤层，封孔要及时。

在古叙矿区观文煤矿12406运输顺槽测定19号煤层瓦斯，布置两个钻孔，相距50m。5#钻孔在钻孔施工完后8h内完成封孔；6#钻孔在钻孔施工完后16h内完成封孔。在同样的封孔条件下，测得的两孔瓦斯压力参数见表1。

3. 结论

（1）测定煤层瓦斯压力时，测压钻孔的布置位置应远离采动影响的范围，熟悉测压钻孔附近的煤岩地质特征，避免诸如断层、褶皱、邻近煤层、水等其他因素的影响，防止瓦斯压力测量结果不准确甚至测压失败。

（2）对于钻孔流量衰减系数较大的煤层，封孔要及时。在施工条件允许时，应尽量做到钻孔施工完后立即封孔以确保测量瓦斯压力结果的准确性。

（3）合理整合和改进现有测压方法，根据实际情况，分阶段、分区域合理选择测压方法、布孔位置以及封孔方法等，促使钻孔测压的成功率大大提高，达到准确测量煤层瓦斯压力的目的。

参考文献：

[1] 曲荣飞，兰泽全.间接法测算煤层瓦斯压力现状[J].煤矿安全，2009，（08）：86-89.

[2] 贺建民，王宏图，鲜学福，等.煤层温度和应力梯度变化对煤层瓦斯压力计算的影响[J].重庆大学学报，1999，22（05）：95-98.

[3] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用手册[M].修订版.北京：煤炭工业出版社，2005：32-35.

[4] 刘辉辉，蒋成林，吴爱军，等.基于煤体瓦斯含量对测定煤层瓦斯压力准确性分析[J].煤矿开采，2011，16（1）：20-43.