上向长距离穿层钻孔薄煤层群联合测压技术应用分析

李 磊

(陕西秦安煤矿安全评价事务有限公司，陕西 西安 710001)

0 引言

瓦斯防治是煤矿安全最重要的工作之一，煤层瓦斯压力是煤矿瓦斯防治工作中的重要基础参数，其与煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出量的大小有关，不仅是矿井通风、安全设计的重要参数，而且是煤与瓦斯突出危险性预测和防突措施效果评价的主要指标之一。因此，准确测定煤层瓦斯压力对矿井是十分重要的[1]。

目前国内外测定煤层瓦斯压力的方法主要有直接法和间接法2种[2-5]，直接法是指在煤矿井下通过测定钻孔及相应测定方法直接测量煤层瓦斯压力的过程，又可以分为主动测压法和被动测压法。文中采用穿层钻孔被动测压法，即从巷道穿过岩层向邻近煤层施工直径为50～75 mm的钻孔，孔中安放测压管，在岩石段将孔密封后，用压力表或自动测压仪直接测定煤层瓦斯压力[6]。由于岩石一般都比较完整致密，所以封孔效果较好。在内蒙古乌海矿区出现了瓦斯含量偏低但是瓦斯压力偏高的异常情况，所以对神隆煤矿进行瓦斯压力的准确测定有重大意义，进而对矿井的瓦斯等级鉴定提供依据。

1 矿井概况

神隆煤矿采用的是斜井单水平开拓方式，水平标高为+1 000 m。全井田划为一个采区，井田采用由上而下的开采顺序。由于9#、10#煤层距离比较近，所以作为一个煤组联合布置。采用单一走向长壁综合机械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。

由于神隆煤矿9#煤层和10#煤层平均间距仅为1.27 m，局部0.5 m甚至合层，单独测压难度大，因此采用单独测压和联合测压相结合的方法。先测定10#煤层压力(不穿透煤层)，然后再测定9#、10#煤层联合压力。

2 现场瓦斯压力测定

2.1 封孔材料的选取

有角度的钻孔一般采用水泥砂浆封孔。下向钻孔孔底可以采用棉纱或者海带等[7]，上向穿层钻孔开口部分一般采用聚氨酯封孔，以承受上部水泥砂浆的重力，也有采用水—套管带压注浆封孔新技术[8]。本次孔口采用1 m长度聚氨酯封孔，上部用水泥砂浆封孔。

2.2 测定方法及步骤

选择测定地点：选择煤层没有暴露、无地质构造且隔离岩柱垂直厚度超过5 m的岩巷，施工直径φ75 mm以上的穿层钻孔穿透煤层全厚。

安设测压管：成孔后，在孔内安设测压管，用水泥砂浆对钻孔进行封孔(封孔长度6 m以上)，如图1所示。

封孔测压：封孔材料经24 h凝固后，在封孔管孔口安设截止阀和压力表开始测压；要求测压的头3天，每天记录一次压力表的读数，以后每隔2～3天记录一次压力表的读数，当压力表的压力指示值连续3天没有变化时，压力指示值加上当地大气压力即为煤层原始瓦斯压力。

图1 测压钻孔结构及封孔方式示意图(上向孔)

2.3 测定地点的选择

瓦斯压力测定时，在下组煤车场10 m、15 m处布置一组测压钻孔，在下组煤车场150 m、155 m处布置一组测压钻孔，钻孔编号为1号孔和3号孔来测10#煤层瓦斯压力，钻孔编号为2号孔和4号孔来测9#+10#煤层的联合瓦斯压力，测点布置如图2、图3所示。

图2 神隆煤矿9#、10#煤层测压钻孔位置平面图

图3 神隆煤矿9#、10#煤层测压钻孔剖面图

2.4 测定结果

测压方法采用水泥砂浆封孔自然恢复法，由于钻孔长度较长，增加钻孔的封孔长度来提高瓦斯压力测定的准确性[9]。测试过程中，1号测压孔封孔质量问题，漏气严重，显示压力为0；其它2、3、4#测压孔正常，各钻孔布置参数及瓦斯压力测定结果见表1。

从表1可以看出，10#煤层的单独压力为1.8 MPa；2号测压孔9#、10#煤层的联合压力为0.9 MPa，4号测压孔9#、10#煤层的联合压力为2.2 MPa。

3 瓦斯压力的影响分析

3.1 瓦斯压力对瓦斯含量的影响

间接方法测定煤层瓦斯含量，包括计算煤层游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量2步，具体方法是在井下钻孔实测煤层瓦斯压力，并在实验室测定煤样的孔隙率、吸附等温线和煤的工业分析结果，考虑煤中水分、温度、可燃物百分比及瓦斯组分等影响因数，按郎缪尔方程计算

(1)

游离瓦斯含量根据气体状态方程求得

(2)

式中：Xy—煤的游离瓦斯含量，m3/ t；V—单位质量煤的空隙容积，m3/t；P—瓦斯压力，MPa；T0，P0—标准状况下的绝对温度(273 K)与压力(0.101 325 MPa)；T—瓦斯绝对温度，T=273+t；t—瓦斯的摄氏温度，℃；ξ-瓦斯压缩系数。

煤中瓦斯含量是式(1)和式(2)结果之和。

X=Xx+Yy

(3)

根据上式(实测的煤层瓦斯压力和煤的吸附等温线)计算得该矿井瓦斯含量一般在8 m3/t以上，但是顺层和穿层钻孔测得的瓦斯含量均不超过4.5 m3/t，严重低于间接计算出来的瓦斯含量。在实测的瓦斯含量各组分浓度分析中，CH4浓度为70%左右，N2浓度为10%左右，CO2浓度很低，剩余10%～20%的气体为未知气体。在煤层瓦斯中，包括烃类气体和非烃类气体，烃类气体主要是CH4，也含有一定的没有裂解的重烃类气体；非烃类气体为少量的CO2、N2、H2S等。因此煤层瓦斯中含有10%～20%的未知气体为重烃气体。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，开采突出煤层时，瓦斯含量必须低于8 m3/t，并且根据井下瓦斯传感器经常报警的情况，由分析可知，是因为煤层中除了含有CH4之外，还含有其他烃类气体，造成瓦斯含量超限。重烃气体爆炸极限(上限和下限)更大，所以矿井在瓦斯防治的过程中，必须注意其他烃类气体的影响。

3.2 瓦斯压力对煤与瓦斯突出危险性分析

采用煤层突出危险性指标进行突出煤层鉴定的，应当将实际测定的煤层瓦斯压力、煤的坚固性系数、煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度作为鉴定依据。全部指标均处于表2所示临界值范围的，确定为突出煤层。

表2 判定煤层突出危险性单项指标的临界值及范围

《瓦斯等级鉴定暂行办法》规定：当f≤0.3、p≥0.74 MPa，或0.3

4 结论

(1)神隆煤矿10#煤层的单独瓦斯压力为1.8 MPa，9#、10#煤层的联合瓦斯压力为2.2 MPa，由于9#、10#煤层联合开采，联合瓦斯压力可以用于开采时的瓦斯压力应用工程实践。

(2)神隆煤矿瓦斯含量中含有重烃气体，危险度较大，必须引起高度重视。

(3)在神隆煤矿进行煤层突出危险性鉴定以前，建议矿井按突出矿井管理。