涌水条件下的上向穿层钻孔瓦斯测压修正方法

张蒙蒙，周 洋，舒龙勇，李宏艳，刘 学，崔 聪

(1.宿州煤电(集团)有限公司界沟煤矿，安徽 淮北 235100；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

0 引言

煤层瓦斯压力是指在煤层孔隙、裂隙中存在的一种以甲烷为主的气体，做自由热运动时对煤壁产生的应力，其中煤层未受到采动，瓦斯抽采和卸压等因素影响的煤层原始瓦斯压力是瓦斯灾害防治中的一项重要指标[1]。同时，煤层瓦斯压力也是预测煤与瓦斯突出危险性的依据，是煤矿采取安全防治措施的前提，是保证矿井安全生产的基础，因此准确地测出煤层瓦斯压力尤为重要[2]。目前，煤矿测煤层瓦斯压力多采用技术较成熟的钻孔测压方法，该方法是在岩巷或煤巷中向煤层打钻孔，然后进行注浆封孔测压或利用胶囊封孔器封孔测压[3]。但由于受复杂的瓦斯赋存和地质构造等多种因素影响，测压成功率仍然较低，上向孔的测压成功率要高于下向孔，所以在条件允许的情况下应优先选用上向孔测压[4]。在上向孔测压过程中，由于煤层围岩中有时会富含水分或附近顶板有含水层时，往往通过岩石裂隙水会涌进测压钻孔气室中，导致影响测压准确性，在涌水较大时通常认为该钻孔测压失败。因此，在现有封孔测压技术的基础上，通过分析上向孔含水测压时孔内水压对压力读数的影响，从而获得真实的煤层瓦斯压力，这具有重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 矿井概况

安徽界沟煤矿矿区东南以界沟断层为界，与许疃煤矿接壤，西至李家断层与五沟煤矿相邻，南北两翼均以10号煤层露头为界，全井田东西长约5.89 km，南北宽4.78 km，面积为13.643 8 km2，核定生产规模1.40 Mt/a，准采标高范围-275～-600 m。全井田总共划分4个大采区：中央采区、东一采区、西一采区、西二采区。其中，西一采区服务年限为10 a，为新开拓采区，西一采区位于矿井中西部，采区范围东至F6、F7断层，与中央采区相邻，西至F10断层，与西二采区相邻；南北两侧均以8-2煤层隐伏露头线为界；南北长约3.00 km，东西宽约0.95 km，面积2.6 km2。目前正在进行西一采区位于二叠系下石盒子组内7-1煤层的7132工作面巷道掘进工作，二叠系下石盒子组砂岩裂隙承压含水层为其主要充水水源，本区涌水量约为142 m3/h。

1.2 测压面临的问题

7132工作面是西一采区的第2个备采工作面，工作面内主要有SF26、SF28、SF29和F8 4个正断层，巷道掘进期间，迎头瓦斯均较小，最大瓦斯浓度为0.18%，当日风排瓦斯涌出量为0.81 m3/min，实测原始瓦斯含量在1.82～3.39 m3/t。为保证煤矿的安全生产，并为瓦斯综合治理工作提供科学依据，需对7132工作面进行煤层原始瓦斯压力参数测定，瓦斯压力测试应首选上向穿层钻孔测压，所以在工作面煤层原始区域底板的岩层支巷中进行了穿层测压工作。但在测压过程中，由于该矿地质情况复杂特殊，7-1煤层厚度较薄，平均约为2.64 m，且煤层中一般不含水，而在煤层顶板有砂岩裂隙含水层，顶板岩性又以泥岩、砂岩为主，岩溶裂隙较发育，顶板裂隙中含水丰富，所以在测压时顶板中的裂隙水便会渗进测压气室，绝大多数的测压钻孔就会出现涌水现象，导致测压失败。所以为了探究上向穿层钻孔测压过程中水压对表压的影响大小，解决上向穿层钻孔在涌水条件下测压困难的问题，结合矿上现场条件开展了本次试验研究。

2 上向穿层钻孔含水测压理论分析

2.1 上向穿层钻孔周围煤体水压力

煤体是一种含有大量孔隙、裂缝和毛细管的多孔介质，水和瓦斯等流体借助相互贯通的孔隙、裂缝在煤体中进行流动，运移。由于不同流体具有不同的性质，通常瓦斯在煤体裂隙中的运移速度相对缓慢，而在测定煤层瓦斯压力时涌进测压气室的水一般来自围岩的裂隙水，裂隙水一般有水压较大的特征，受较大压力影响，水在孔隙、裂隙中的导通性增强，即煤层透水性也进一步增强，所以水在煤体裂隙中相对瓦斯流动更快，水压会先于瓦斯压力显现出来。由达西定律可知，上向穿层钻孔周围煤体的裂隙水处于低雷诺数区，属于线性层流，根据达西定律得出流体流速与压力梯度的关系为[5]

(1)

对式(1)进行积分得

(2)

式中，p为钻孔周围水压力，MPa；R为钻孔周围水压有效影响半径，m。由式(2)可知，钻孔周围水压大小与水的流速呈线性关系。

2.2 上向穿层钻孔周围煤体瓦斯压力

煤层中的瓦斯在煤体中的运移方式主要分为层流和扩散，层流运动主要位于煤体裂隙中，扩散运动主要发生在煤体孔隙结构的微孔中[3]。由于煤体孔隙结构中的扩散运动相对于整体的瓦斯流动影响过于微小，可以忽略不计，所以瓦斯在煤体中的流动可以只考虑层流运动的影响，层流运动特性符合达西定律[5]。

把煤体看做一种均匀介质，则煤层中钻孔周围的瓦斯压力根据瓦斯在径向作稳定流动时的径向流动公式[6]计算可得

(3)

式中，pw为煤层钻孔周围瓦斯压力，MPa；p1为钻孔瓦斯压力，MPa；p0为煤层原始瓦斯压力，MPa；rw为钻孔周围瓦斯压力有效影响半径，m；r1为钻孔半径，m；r0为煤层中瓦斯流动场的影响半径，m。

由于测压初期，钻孔瓦斯压力约等于测压巷道内的大气压力，相对于煤层原始瓦斯压力较为微小，则忽略钻孔瓦斯压力p1的影响后式(3)可以简化为双曲线方程

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(4)

2.3 煤层瓦斯渗流到测压气室过程分析

在测定煤层瓦斯压力时，瓦斯由煤层中高压区域运移到测压气室有一个缓慢的过程，测压气室瓦斯压力逐渐升高，最终与煤层原始瓦斯压力相一致，所以认为测压气室测得最终的稳定瓦斯压力代表了煤层原始的瓦斯压力[7-9]。

假设测压气室中的瓦斯为理想气体，假设煤体中的温度保持不变，恒定为T，则煤层瓦斯渗流到测压气室的过程为

(5)

式中，Q为在煤层原始瓦斯压力p0条件下，1 s内到达测压气室的瓦斯量，m3；l为测压气室长度，m。

测压气室中的瓦斯压力为

(6)

式中，p2为标准大气压力，MPa；R1为摩尔气体常数，8.314 472 J/(mol·K)；T为测压气室温度，℃；t为时间，s；M为甲烷的分子量。

联立式(5)和式(6)可以得到测压气室内瓦斯压力p1与时间t的关系为

(7)

当钻孔周围有裂隙水涌入测压气室时，涌入测压气室内水的体积V0与时间t的关系式为

(8)

式中，V0为涌入测压气室内水的体积，m3；Q1为围岩裂隙水涌入测压气室的流量，m3/s。

3 上向钻孔煤层瓦斯压力测定

界沟煤矿西一采区7-1煤层为非突出煤层，煤层倾角为5°～15°，煤层平均厚度2.64 m，7132工作面埋深360～424 m。7-1煤层顶底板岩性以泥岩、砂岩为主，少量为粉砂岩，顶底板有含水层，且顶底板裂隙较发育，存在细小的导水通道，所以煤层顶底板大部分区域都含水。在掘进过程中迎头瓦斯整体较小，瓦斯浓度不超过0.25%，同时也发现煤层顶板有淋水现象，但煤层中却不含水，且煤质较软，所以煤层与顶板间存在一层较薄的隔水层。在进行上向钻孔测压时，钻孔中绝大部分都含水，其中有的存在涌水现象，为了弄清顶板水压对测压的影响，于是在7132工作面位于机巷下方岩层中的3号测压巷道、运输集中巷和位于运输集中巷下方的4号测压巷道中进行了试验研究。

3.1 测压钻孔布置

按照煤层瓦斯压力测定相关规范AQ 1047—2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》中的规定和要求进行测压钻孔的布置。

根据7132工作面生产采掘进度结合现场实际施工条件，首先在位于原始区域煤层下方的3号测压巷道和4号测压巷道中布置上向穿层测压钻孔进行测压，然后等到工作面运输集中巷掘进到4号测压巷道上方煤层时再将测压钻孔布置在运输集中巷中进行测压，最后选取有效的测压钻孔进行对比分析。测压钻孔布置具体位置如图1所示。

图1 测压钻孔布置

3.2 两堵一注封孔工艺

本次测压钻孔封孔采用的是囊袋式两堵一注封孔工艺。在测压钻孔成孔后，将连接好的带有囊袋、注浆管和返浆管的φ15 mm镀锌测压管放入钻孔内，保证第1个囊袋位于煤岩交界处，其中第1节测压管为带有筛眼的镀锌管，并且筛眼用细铁丝网包裹，防止煤屑进入堵塞测压管，放好后孔口用绑丝等固定住测压管防止脱落。然后采用注浆泵通过注浆管对封孔段进行注浆，注浆材料为水泥浆，为了使封孔更加严密，提高封孔效果，往水泥浆中加入了一定量的速凝剂和膨胀剂，待注浆完毕后，用水泥浆等封堵固定好孔口。最后经过24 h水泥浆凝固后在安装阀门和压力表[10]。界沟煤矿上向穿层钻孔含水测压封孔示意如图2所示。

图2 上向穿层钻孔含水测压封孔示意

由于巷道的形成会对巷道一定范围内的围岩产生卸压扰动影响，如果封孔深度过短且处于巷道的影响范围内，所测的压力就会受到围岩裂隙的扰动影响，从而不能反映出真实的煤层原始瓦斯压力。因此，测压封孔的深度应超过测压巷道的影响范围，所以两堵一注注浆封孔法的钻孔封孔深度关系应满足式(9)[11]

L封≥L1+Dcot|θ|

(9)

式中，L封为钻孔封孔深度，m；L1为钻孔所需最小封孔深度，m；L1应处于测压巷道的卸压圈外且L1≥12，根据调研矿井相关资料L1取15 m；D为钻孔的直径，m；θ为钻孔的倾角，(°)；且5°≤|θ|≤90°。

3.3 煤层瓦斯压力测定钻孔参数

通过在3号测压巷道和4号测压巷道施工上向穿层钻孔进行测定煤层瓦斯压力，在运输集中巷中施工上向穿层钻孔和顺层钻孔分别测定顶板水压力和煤层瓦斯压力。测压钻孔从开孔到终孔钻孔直径为φ94 mm，封孔深度均超过巷道卸压影响范围，避免了巷道卸压的扰动影响，穿层钻孔应尽量垂直于煤层，顺层钻孔则应选在煤层较厚的地方顺着煤层走向或倾向施工，测压钻孔倾角为钻孔与水平面间夹角，煤层瓦斯压力测定钻孔参数见表1。

表1 煤层瓦斯压力测定钻孔参数

3.4 涌水条件下的上向穿层钻孔瓦斯压力测定结果及修正方法

在瓦斯压力读数结束后进行拆表，为了确定孔内测压气室气体否受其他气体影响，对孔内气体取样进行了气体成分分析。根据表2中气样分析结果显示孔内气体主要成分为瓦斯，排除了其他气体对表压的影响，所以含水钻孔压力主要受瓦斯和水的影响。同时测量下含水钻孔流出水的体积，结合顶板纯水压钻孔测试结果，对钻孔内水对表压的影响进行修正。

对表2中2#和3#钻孔，6#和8#钻孔表压进行分析，当钻孔内水没有完全充满测压气室时，水对表压的影响符合伯努利定律，所以当孔内水放完后没有涌水现象且计算水的体积没有完全充满测压气室时，可根据下面公式对表压进行修正。

(10)

式中，P0为煤层原始瓦斯压力，MPa；P表为压力表表压，MPa；V0为涌入测压气室内水的体积，m3；d为测压管的直径，m；D为钻孔直径，m；l为测压气室长度，m；l1为测压管的长度，m；θ为钻孔的倾角，(°)。

(11)

对表2中1#、2#和4#钻孔，5#、6#和7#钻孔表压进行分析，当钻孔内水完全充满测压气室，并且水一直流有涌水现象时，此时由于无法确定水头高度以及水承受压力大小，所以就不能根据伯努利方程只简单的考虑水的自重影响来进行计算。由本次测压结果分析可知，有涌水现象的含水钻孔表压为煤层瓦斯压力与煤层顶板水压力之和，利用本公式修正后的瓦斯压力与实测煤层瓦斯压力的绝对误差小于0.03 MPa，这很好地说明了涌水条件下的上向穿层钻孔瓦斯压力修正方法的可靠性。所以遇到钻孔有涌水情况时，只需向所测煤层顶板岩层中打一个水压钻孔测下纯水压力即可，然后根据下式对涌水条件下的表压进行修正。

表2 上向穿层钻孔瓦斯压力测定结果及修正

当煤层顶板水压钻孔与测压钻孔开孔处位于同一层位时

P0=P表-P水

(12)

当煤层顶板水压钻孔与测压钻孔开孔处位于不同层位，具有高度差时

P0=P表-P水-0.01(H1-H2)

(13)

式中，P水为煤层顶板水压力，MPa；H1为测压钻孔开孔处埋深，m；H2为煤层顶板水压钻孔开孔处埋深，m。

4 结论

(1)通过在有涌水现象的矿井进行上向钻孔瓦斯压力现场实测，分析实测瓦斯压力数据结合孔内气体成分分析，得出当涌入测压气室内的水没有完全充满测压气室时，水对表压的影响符合伯努利定律，当涌入测压气室内的水完全充满测压气室并且有涌水现象时所测的表压为煤层瓦斯压力与煤层顶板水压力共同作用下的压力。

(2)根据伯努利定律和通过向所测煤层顶板岩层中施工钻孔测纯水压力对上向含水情况下的钻孔瓦斯压力进行了修正。采用本方法修正后的瓦斯压力误差较小，经过实测验证绝对误差小于0.03 MPa，说明本修正方法符合实际具有可行性，能够真实准确地反映出煤层的实际瓦斯压力。该方法解决了上向涌水条件下测压难的问题，为类似涌水条件下测定煤层瓦斯压力提供了借鉴和参考，具有一定的实际指导意义。