煤層瓦斯壓力的測(cè)定及其分析

賈文青 ，劉中華 ，，胡耀青 ，常宗旭

（1.太原理工大學(xué) 陽(yáng)泉學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

煤層瓦斯壓力的測(cè)定及其分析

賈文青1，劉中華1，2，胡耀青2，常宗旭3

（1.太原理工大學(xué) 陽(yáng)泉學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

煤層的瓦斯壓力是礦井瓦斯基本參數(shù)之一，準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力具有重要意義。測(cè)壓過(guò)程主要包括：選擇測(cè)定地點(diǎn)和測(cè)定方法、開(kāi)掘鉆孔、封孔以及壓力的觀測(cè)確實(shí)。壓力分析是指采用適當(dāng)?shù)姆饪撞牧辖?jīng)過(guò)特定的工藝以及計(jì)算，最終來(lái)防止瓦斯涌出。

瓦斯壓力；鉆孔；分析

煤層瓦斯壓力是煤層孔隙內(nèi)氣體分子熱運(yùn)動(dòng)撞擊所產(chǎn)生的作用力，它在某一點(diǎn)上各向大小相等，方向與孔隙壁垂直，煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量多少、瓦斯流動(dòng)動(dòng)力高低以及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的潛能大小的基本參數(shù)，在研究與評(píng)價(jià)瓦斯儲(chǔ)量、瓦斯涌出、瓦斯流動(dòng)、瓦斯抽放與瓦斯突出問(wèn)題中，掌握準(zhǔn)確可靠的瓦斯壓力數(shù)據(jù)最為重要。

1 煤層瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程

煤層瓦斯壓力的測(cè)定原理是通過(guò)鉆孔揭露煤層，安設(shè)測(cè)定儀表并密封鉆孔，利用煤層中瓦斯的自然滲透原理測(cè)定在鉆孔揭露處達(dá)到平衡的瓦斯壓力。同一地點(diǎn)打兩個(gè)測(cè)壓鉆孔，選擇在進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、行人少且便于安設(shè)保護(hù)柵欄的地方，并且保證有足夠的封孔深度，鉆孔口之間的距離在其相互影響范圍外，其見(jiàn)煤點(diǎn)的距離除石門(mén)測(cè)壓外不小于20m，鉆孔要避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造裂隙帶、巷道的卸壓圈和采動(dòng)影響范圍。

測(cè)壓方法主要有固體材料封孔測(cè)壓法、膠圈粘液封孔測(cè)壓法和膠囊粘液封孔測(cè)壓法，固體材料封孔測(cè)壓法又分為：粘土封孔和注漿封孔。粘土封孔法簡(jiǎn)便易行，如果認(rèn)真細(xì)致操作，可以測(cè)得較高壓力，封孔后即可上壓力表，不需等待固化時(shí)間，但是封孔管不能回收，費(fèi)工費(fèi)時(shí)（一般4人～5人封一個(gè)孔需要2 h～4 h），體力勞動(dòng)強(qiáng)度較大，這種方法適宜封各種傾角的孔；注漿封孔對(duì)孔周巖體的裂隙也有一定的封堵作用，加之封孔長(zhǎng)度大，所以測(cè)壓的效果較好，測(cè)壓器材也不能回收。膠圈粘液封孔測(cè)壓法和膠囊粘液封孔測(cè)壓法都是新型的測(cè)定煤層瓦斯壓力的方法，只是膠囊的彈性大，與孔壁可全面緊密接觸，密封粘液的性能優(yōu)于膠圈，不僅適用于封巖石鉆孔，而且也能封較硬煤層中的煤孔，這兩種封孔器都可以回收復(fù)用，復(fù)用下井前，一定要在地面進(jìn)行耐壓、檢漏試驗(yàn)，只有整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有任何漏氣、漏液現(xiàn)象才算合格，方可下井使用，地面上的嚴(yán)格檢查是確保井下正常使用的前提，每一次下井使用之前，都必須在井上檢查合格才行。

鉆孔的開(kāi)孔位置選在巖石（煤壁）完整的位置，保證鉆孔平直、孔形完整，穿層測(cè)壓鉆孔宜穿煤層全厚，施工過(guò)程中要準(zhǔn)確記錄鉆孔方位、傾角、長(zhǎng)度、鉆孔開(kāi)始見(jiàn)煤長(zhǎng)度及鉆孔在煤層中長(zhǎng)度，鉆孔開(kāi)鉆時(shí)間、見(jiàn)煤時(shí)間及鉆畢時(shí)間，施工好后應(yīng)立即清洗鉆孔，保證鉆孔暢通。

鉆孔施工后在24 h內(nèi)完成封孔工作，封孔深度應(yīng)超過(guò)鉆孔施工地點(diǎn)巷道的影響范圍，并滿足：黃泥、水泥封孔測(cè)壓法的封孔深度應(yīng)不小于5m；膠囊—密封粘液封孔測(cè)定本煤層瓦斯壓力的封孔深度應(yīng)不小于10m；注漿封孔測(cè)壓法的封孔深度不小于12m；應(yīng)盡可能加長(zhǎng)測(cè)壓鉆孔的封孔深度。并且保證測(cè)壓氣室長(zhǎng)不小于1.5m。

2 煤層瓦斯壓力過(guò)程分析

材料與孔壁產(chǎn)生的摩擦力以及孔壁四周的應(yīng)力總和。因?yàn)榭妆谒闹艿乃袘?yīng)力作用點(diǎn)相交于孔的中心，孔的上覆巖體的應(yīng)力與地應(yīng)力在數(shù)值上是相等的，所以應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，以致于孔不會(huì)塌陷。頂應(yīng)力和底應(yīng)力的作用域?yàn)榭椎闹休S截面，它與孔壁表面積的比為1/π。

2.1采用粘土——水泥封孔測(cè)定

在距測(cè)壓煤層一定距離的巖巷處打水平鉆孔，穿入煤層，孔徑取60mm，巖石堅(jiān)硬且無(wú)裂隙，故鉆孔長(zhǎng)度取5m。在封孔時(shí)，每隔0.4m打入一木楔，長(zhǎng)度為0.1m，由于水泥凝固時(shí)間較短，故在孔口處填堵0.5m的水泥，以緊固強(qiáng)化孔口。如此經(jīng)過(guò)計(jì)算，共需9段粘土條，9塊木楔，一段水泥條，共計(jì)5m。

1）測(cè)壓導(dǎo)氣管直徑取10mm，其斷面積相對(duì)于鉆孔的1/36，再加上導(dǎo)氣管與粘土的摩擦力和透氣系數(shù)等，經(jīng)過(guò)分析后，在計(jì)算封孔材料的摩擦力時(shí)要把測(cè)定誤差計(jì)為3%。

取配比水后的粘土的密度為1 800 kg/m3，假定粘土與孔壁無(wú)縫粘合，則黏土的重力壓強(qiáng)ρZY1為

粘土與孔壁是緊密無(wú)縫粘合的，所以粘土的摩擦面為孔壁內(nèi)表面，因摩擦系數(shù)的大小取決于接觸面的面積、接觸面的接合性質(zhì)和表面的粗糙程度，綜合所有因素得出，粘土與孔壁之間的摩擦系數(shù)為μ=0.5。因此瓦斯壓力克服的粘土摩擦壓強(qiáng)ρNT為

一共有九段粘土，所以

取木楔的密度為800 kg/m3，假定木楔與孔壁緊密壓實(shí)，則木楔的重力壓強(qiáng)ρZY2為

木楔與孔壁緊密壓實(shí)，取摩擦系數(shù)為μ=1.0。因此瓦斯壓力克服的木楔摩擦壓強(qiáng)ρMX為

一共有9塊木楔，所以

孔口處有一段長(zhǎng)為0.5m的水泥條，水泥具有一定的凝固時(shí)間，當(dāng)水泥固化后，摩擦力很大，取μ=1.5，所以

煤層中的瓦斯壓力需要克服粘土、木楔和水泥所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，所以此封孔方法可以封堵的瓦斯壓力為

經(jīng)過(guò)誤差校正后，所得的壓強(qiáng)修正值ρ1XZ為

2）假設(shè)孔的位置位于地面下300m處，則根據(jù)地質(zhì)條件以、上覆巖體的自重以及巖體的性質(zhì)，確定孔壁四周的總應(yīng)力為頂應(yīng)力與底應(yīng)力之和。

取上覆巖體的平均密度為2 000 kg/m3。則頂應(yīng)力 ρD為

作用于孔壁周圍的總應(yīng)力ρZ為

所以采用粘土——水泥封孔法，封孔深度為5 m時(shí)，可以測(cè)定的瓦斯壓力在1.346MPa的范圍內(nèi)。此種方法的封孔深度在堅(jiān)硬巖石中不宜超過(guò)10m，在軟巖中可適當(dāng)增加封孔長(zhǎng)度。

2.2采用膠囊——密封粘液測(cè)定

此方法只能用于測(cè)定煤層中的瓦斯壓力，而不能用于封堵鉆孔。在測(cè)定瓦斯壓力時(shí)，此法有其它方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，且測(cè)壓設(shè)備可以回收，可以重復(fù)使用，且測(cè)定壓力最為準(zhǔn)確。打鉆時(shí)，鉆孔長(zhǎng)度取10m，孔徑取60mm。

它的封孔測(cè)壓原理是用膨脹著的膠囊封高壓粘液，再由高壓粘液封高壓瓦斯，由壓力表測(cè)定瓦斯壓力。在整個(gè)測(cè)定瓦斯壓力的過(guò)程中，要總是保持膠囊中間高壓粘液的壓力大于煤層中的瓦斯壓力，從而消除瓦斯向外泄漏，這樣才可以使整個(gè)測(cè)定過(guò)程得以進(jìn)行，比較準(zhǔn)確地測(cè)定瓦斯壓力。為了縮短測(cè)壓時(shí)間，測(cè)壓時(shí)可向孔內(nèi)注氣，停止注氣后數(shù)日，壓力表指示的穩(wěn)定值就是所測(cè)的瓦斯壓力。

在測(cè)定完畢后，需采用固體封孔材料封堵鉆孔，或者是粘土--水泥封孔，或者是注漿封孔。

2.3 采用新型聚氨酯材料封孔

聚氨酯材料是新型的測(cè)定瓦斯壓力的封孔材料，它具有使用方便、節(jié)省勞動(dòng)力、以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此成為現(xiàn)在大多數(shù)鉆孔封孔材料的首選，但同時(shí)它具有使用年限短、易發(fā)生意外等缺點(diǎn)。

此材料為高強(qiáng)度有機(jī)合成物，因此其與孔壁具有很好的粘結(jié)性，且自身重量輕，在計(jì)算時(shí)可不計(jì)自身壓強(qiáng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，聚氨酯材料與孔壁的摩擦系數(shù)為1.32。

同樣取位于地面下300m處的鉆孔，則孔壁總應(yīng)力為3.743MPa。

ρM=3.743×1.32=4.941MPa.所以采用聚氨酯材料封孔時(shí)，可以克服的煤層瓦斯壓力為4.941MPa。

2.4 采用注漿封孔測(cè)定

粘土—水泥封孔法測(cè)定瓦斯壓力，比較費(fèi)工費(fèi)時(shí)且勞動(dòng)強(qiáng)度大，為了克服上述缺點(diǎn)，在適當(dāng)時(shí)候要使用注漿封孔法測(cè)定煤層中瓦斯壓力，此法以壓縮空氣或水壓機(jī)為動(dòng)力，將水泥砂漿壓入鉆孔，是一種新型的封孔工藝。

1)此種方法適用于封傾角超過(guò)45°，深度大于15m的鉆孔，這里取鉆孔深度為15m，孔徑取70 mm；封孔作業(yè)時(shí)，孔內(nèi)除直徑為10mm的測(cè)壓導(dǎo)氣管外，還要置入一根直徑12.7mm長(zhǎng)約1m的注漿管和一根直徑12.7mm長(zhǎng)度等于封孔長(zhǎng)度的檢查管。鉆孔內(nèi)徑為4900mm2，導(dǎo)氣管管徑為100mm2，檢查管和注漿管管徑為161.29mm2，注漿管長(zhǎng)度為1m，檢查管為15m，則管徑與孔徑比為

η=（100+161.29+161.29/15）/4900=5.55%.

再加上管壁與水泥砂漿的摩擦因素以及系統(tǒng)誤差，綜合考慮分析，取誤差系數(shù)為6%。

水泥砂漿的固化時(shí)間為2 d～3 d，固化前為流體狀態(tài)，與孔壁摩擦力很小，僅是重力的幾分之一，當(dāng)其凝固后，摩擦系數(shù)迅速增加，最大時(shí)摩擦力可以達(dá)到重力的20倍，所以在水泥砂漿固化之間，要用壓縮空氣產(chǎn)生的壓力來(lái)抵住瓦斯壓力，以免瓦斯噴出。鑒于此鉆孔的孔徑稍大，因此取水泥砂漿固化后與孔壁的摩擦系數(shù)為1.5，砂漿固化后的密度為2000 kg/m3，砂漿的長(zhǎng)度為15m，則砂漿的重壓ρZY為

因?yàn)樯皾{固化后與孔壁的摩擦系數(shù)為0.75，所以煤層與其壓力克服固體砂漿的壓強(qiáng)ρ2為

誤差為6%，所以修正后的壓強(qiáng)為

2)如前所述，孔壁總應(yīng)力仍為3.743MPa。

所以采用注漿封孔法，封孔深度為15m，可以測(cè)定的瓦斯壓力在3.222MPa的范圍內(nèi)，此種方法的封孔深度一般不受限制，故可以測(cè)定高瓦斯壓力的煤層，并且結(jié)果也較為準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是造價(jià)比較高，且設(shè)備不可以回收。

3 煤層瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果討論

綜合以上三種測(cè)定瓦斯壓力的方法，當(dāng)煤層瓦斯壓力較大時(shí)，比如達(dá)到3MPa、5MPa或者是更高，則適宜采用聚氨酯材料封孔法或注漿封孔法；當(dāng)壓力適中，在1MPa～3MPa時(shí)，則適宜采用粘土—水泥封孔法，此法雖費(fèi)工費(fèi)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，但造價(jià)較低，封孔設(shè)備也最為簡(jiǎn)單；當(dāng)壓力很小時(shí)，在1MPa以下時(shí)，采用膠囊—密封粘液封孔測(cè)定，此法測(cè)定最為準(zhǔn)確，結(jié)果可信度最高，測(cè)定過(guò)程結(jié)束后，再采取粘土—水泥封孔法來(lái)封堵鉆孔，以免瓦斯噴出。

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[2]趙陽(yáng)升.礦山巖石流體力學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1994.

[3]林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[5]劉玉.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（增）：57-59.

[6]張建斌.煤與瓦斯突出礦井綜合治理技術(shù)研究[J].山西煤炭，2011，31（2）：38-42.

M easurement and Analysis of Coal Bed M ethane Pressure

JIAW en-qing1,LIU Zhong-hua1,2,HU Yao-qing2,CHANG Zong-xu3
(1.Yangquan Institute,Taiyuan University of Technology,Yangquan Shanxi045000；2.Mining Technology Institute of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024；3.College ofMechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

As one of basic parameters of gas in mine,methane pressure is critical for accurate measurement.The process of pressuremeasurement includes:site and approach selection,borehole drilling,sealing,and pressure observation.The pressure analysis is to use specific technique with proper sealing materials and calculation in order to prevent the gas outburst.

methane pressure;borehole;analysis

TD712+.3

A

1672-5050（2011）10-0022-04

2011-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50874077)；山西省自然科學(xué)基金（2009011027-2）

賈文青（1966—），男，山西長(zhǎng)治人，大學(xué)本科，講師，從事工程力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。

徐樹(shù)文