一種主動(dòng)式測(cè)壓方法介紹及應(yīng)用

劉雪莉，戴廣龍，游繼軍

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層瓦斯壓力是預(yù)測(cè)煤層是否具有突出危險(xiǎn)性的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測(cè)定方法都是從巖巷向煤層打鉆孔，用黃泥、砂漿等固體物來(lái)密封鉆孔，然后測(cè)定煤層瓦斯壓力，但這種測(cè)壓方法存在操作繁瑣且鉆孔密封性不能得到保證等問(wèn)題，可能導(dǎo)致測(cè)得的瓦斯壓力低于煤層真實(shí)的瓦斯壓力[2]，針對(duì)傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)存在的不足，本文提出了一種主動(dòng)式測(cè)壓方法，介紹了該測(cè)壓方法的測(cè)定原理、測(cè)壓設(shè)備以及其測(cè)壓優(yōu)點(diǎn)，最后將這種新的測(cè)壓方法在煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，取得了很好的效果。

1 瓦斯壓力測(cè)定原理及測(cè)壓設(shè)備

煤層瓦斯壓力測(cè)定的原理是向煤層打一鉆孔，深入煤層內(nèi)，通過(guò)鉆孔在煤孔內(nèi)布置一根瓦斯管與外界溝通，連上瓦斯壓力表，封閉鉆孔與外界的聯(lián)系[3]。此時(shí)，由于煤孔內(nèi)的瓦斯已經(jīng)向外放散，壓力較低，煤孔周圍的煤層中瓦斯向煤孔內(nèi)運(yùn)移，壓力逐漸增高。由于煤孔周圍的煤體體積遠(yuǎn)大于煤孔的空間體積，煤層內(nèi)的吸附瓦斯量又比游離瓦斯量大得多，故經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的瓦斯?jié)B流，煤孔內(nèi)的瓦斯壓力逐漸接近煤層的原始瓦斯壓力，從外部的壓力表上可以讀出煤孔內(nèi)的瓦斯壓力值。

我們采用的是 M-Ⅱ型瓦斯壓力測(cè)定儀測(cè)定瓦斯壓力，M-Ⅱ型瓦斯壓力測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

2 瓦斯壓力測(cè)定步驟

1) 制定瓦斯壓力測(cè)定方案。根據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》的要求，測(cè)壓地點(diǎn)應(yīng)按照不同的地質(zhì)單元分別進(jìn)行布置，每個(gè)地質(zhì)單元內(nèi)在煤層走向和傾向方向分別布置3個(gè)以上測(cè)點(diǎn)。為準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力，使測(cè)出的壓力值能夠代表煤層的原始瓦斯壓力，在該地質(zhì)單元內(nèi)，對(duì)所有可能進(jìn)行測(cè)壓的地點(diǎn)進(jìn)行了篩選，要求測(cè)壓地點(diǎn)應(yīng)選在不受斷層影響和裂隙小的地區(qū)[4-5]。

圖1 M-Ⅱ型瓦斯壓力測(cè)定儀結(jié)構(gòu)示意圖

2) 施工測(cè)壓鉆孔。在選定的測(cè)壓地點(diǎn)施工測(cè)壓鉆孔，鉆孔直徑為75mm左右，施工過(guò)程中要確保鉆孔盡量平滑不彎曲。

3) 封孔。鉆孔完工后，清除孔底的鉆屑，然后立即將封孔器送入鉆孔。將測(cè)壓儀放入鉆孔預(yù)定位置后， 利用手動(dòng)加壓泵1將乳化液壓力加至3.0MPa左右，用手動(dòng)泵2將乳化液壓入鉆孔封孔段，并使乳化液壓力高于氣體壓力0.3～0.5MPa；在測(cè)試中，應(yīng)使乳化液壓力高于預(yù)計(jì)氣體壓力1.5MPa，然后用充氣瓶通過(guò)氣體管向測(cè)壓氣室內(nèi)充入氮?dú)?，充氣壓力?yīng)略高于煤層預(yù)測(cè)的原始瓦斯壓力。

4) 觀察并記錄壓力表讀數(shù)。當(dāng)氣瓶向測(cè)壓氣室注完氮?dú)夂罅⒓搓P(guān)閉氣瓶閥門(mén)，此時(shí)的壓力表讀數(shù)應(yīng)該最大，隨后讀數(shù)會(huì)逐漸下降，當(dāng)讀數(shù)降到某個(gè)值不再變化時(shí)此時(shí)的讀數(shù)即為該煤層的真實(shí)瓦斯壓力。

3 主動(dòng)式測(cè)壓方法的優(yōu)點(diǎn)

1) 操作簡(jiǎn)單方便，密封性好，并且能檢測(cè)出鉆孔密封性的好壞。傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測(cè)定方法其操作繁瑣，所用的封孔材料如黃泥、聚氨酯、水泥砂漿等必須提前將配比調(diào)好，并且封孔后測(cè)壓鉆孔的密封性不能檢測(cè)；而該主動(dòng)式測(cè)壓方法其采用的封孔原理是固體封液體，液體封氣體，該測(cè)壓方法除了利用兩個(gè)膠囊封孔外，在兩個(gè)膠囊之間沖入一定壓力的黏液，黏液的壓力略高于瓦斯壓力，黏液在壓力作用下滲入鉆孔周邊裂隙，阻止了瓦斯的泄露，并且鉆孔的氣密性可以從充氣后的壓力表上看出來(lái)，一旦鉆孔的密封性不好，壓力表的讀數(shù)則會(huì)瞬間從最大值變?yōu)榱?，通過(guò)觀察壓力表的讀數(shù)變化可以直接檢測(cè)出鉆孔的密封性好壞。

2) 測(cè)壓時(shí)間短，瓦斯壓力穩(wěn)定快。傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力測(cè)定方法其測(cè)壓時(shí)間需20d左右，而該主動(dòng)式測(cè)壓方法只需10d左右，甚至更短，充氣后1h內(nèi)壓力表穩(wěn)定的讀數(shù)即為煤層的真實(shí)瓦斯壓力。傳統(tǒng)的被動(dòng)式測(cè)壓方法其在打鉆過(guò)程中煤層中的瓦斯就順著鉆孔向外流動(dòng)，并且打鉆時(shí)間越長(zhǎng)，瓦斯的損失量就越多，封孔后由于瓦斯?jié)B透擴(kuò)散作用，煤層瓦斯從壓力高的地方流向鉆孔的氣室內(nèi)以彌補(bǔ)打鉆及封孔過(guò)程中的瓦斯損失量，只有當(dāng)氣室內(nèi)的瓦斯壓力接近煤層的瓦斯壓力的時(shí)候，壓力表才會(huì)顯示讀數(shù)。而該主動(dòng)式測(cè)壓方法在鉆孔密封后向測(cè)壓氣室內(nèi)注入略高于煤層預(yù)測(cè)原始瓦斯壓力的氣體不僅可以彌補(bǔ)打鉆過(guò)程中的瓦斯損失量，而且氣室內(nèi)的高壓力氣體在高壓作用下迅速向低瓦斯壓力地方流動(dòng)，這樣煤層瓦斯壓力會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到平衡，壓力表讀數(shù)就會(huì)穩(wěn)定，這個(gè)過(guò)程經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試僅需要1h左右，之后只需每天觀測(cè)一下壓力表的讀數(shù)，整個(gè)測(cè)壓過(guò)程完成也就5～10d。

3) 瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果更準(zhǔn)確。由于傳統(tǒng)的被動(dòng)式測(cè)壓方法其測(cè)壓氣室內(nèi)瓦斯壓力的平衡全部依靠煤層瓦斯的滲透擴(kuò)散作用，而瓦斯的滲透擴(kuò)散作用受瓦斯壓力的影響很大，瓦斯壓力越高其滲透擴(kuò)散越快，一旦煤層的原始瓦斯壓力不是很大，再加上巷道或者采空區(qū)等泄壓帶的影響，其煤層瓦斯壓力就會(huì)更小，這樣瓦斯的滲透擴(kuò)散作用會(huì)很弱，導(dǎo)致測(cè)壓氣室內(nèi)瓦斯壓力很小甚至沒(méi)有，從而壓力表也就顯示很小甚至無(wú)讀數(shù)。而主動(dòng)式測(cè)壓就可以解決這一問(wèn)題，因?yàn)槠鹗細(xì)馐覂?nèi)的氣體壓力就高于該煤層其他地方的瓦斯壓力，所以氣室內(nèi)的氣體只會(huì)向低瓦斯壓力的地方流動(dòng)，平衡一旦建立，壓力表的讀數(shù)就將穩(wěn)定下來(lái)，該讀數(shù)即為煤層的瓦斯壓力。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

位于貴州省大方縣星宿鄉(xiāng)的瑞豐煤礦，其區(qū)域位于新場(chǎng)東翼北端，礦區(qū)為單斜構(gòu)造，地層呈單斜產(chǎn)出，傾向210°～249°,傾角9°～16°，平均15°左右。區(qū)內(nèi)含煤巖系為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，含煤15～26層。含煤巖系總厚112～151m,平均厚128m,含煤總厚6.35m，含煤率4.96%,含可采煤層3層即M18、M51、M73煤層，平均總厚4.45m，煤質(zhì)均為中-低硫無(wú)煙煤，本次進(jìn)行進(jìn)行測(cè)壓的煤層為M73煤層。

由于瑞豐煤礦井田范圍很小，井田內(nèi)無(wú)斷層構(gòu)造的存在，可以按照一個(gè)地質(zhì)單元考慮。根據(jù)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》的要求，本次測(cè)壓地點(diǎn)選在回風(fēng)下山鉆場(chǎng)、回風(fēng)下山、軌道下山、輸送帶下山鉆場(chǎng)以及輸送帶下山五處，每處測(cè)壓點(diǎn)布置兩個(gè)測(cè)壓鉆孔，共計(jì)十個(gè)測(cè)壓鉆孔，其中M73-1、M73-3、M73-5、M73-7、M73-9鉆孔采用傳統(tǒng)的被動(dòng)式測(cè)壓方法，M73-2、M73-4、M73-6、M73-8、M73-10鉆孔采用主動(dòng)式測(cè)壓方法，各測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力值如表1所示。根據(jù)礦方提供的資料及對(duì)M73煤層瓦斯含量的測(cè)定，初步預(yù)測(cè)M73煤層原始瓦斯壓力為0.5MPa，在使用主動(dòng)式測(cè)壓方法的五個(gè)測(cè)壓鉆孔中沖入0.6MPa的氮?dú)猓郎y(cè)壓過(guò)程結(jié)束后將各鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系繪制成曲線，曲線圖見(jiàn)圖2、3所示。

表1 各測(cè)壓鉆孔瓦斯壓力數(shù)據(jù)記錄

圖2 M73-1、M73-3、M73-5、M73-7、M73-9鉆孔瓦斯壓力上升曲線圖

從表1可以看出:同一測(cè)壓地點(diǎn)用兩種不同的測(cè)壓方法其測(cè)壓結(jié)果也不同，并且可以看出使用主動(dòng)式測(cè)壓方法其測(cè)壓結(jié)果更接近煤層原始瓦斯壓力；從圖2可以看出使用傳統(tǒng)的被動(dòng)式測(cè)壓方法其瓦斯壓力穩(wěn)定要10d左右，之后還要繼續(xù)觀察，整個(gè)測(cè)壓過(guò)程結(jié)束需20d左右；而通過(guò)對(duì)圖3分析可以看出使用主動(dòng)式測(cè)壓方法其瓦斯壓力穩(wěn)定只需50min左右，之后只需觀察5～10d即可，由此可見(jiàn)采用該主動(dòng)式測(cè)壓方法可以最大限度的縮短測(cè)壓時(shí)間，極大的提高了工作效率。

圖3 M73-2、M73-4、M73-6、M73-8、M73-10鉆孔瓦斯壓力下降曲線圖

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可以看出使用該主動(dòng)式測(cè)壓方法測(cè)出的煤層瓦斯壓力更接近煤層原始瓦斯壓力，這為煤礦現(xiàn)場(chǎng)合理制定瓦斯災(zāi)害防治方案提供可靠依據(jù)，同時(shí)該主動(dòng)式測(cè)壓方法能夠快速的測(cè)出煤層瓦斯壓力。當(dāng)煤礦需要通過(guò)制定瓦斯治理方案來(lái)保證生產(chǎn)時(shí)，主動(dòng)測(cè)壓方法能夠節(jié)約大量時(shí)間，提高工作效率，因此在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中這種測(cè)壓方法具有極大的推廣價(jià)值。

[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] 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，2001.

[3] 于不凡．煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005．

[4] 國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦安全規(guī)程[G]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[5] 中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部．防治煤與瓦斯突出規(guī)定[G]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．