涌水條件下的下向鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)*

趙 晶

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

★煤礦安全★

涌水條件下的下向鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)*

趙 晶1，2，3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013）

針對(duì)下向涌水鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定的難點(diǎn)，通過(guò)兩堵一注的水泥砂漿封孔技術(shù)使下向涌水鉆孔形成良好的位于裂隙含水層以外的測(cè)壓氣室，較好地封堵裂隙含水層，消除其對(duì)瓦斯壓力測(cè)定的影響。通過(guò)對(duì)測(cè)壓鉆孔周圍瓦斯壓力和水壓力曲線分布的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)封孔測(cè)壓數(shù)據(jù)，確保了下向涌水鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

涌水 下向鉆孔 瓦斯壓力 兩堵一注封孔工藝 瓦斯壓力恢復(fù)曲線

煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙內(nèi)氣體分子自由熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的作用力，應(yīng)用較為廣泛的是未受采動(dòng)、瓦斯抽采及人為卸壓等因素影響的原始煤層瓦斯壓力，以此作為評(píng)價(jià)煤層突出危險(xiǎn)性的首選指標(biāo)。同時(shí)，煤層瓦斯壓力還是決定瓦斯流動(dòng)動(dòng)力以及動(dòng)力現(xiàn)象潛能的基本參數(shù)，在評(píng)價(jià)瓦斯儲(chǔ)量、涌出、抽采、突出等問(wèn)題中均具有指導(dǎo)意義。盡管封孔測(cè)壓技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)比較成熟，但不能保證每次測(cè)壓都能測(cè)得真實(shí)煤層瓦斯壓力。鉆孔施工過(guò)程中難免穿過(guò)含水層或裂隙含水層，在不能有效封堵涌水情況下，將影響壓力數(shù)據(jù)的可靠性，甚至報(bào)廢鉆孔，造成人力、物力、財(cái)力和時(shí)間的極大浪費(fèi)。因此，在現(xiàn)有普遍應(yīng)用的封孔技術(shù)條件下，選擇合理的鉆孔施工方法及封孔工藝，通過(guò)分析含水測(cè)壓孔壓力恢復(fù)曲線，獲得煤層較為真實(shí)的瓦斯壓力具有現(xiàn)實(shí)意義。

1　概述

1.1礦井概況

山西朱家店煤礦井田南北走向長(zhǎng)約4.5 km，東西傾斜寬約3.1～4.6 km，面積為17.152 km2，設(shè)計(jì)產(chǎn)量120萬(wàn)t/a，準(zhǔn)采標(biāo)高為+1099.99～+ 459.99 m。目前僅南翼一采區(qū)0401工作面正在回采，開(kāi)采二疊系下統(tǒng)山西組4#煤層，山西組砂巖含水組為其直接充水含水層，礦井涌水量約100 m3/d。

1.2瓦斯涌出情況

0401工作面在回采過(guò)程中，揭露兩條正斷層，2014年3月12日風(fēng)排瓦斯涌出量為2.6 m3/min；4月12日風(fēng)排瓦斯涌出量為3.8 m3/min；4月21日風(fēng)排瓦斯涌出量為5.5 m3/min。截止到2014年4月，該工作面已在本煤層抽放2年左右，實(shí)測(cè)工作殘余瓦斯含量在3 m3/t左右，瓦斯異常涌出主要原因是鄰近層瓦斯涌出造成的?？紤]到0401工作面的實(shí)際情況，短期內(nèi)難以實(shí)施下鄰近層本煤層抽采，因此，在0401工作面前方各巷施工底板下向鉆孔穿透各下鄰近層至工作面下部，提前抽采深部裂隙瓦斯，防止遇構(gòu)造或者工作面周期來(lái)壓時(shí)瓦斯涌出量突然增大，同時(shí)施工底板下向鉆孔觀測(cè)下鄰近層石炭系上統(tǒng)太原組6#煤層瓦斯壓力，進(jìn)一步探明6#煤層瓦斯賦存情況，為工作面回采期間的下鄰近層抽放提供依據(jù)，0401回風(fēng)巷探煤鉆孔布置見(jiàn)圖1。

1.3測(cè)壓面臨的問(wèn)題

該礦地質(zhì)情況較為復(fù)雜，4#、6#煤層之間圍巖松軟、易破碎，且施工下向鉆孔時(shí)需穿過(guò)4#煤層底板的砂質(zhì)泥巖和6#煤層頂板的石灰?guī)r裂隙含水層，2個(gè)裂隙含水層巖溶裂隙較為發(fā)育，涌水量大，給6#煤層瓦斯壓力的測(cè)定帶來(lái)困難。為探明從4#煤層向6#煤層施工鉆孔時(shí)的涌水情況，2015年3月30日，在0401回風(fēng)巷施工一個(gè)探煤鉆孔（見(jiàn)圖1）。在接近6#煤層時(shí)鉆孔涌水較大，涌水量約0.01 m3/min。

圖1　0401回風(fēng)巷探煤鉆孔圖

1.4下向孔壓力恢復(fù)曲線類型

根據(jù)煤體裂隙承壓水對(duì)測(cè)壓的影響，下向孔瓦斯壓力恢復(fù)曲線可分為以下3種:

（1）鉆孔內(nèi)僅有少量的裂隙水，水壓對(duì)煤層瓦斯壓力影響基本可以忽略，此時(shí)測(cè)壓鉆孔周圍煤層瓦斯流動(dòng)符合穩(wěn)定徑向流動(dòng)，鉆孔周圍瓦斯壓力符

合下列關(guān)系:

式中:Pb——煤層原始瓦斯壓力，MPa；

P——鉆孔周圍瓦斯壓力，MPa；

R0——鉆孔半徑，m；

Rb——原始瓦斯壓力邊界半徑，m；

r——鉆孔瓦斯壓力影響半徑，m。

從式（1）可以看出，煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線符合雙曲線規(guī)律。

（2）鉆孔內(nèi)有承壓水，在測(cè)壓初期主要表現(xiàn)為水壓，在短時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)壓力達(dá)到恒定值，測(cè)壓氣室內(nèi)水壓與氣壓達(dá)到平衡時(shí)，主要表現(xiàn)為水壓。水壓先于瓦斯壓力表現(xiàn)時(shí)，鉆孔周圍煤體內(nèi)的水體流動(dòng)符合達(dá)西定律，水流速度與水壓符合以下關(guān)系:

式中:Pm——鉆孔內(nèi)水壓力，MPa；

μ——水的絕對(duì)粘度，Pa·S；

Rm——鉆孔周圍水壓最大半徑，m；

K——煤層的滲透率，m2；

υ——鉆孔周圍水的流速，m/s。

從式（2）可以看出，測(cè)壓鉆孔壓力恢復(fù)曲線與水壓恢復(fù)曲線一致，前期水壓與水的流速成正比，后期水壓穩(wěn)定在一定值，表現(xiàn)為 “廠”字型。

（3）鉆孔內(nèi)有少量承壓水，水壓與瓦斯壓力共同影響壓力恢復(fù)曲線:初期壓力為瓦斯壓力；中期鉆孔內(nèi)水逐漸涌出后，開(kāi)始起主要作用，此時(shí)鉆孔內(nèi)壓力恢復(fù)曲線表現(xiàn)為水壓；瓦斯在裂隙中的流速要低于水流速度，后期在水壓穩(wěn)定后，鉆孔內(nèi)壓力恢復(fù)曲線又表現(xiàn)為瓦斯壓力。

通過(guò)以上分析可知，第一種類型的煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線在壓力值穩(wěn)定后，即為真實(shí)煤層瓦斯壓力；第二種類型的煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線所示壓力為鉆孔內(nèi)水壓，此時(shí)瓦斯壓力測(cè)壓失?。坏谌N類型的煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線在壓力值穩(wěn)定后，拆除壓力表，根據(jù)從鉆孔中放出的水量、鉆孔參數(shù)等，對(duì)測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行修正，但對(duì)于水平及下向鉆孔則不需要修正，即壓力表讀數(shù)可以認(rèn)為是真實(shí)煤層瓦斯壓力。

2　現(xiàn)有封孔技術(shù)分析

針對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中鉆孔涌水問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出以下幾種解決辦法:

（1）鉆孔涌水較小的情況下，用海帶等遇水膨脹材料直接堵住水泥漿封孔，孔口用干水泥封堵，運(yùn)用伯努利方程計(jì)算水壓，間接計(jì)算瓦斯壓力，此方法誤差較大，測(cè)得數(shù)據(jù)僅供參考；

（2）當(dāng)測(cè)壓鉆孔所穿含水層層位較淺、孔壁巖石裂隙不發(fā)育、出水點(diǎn)較少時(shí)，可采用一次注水泥漿封孔，此方法難以完全封堵滲水裂隙，給測(cè)壓帶來(lái)誤差；

（3）當(dāng)測(cè)壓孔所穿含水層裂隙不發(fā)育但圍巖出水點(diǎn)較多時(shí)，可采用全孔注漿-二次掃孔-注漿封孔法，因需要重新開(kāi)孔，難以保持新開(kāi)孔方向，易再次揭穿含水層或偏離原鉆孔封堵裂隙有效半徑之外，導(dǎo)致封孔堵水失??；

（4）有機(jī)高分子化合物封孔，此類材料在封堵含水鉆孔時(shí)，易被鉆孔內(nèi)涌水沖散，導(dǎo)致封孔不均，達(dá)不到封孔強(qiáng)度及有效封孔長(zhǎng)度。

（5）全孔下套管注漿，通過(guò)套管內(nèi)掃孔，穿透目標(biāo)測(cè)壓煤層，此種方法能有效封堵鉆孔內(nèi)涌水，但其封孔工藝復(fù)雜，成本較高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。

上述幾種方法均是從封堵鉆孔涌水的角度出發(fā)，未考慮含水層或裂隙水均是不斷補(bǔ)充的，如僅考慮在測(cè)壓結(jié)束之后扣除靜水壓力的方法，仍然無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得煤層瓦斯壓力。在地質(zhì)條件難以判明時(shí)，所選鉆孔穿過(guò)含水層這種情況將導(dǎo)致鉆孔大量涌水，根本無(wú)法進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，因此，在測(cè)定瓦斯壓力時(shí)，應(yīng)盡量按照AQ/T 1047《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》選點(diǎn)的要求，選擇巖體完備、遠(yuǎn)離采空區(qū)及受采動(dòng)影響、無(wú)地質(zhì)構(gòu)造的地點(diǎn)開(kāi)孔，這樣鉆孔所遇大多為裂隙水（裂隙含水層），此時(shí)采用水泥漿封孔堵水就能測(cè)得較為真實(shí)的煤層瓦斯壓力。

3　下向涌水鉆孔瓦斯壓力測(cè)定

3.1鉆孔施工工藝

該礦6#煤層頂板為石灰?guī)r，鉆孔涌水較大，涌水鉆孔測(cè)壓應(yīng)準(zhǔn)確掌握裂隙含水層位置，并將裂隙含水層控制在測(cè)壓氣室以外，再選定地點(diǎn)，以45°俯角，首先選用?94 mm的鉆頭鉆進(jìn)至目標(biāo)煤層頂板，此時(shí)退桿，換用?75 mm的鉆頭穿透煤層，并進(jìn)入目標(biāo)煤層底板5 m，用于沉積下向鉆孔煤渣。鉆孔施工結(jié)束后，立即用壓風(fēng)吹洗鉆孔，盡量排出鉆孔內(nèi)積水及煤渣。

3.2鉆孔兩堵一注封孔工藝

采用注漿泵進(jìn)行水泥漿注漿封孔，在水泥漿中加入一定比例的速凝劑及膨脹劑，防止水泥漿凝固后因失水收縮產(chǎn)生裂隙，加速水泥自重抵抗氣室內(nèi)瓦斯壓力。下向孔存在封孔水泥漿流入測(cè)壓氣室，易造成測(cè)壓管篩孔段堵塞，為此在測(cè)壓管篩孔前段焊接一個(gè)?80 mm的圓盤，圓盤上方纏繞遇水膨脹的海帶，將其一起伸入?94 mm鉆孔底部后，等海帶充分吸收水分后，開(kāi)始注漿?？紤]到測(cè)壓鉆孔內(nèi)涌水較大，該工藝需布設(shè)3根?15 mm管，分別作為測(cè)壓管、注漿管和排氣管，如圖2所示。

下向涌水鉆孔注漿封孔工藝為:

（1）將帶有海帶堵頭的測(cè)壓管送入直徑?94 mm鉆孔底部（測(cè)壓目標(biāo)煤層中部），穿過(guò)裂隙含水層；

（2）將注水泥漿管送入距?94 mm鉆孔底部約500 mm處固定，使其末端到海帶堵頭留有一定的注漿空間；

（3）在孔口送入500 mm長(zhǎng)的排氣管，并用海帶將排氣管、注水泥漿管、測(cè)壓管捆綁好，一起送入距孔口300 mm處，用干水泥、速凝劑及少量的水封堵孔口；

圖2　下向涌水鉆孔封孔示意圖

（4）孔口水泥凝固30 min后，通過(guò)水泥注漿管注漿，要求水灰比為3∶1左右，同時(shí)觀察排氣管情況，冒出水泥漿后停止注漿；

（5）水泥漿凝固24 h后在測(cè)壓管端安裝壓力表。

3.3測(cè)壓結(jié)果分析與探討

采取上述技術(shù)對(duì)6#煤層進(jìn)行煤層瓦斯壓力測(cè)定，按照AQ/T 1047《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》選點(diǎn)的要求，在0401工作面回風(fēng)巷150 m（Ⅰ測(cè)點(diǎn)）、300 m（Ⅱ測(cè)點(diǎn)）、500 m（Ⅲ測(cè)點(diǎn)）處布置3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，每個(gè)測(cè)壓點(diǎn)各布置2個(gè)測(cè)壓鉆孔，鉆孔方位角均為338°，傾角為-45°，6#煤層測(cè)壓鉆孔主要參數(shù)及壓力穩(wěn)定結(jié)果見(jiàn)表1。在瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中，多次觀測(cè)鉆孔無(wú)漏水漏氣現(xiàn)象，從2015年4月20日-5月9日，通過(guò)20 d的觀察記錄，所有鉆孔瓦斯壓力最終穩(wěn)定在一定值，瓦斯壓力不存在先上升后下降的情況，說(shuō)明所有鉆孔封孔質(zhì)量良好。

表1　6#煤層測(cè)壓鉆孔主要參數(shù)及壓力穩(wěn)定結(jié)果

圖3　鉆孔瓦斯壓力恢復(fù)曲線

圖3為鉆孔瓦斯壓力恢復(fù)曲線，根據(jù)前述3類壓力恢復(fù)曲線的規(guī)律可知，2#、3#、4#及6#鉆孔煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線符合雙曲線規(guī)律，符合前述第一種類型壓力恢復(fù)曲線特征。測(cè)壓結(jié)束后，拆卸壓力表，從測(cè)壓管噴出大量瓦斯，且基本無(wú)水及其他雜質(zhì)，表明鉆孔堵水及封孔測(cè)壓質(zhì)量良好，所測(cè)瓦斯壓力為真實(shí)可靠；5#鉆孔煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線呈現(xiàn)先急劇上升后穩(wěn)定的過(guò)程，壓力表值表現(xiàn)為水壓，符合第二種類型壓力恢復(fù)曲線特征，可判斷該鉆孔封孔段未能有效封蓋承壓水范圍，測(cè)壓失敗；1#鉆孔煤層瓦斯壓力恢復(fù)曲線在3 d內(nèi)鉆孔內(nèi)壓力達(dá)到恒定值0.25 MPa，此時(shí)表現(xiàn)為水壓，3 d后的曲線符合雙曲線規(guī)律，水壓的影響不足以改變壓力恢復(fù)曲線規(guī)律，可以認(rèn)為近似符合第三種類型壓力恢復(fù)曲線特征，由于此鉆孔為下向孔，且同一個(gè)地點(diǎn)的兩個(gè)鉆孔（1#鉆孔和2#鉆孔）瓦斯壓力比較接近，所測(cè)結(jié)果也為真實(shí)瓦斯壓力值。

將所測(cè)6#煤層瓦斯壓力（除5#測(cè)壓孔失敗外）與埋深進(jìn)行回歸分析得:

式中:P——煤層瓦斯壓力，MPa；

H——埋深，m。

6#煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系如圖4所示。結(jié)果表明，測(cè)壓范圍內(nèi)的煤層瓦斯壓力隨埋深增加而增加，有較好的線性關(guān)系，進(jìn)一步證明該方法測(cè)得煤層瓦斯壓力的可靠性。

圖4　6#煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系

經(jīng)過(guò)以上分析，實(shí)測(cè)6#煤層最大瓦斯壓力為0.63 MPa。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)分析下向鉆孔3種類型壓力恢復(fù)曲線規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)下向鉆孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及煤層瓦斯壓力與埋深的線性回歸驗(yàn)證，確保了涌水條件下的下向鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

（2）該封孔測(cè)壓技術(shù)在下向涌水鉆孔瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中，多次觀測(cè)鉆孔無(wú)漏水漏氣現(xiàn)象，鉆孔封孔質(zhì)量良好，測(cè)壓結(jié)果穩(wěn)定可靠，實(shí)測(cè)6#煤層最大瓦斯壓力為0.63 MPa?？蔀橄孪蛴克@孔煤層瓦斯壓力測(cè)定提供借鑒。

［1］ 許彥鵬，吳寬，李進(jìn).穿含水層下向鉆孔瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（3）

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Measurement technology of coal seam gas pressure in the downward hole under water burst

Zhao Jing1，2，3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources，Chaoyang，Beijing 100013，China；3.Beijing Municipal Engineering Research Center of Coal Mine Safety，Chaoyang，Beijing 100013，China）

Aiming at the difficulty of measurement of coal seam gas pressure in the downward hole under water burst，hole sealing technology with two blockage and one injection of cement plaster was proposed，which better blocked up the fissured aquifer，furthermore formed the air chamber to gas pressure measurement outside of the fissured aquifer in the downward hole under water burst，thus eliminated the effect of the fissured aquifer on the gas pressure measurement.The distribution of gas pressure and water pressure around the hole of gas pressure measurement was analyzed，combining with the data of gas pressure measurement in the sealed hole on site，which insures the accuracy of gas pressure measurement of coal seam in the downward hole under water burst.

water burst，downward holes，gas pressure，hole sealing technology with two blockage and one injection，gas pressure recovery curve

TD712.5

A

趙晶（1979-），男，山西原平人，碩士，工程師，主要從事礦井瓦斯治理與利用工程技術(shù)研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05040-001 -007）