上向長距離穿層鉆孔薄煤層群聯(lián)合測壓技術(shù)應(yīng)用分析

李 磊

(陜西秦安煤礦安全評價事務(wù)有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

瓦斯防治是煤礦安全最重要的工作之一，煤層瓦斯壓力是煤礦瓦斯防治工作中的重要基礎(chǔ)參數(shù)，其與煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出量的大小有關(guān)，不僅是礦井通風(fēng)、安全設(shè)計的重要參數(shù)，而且是煤與瓦斯突出危險性預(yù)測和防突措施效果評價的主要指標(biāo)之一。因此，準確測定煤層瓦斯壓力對礦井是十分重要的[1]。

目前國內(nèi)外測定煤層瓦斯壓力的方法主要有直接法和間接法2種[2-5]，直接法是指在煤礦井下通過測定鉆孔及相應(yīng)測定方法直接測量煤層瓦斯壓力的過程，又可以分為主動測壓法和被動測壓法。文中采用穿層鉆孔被動測壓法，即從巷道穿過巖層向鄰近煤層施工直徑為50～75 mm的鉆孔，孔中安放測壓管，在巖石段將孔密封后，用壓力表或自動測壓儀直接測定煤層瓦斯壓力[6]。由于巖石一般都比較完整致密，所以封孔效果較好。在內(nèi)蒙古烏海礦區(qū)出現(xiàn)了瓦斯含量偏低但是瓦斯壓力偏高的異常情況，所以對神隆煤礦進行瓦斯壓力的準確測定有重大意義，進而對礦井的瓦斯等級鑒定提供依據(jù)。

1 礦井概況

神隆煤礦采用的是斜井單水平開拓方式，水平標(biāo)高為+1 000 m。全井田劃為一個采區(qū)，井田采用由上而下的開采順序。由于9#、10#煤層距離比較近，所以作為一個煤組聯(lián)合布置。采用單一走向長壁綜合機械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

由于神隆煤礦9#煤層和10#煤層平均間距僅為1.27 m，局部0.5 m甚至合層，單獨測壓難度大，因此采用單獨測壓和聯(lián)合測壓相結(jié)合的方法。先測定10#煤層壓力(不穿透煤層)，然后再測定9#、10#煤層聯(lián)合壓力。

2 現(xiàn)場瓦斯壓力測定

2.1 封孔材料的選取

有角度的鉆孔一般采用水泥砂漿封孔。下向鉆孔孔底可以采用棉紗或者海帶等[7]，上向穿層鉆孔開口部分一般采用聚氨酯封孔，以承受上部水泥砂漿的重力，也有采用水—套管帶壓注漿封孔新技術(shù)[8]。本次孔口采用1 m長度聚氨酯封孔，上部用水泥砂漿封孔。

2.2 測定方法及步驟

選擇測定地點：選擇煤層沒有暴露、無地質(zhì)構(gòu)造且隔離巖柱垂直厚度超過5 m的巖巷，施工直徑φ75 mm以上的穿層鉆孔穿透煤層全厚。

安設(shè)測壓管：成孔后，在孔內(nèi)安設(shè)測壓管，用水泥砂漿對鉆孔進行封孔(封孔長度6 m以上)，如圖1所示。

封孔測壓：封孔材料經(jīng)24 h凝固后，在封孔管孔口安設(shè)截止閥和壓力表開始測壓；要求測壓的頭3天，每天記錄一次壓力表的讀數(shù)，以后每隔2～3天記錄一次壓力表的讀數(shù)，當(dāng)壓力表的壓力指示值連續(xù)3天沒有變化時，壓力指示值加上當(dāng)?shù)卮髿鈮毫礊槊簩釉纪咚箟毫Α?/p>

圖1 測壓鉆孔結(jié)構(gòu)及封孔方式示意圖(上向孔)

2.3 測定地點的選擇

瓦斯壓力測定時，在下組煤車場10 m、15 m處布置一組測壓鉆孔，在下組煤車場150 m、155 m處布置一組測壓鉆孔，鉆孔編號為1號孔和3號孔來測10#煤層瓦斯壓力，鉆孔編號為2號孔和4號孔來測9#+10#煤層的聯(lián)合瓦斯壓力，測點布置如圖2、圖3所示。

圖2 神隆煤礦9#、10#煤層測壓鉆孔位置平面圖

圖3 神隆煤礦9#、10#煤層測壓鉆孔剖面圖

2.4 測定結(jié)果

測壓方法采用水泥砂漿封孔自然恢復(fù)法，由于鉆孔長度較長，增加鉆孔的封孔長度來提高瓦斯壓力測定的準確性[9]。測試過程中，1號測壓孔封孔質(zhì)量問題，漏氣嚴重，顯示壓力為0；其它2、3、4#測壓孔正常，各鉆孔布置參數(shù)及瓦斯壓力測定結(jié)果見表1。

從表1可以看出，10#煤層的單獨壓力為1.8 MPa；2號測壓孔9#、10#煤層的聯(lián)合壓力為0.9 MPa，4號測壓孔9#、10#煤層的聯(lián)合壓力為2.2 MPa。

3 瓦斯壓力的影響分析

3.1 瓦斯壓力對瓦斯含量的影響

間接方法測定煤層瓦斯含量，包括計算煤層游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量2步，具體方法是在井下鉆孔實測煤層瓦斯壓力，并在實驗室測定煤樣的孔隙率、吸附等溫線和煤的工業(yè)分析結(jié)果，考慮煤中水分、溫度、可燃物百分比及瓦斯組分等影響因數(shù)，按郎繆爾方程計算

(1)

游離瓦斯含量根據(jù)氣體狀態(tài)方程求得

(2)

式中：Xy—煤的游離瓦斯含量，m3/ t；V—單位質(zhì)量煤的空隙容積，m3/t；P—瓦斯壓力，MPa；T0，P0—標(biāo)準狀況下的絕對溫度(273 K)與壓力(0.101 325 MPa)；T—瓦斯絕對溫度，T=273+t；t—瓦斯的攝氏溫度，℃；ξ-瓦斯壓縮系數(shù)。

煤中瓦斯含量是式(1)和式(2)結(jié)果之和。

X=Xx+Yy

(3)

根據(jù)上式(實測的煤層瓦斯壓力和煤的吸附等溫線)計算得該礦井瓦斯含量一般在8 m3/t以上，但是順層和穿層鉆孔測得的瓦斯含量均不超過4.5 m3/t，嚴重低于間接計算出來的瓦斯含量。在實測的瓦斯含量各組分濃度分析中，CH4濃度為70%左右，N2濃度為10%左右，CO2濃度很低，剩余10%～20%的氣體為未知氣體。在煤層瓦斯中，包括烴類氣體和非烴類氣體，烴類氣體主要是CH4，也含有一定的沒有裂解的重?zé)N類氣體；非烴類氣體為少量的CO2、N2、H2S等。因此煤層瓦斯中含有10%～20%的未知氣體為重?zé)N氣體。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，開采突出煤層時，瓦斯含量必須低于8 m3/t，并且根據(jù)井下瓦斯傳感器經(jīng)常報警的情況，由分析可知，是因為煤層中除了含有CH4之外，還含有其他烴類氣體，造成瓦斯含量超限。重?zé)N氣體爆炸極限(上限和下限)更大，所以礦井在瓦斯防治的過程中，必須注意其他烴類氣體的影響。

3.2 瓦斯壓力對煤與瓦斯突出危險性分析

采用煤層突出危險性指標(biāo)進行突出煤層鑒定的，應(yīng)當(dāng)將實際測定的煤層瓦斯壓力、煤的堅固性系數(shù)、煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度作為鑒定依據(jù)。全部指標(biāo)均處于表2所示臨界值范圍的，確定為突出煤層。

表2 判定煤層突出危險性單項指標(biāo)的臨界值及范圍

《瓦斯等級鑒定暫行辦法》規(guī)定：當(dāng)f≤0.3、p≥0.74 MPa，或0.3

4 結(jié)論

(1)神隆煤礦10#煤層的單獨瓦斯壓力為1.8 MPa，9#、10#煤層的聯(lián)合瓦斯壓力為2.2 MPa，由于9#、10#煤層聯(lián)合開采，聯(lián)合瓦斯壓力可以用于開采時的瓦斯壓力應(yīng)用工程實踐。

(2)神隆煤礦瓦斯含量中含有重?zé)N氣體，危險度較大，必須引起高度重視。

(3)在神隆煤礦進行煤層突出危險性鑒定以前，建議礦井按突出礦井管理。