涌水條件下的上向穿層鉆孔瓦斯測壓修正方法

張蒙蒙，周 洋，舒龍勇，李宏艷，劉 學，崔 聰

(1.宿州煤電(集團)有限公司界溝煤礦，安徽 淮北 235100；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

0 引言

煤層瓦斯壓力是指在煤層孔隙、裂隙中存在的一種以甲烷為主的氣體，做自由熱運動時對煤壁產生的應力，其中煤層未受到采動，瓦斯抽采和卸壓等因素影響的煤層原始瓦斯壓力是瓦斯災害防治中的一項重要指標[1]。同時，煤層瓦斯壓力也是預測煤與瓦斯突出危險性的依據(jù)，是煤礦采取安全防治措施的前提，是保證礦井安全生產的基礎，因此準確地測出煤層瓦斯壓力尤為重要[2]。目前，煤礦測煤層瓦斯壓力多采用技術較成熟的鉆孔測壓方法，該方法是在巖巷或煤巷中向煤層打鉆孔，然后進行注漿封孔測壓或利用膠囊封孔器封孔測壓[3]。但由于受復雜的瓦斯賦存和地質構造等多種因素影響，測壓成功率仍然較低，上向孔的測壓成功率要高于下向孔，所以在條件允許的情況下應優(yōu)先選用上向孔測壓[4]。在上向孔測壓過程中，由于煤層圍巖中有時會富含水分或附近頂板有含水層時，往往通過巖石裂隙水會涌進測壓鉆孔氣室中，導致影響測壓準確性，在涌水較大時通常認為該鉆孔測壓失敗。因此，在現(xiàn)有封孔測壓技術的基礎上，通過分析上向孔含水測壓時孔內水壓對壓力讀數(shù)的影響，從而獲得真實的煤層瓦斯壓力，這具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

安徽界溝煤礦礦區(qū)東南以界溝斷層為界，與許疃煤礦接壤，西至李家斷層與五溝煤礦相鄰，南北兩翼均以10號煤層露頭為界，全井田東西長約5.89 km，南北寬4.78 km，面積為13.643 8 km2，核定生產規(guī)模1.40 Mt/a，準采標高范圍-275～-600 m。全井田總共劃分4個大采區(qū)：中央采區(qū)、東一采區(qū)、西一采區(qū)、西二采區(qū)。其中，西一采區(qū)服務年限為10 a，為新開拓采區(qū)，西一采區(qū)位于礦井中西部，采區(qū)范圍東至F6、F7斷層，與中央采區(qū)相鄰，西至F10斷層，與西二采區(qū)相鄰；南北兩側均以8-2煤層隱伏露頭線為界；南北長約3.00 km，東西寬約0.95 km，面積2.6 km2。目前正在進行西一采區(qū)位于二疊系下石盒子組內7-1煤層的7132工作面巷道掘進工作，二疊系下石盒子組砂巖裂隙承壓含水層為其主要充水水源，本區(qū)涌水量約為142 m3/h。

1.2 測壓面臨的問題

7132工作面是西一采區(qū)的第2個備采工作面，工作面內主要有SF26、SF28、SF29和F8 4個正斷層，巷道掘進期間，迎頭瓦斯均較小，最大瓦斯?jié)舛葹?.18%，當日風排瓦斯涌出量為0.81 m3/min，實測原始瓦斯含量在1.82～3.39 m3/t。為保證煤礦的安全生產，并為瓦斯綜合治理工作提供科學依據(jù)，需對7132工作面進行煤層原始瓦斯壓力參數(shù)測定，瓦斯壓力測試應首選上向穿層鉆孔測壓，所以在工作面煤層原始區(qū)域底板的巖層支巷中進行了穿層測壓工作。但在測壓過程中，由于該礦地質情況復雜特殊，7-1煤層厚度較薄，平均約為2.64 m，且煤層中一般不含水，而在煤層頂板有砂巖裂隙含水層，頂板巖性又以泥巖、砂巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，頂板裂隙中含水豐富，所以在測壓時頂板中的裂隙水便會滲進測壓氣室，絕大多數(shù)的測壓鉆孔就會出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，導致測壓失敗。所以為了探究上向穿層鉆孔測壓過程中水壓對表壓的影響大小，解決上向穿層鉆孔在涌水條件下測壓困難的問題，結合礦上現(xiàn)場條件開展了本次試驗研究。

2 上向穿層鉆孔含水測壓理論分析

2.1 上向穿層鉆孔周圍煤體水壓力

煤體是一種含有大量孔隙、裂縫和毛細管的多孔介質，水和瓦斯等流體借助相互貫通的孔隙、裂縫在煤體中進行流動，運移。由于不同流體具有不同的性質，通常瓦斯在煤體裂隙中的運移速度相對緩慢，而在測定煤層瓦斯壓力時涌進測壓氣室的水一般來自圍巖的裂隙水，裂隙水一般有水壓較大的特征，受較大壓力影響，水在孔隙、裂隙中的導通性增強，即煤層透水性也進一步增強，所以水在煤體裂隙中相對瓦斯流動更快，水壓會先于瓦斯壓力顯現(xiàn)出來。由達西定律可知，上向穿層鉆孔周圍煤體的裂隙水處于低雷諾數(shù)區(qū)，屬于線性層流，根據(jù)達西定律得出流體流速與壓力梯度的關系為[5]

(1)

對式(1)進行積分得

(2)

式中，p為鉆孔周圍水壓力，MPa；R為鉆孔周圍水壓有效影響半徑，m。由式(2)可知，鉆孔周圍水壓大小與水的流速呈線性關系。

2.2 上向穿層鉆孔周圍煤體瓦斯壓力

煤層中的瓦斯在煤體中的運移方式主要分為層流和擴散，層流運動主要位于煤體裂隙中，擴散運動主要發(fā)生在煤體孔隙結構的微孔中[3]。由于煤體孔隙結構中的擴散運動相對于整體的瓦斯流動影響過于微小，可以忽略不計，所以瓦斯在煤體中的流動可以只考慮層流運動的影響，層流運動特性符合達西定律[5]。

把煤體看做一種均勻介質，則煤層中鉆孔周圍的瓦斯壓力根據(jù)瓦斯在徑向作穩(wěn)定流動時的徑向流動公式[6]計算可得

(3)

式中，pw為煤層鉆孔周圍瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔瓦斯壓力，MPa；p0為煤層原始瓦斯壓力，MPa；rw為鉆孔周圍瓦斯壓力有效影響半徑，m；r1為鉆孔半徑，m；r0為煤層中瓦斯流動場的影響半徑，m。

由于測壓初期，鉆孔瓦斯壓力約等于測壓巷道內的大氣壓力，相對于煤層原始瓦斯壓力較為微小，則忽略鉆孔瓦斯壓力p1的影響后式(3)可以簡化為雙曲線方程

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(4)

2.3 煤層瓦斯?jié)B流到測壓氣室過程分析

在測定煤層瓦斯壓力時，瓦斯由煤層中高壓區(qū)域運移到測壓氣室有一個緩慢的過程，測壓氣室瓦斯壓力逐漸升高，最終與煤層原始瓦斯壓力相一致，所以認為測壓氣室測得最終的穩(wěn)定瓦斯壓力代表了煤層原始的瓦斯壓力[7-9]。

假設測壓氣室中的瓦斯為理想氣體，假設煤體中的溫度保持不變，恒定為T，則煤層瓦斯?jié)B流到測壓氣室的過程為

(5)

式中，Q為在煤層原始瓦斯壓力p0條件下，1 s內到達測壓氣室的瓦斯量，m3；l為測壓氣室長度，m。

測壓氣室中的瓦斯壓力為

(6)

式中，p2為標準大氣壓力，MPa；R1為摩爾氣體常數(shù)，8.314 472 J/(mol·K)；T為測壓氣室溫度，℃；t為時間，s；M為甲烷的分子量。

聯(lián)立式(5)和式(6)可以得到測壓氣室內瓦斯壓力p1與時間t的關系為

(7)

當鉆孔周圍有裂隙水涌入測壓氣室時，涌入測壓氣室內水的體積V0與時間t的關系式為

(8)

式中，V0為涌入測壓氣室內水的體積，m3；Q1為圍巖裂隙水涌入測壓氣室的流量，m3/s。

3 上向鉆孔煤層瓦斯壓力測定

界溝煤礦西一采區(qū)7-1煤層為非突出煤層，煤層傾角為5°～15°，煤層平均厚度2.64 m，7132工作面埋深360～424 m。7-1煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂巖為主，少量為粉砂巖，頂?shù)装逵泻畬樱翼數(shù)装辶严遁^發(fā)育，存在細小的導水通道，所以煤層頂?shù)装宕蟛糠謪^(qū)域都含水。在掘進過程中迎頭瓦斯整體較小，瓦斯?jié)舛炔怀^0.25%，同時也發(fā)現(xiàn)煤層頂板有淋水現(xiàn)象，但煤層中卻不含水，且煤質較軟，所以煤層與頂板間存在一層較薄的隔水層。在進行上向鉆孔測壓時，鉆孔中絕大部分都含水，其中有的存在涌水現(xiàn)象，為了弄清頂板水壓對測壓的影響，于是在7132工作面位于機巷下方巖層中的3號測壓巷道、運輸集中巷和位于運輸集中巷下方的4號測壓巷道中進行了試驗研究。

3.1 測壓鉆孔布置

按照煤層瓦斯壓力測定相關規(guī)范AQ 1047—2007《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》中的規(guī)定和要求進行測壓鉆孔的布置。

根據(jù)7132工作面生產采掘進度結合現(xiàn)場實際施工條件，首先在位于原始區(qū)域煤層下方的3號測壓巷道和4號測壓巷道中布置上向穿層測壓鉆孔進行測壓，然后等到工作面運輸集中巷掘進到4號測壓巷道上方煤層時再將測壓鉆孔布置在運輸集中巷中進行測壓，最后選取有效的測壓鉆孔進行對比分析。測壓鉆孔布置具體位置如圖1所示。

圖1 測壓鉆孔布置

3.2 兩堵一注封孔工藝

本次測壓鉆孔封孔采用的是囊袋式兩堵一注封孔工藝。在測壓鉆孔成孔后，將連接好的帶有囊袋、注漿管和返漿管的φ15 mm鍍鋅測壓管放入鉆孔內，保證第1個囊袋位于煤巖交界處，其中第1節(jié)測壓管為帶有篩眼的鍍鋅管，并且篩眼用細鐵絲網包裹，防止煤屑進入堵塞測壓管，放好后孔口用綁絲等固定住測壓管防止脫落。然后采用注漿泵通過注漿管對封孔段進行注漿，注漿材料為水泥漿，為了使封孔更加嚴密，提高封孔效果，往水泥漿中加入了一定量的速凝劑和膨脹劑，待注漿完畢后，用水泥漿等封堵固定好孔口。最后經過24 h水泥漿凝固后在安裝閥門和壓力表[10]。界溝煤礦上向穿層鉆孔含水測壓封孔示意如圖2所示。

圖2 上向穿層鉆孔含水測壓封孔示意

由于巷道的形成會對巷道一定范圍內的圍巖產生卸壓擾動影響，如果封孔深度過短且處于巷道的影響范圍內，所測的壓力就會受到圍巖裂隙的擾動影響，從而不能反映出真實的煤層原始瓦斯壓力。因此，測壓封孔的深度應超過測壓巷道的影響范圍，所以兩堵一注注漿封孔法的鉆孔封孔深度關系應滿足式(9)[11]

L封≥L1+Dcot|θ|

(9)

式中，L封為鉆孔封孔深度，m；L1為鉆孔所需最小封孔深度，m；L1應處于測壓巷道的卸壓圈外且L1≥12，根據(jù)調研礦井相關資料L1取15 m；D為鉆孔的直徑，m；θ為鉆孔的傾角，(°)；且5°≤|θ|≤90°。

3.3 煤層瓦斯壓力測定鉆孔參數(shù)

通過在3號測壓巷道和4號測壓巷道施工上向穿層鉆孔進行測定煤層瓦斯壓力，在運輸集中巷中施工上向穿層鉆孔和順層鉆孔分別測定頂板水壓力和煤層瓦斯壓力。測壓鉆孔從開孔到終孔鉆孔直徑為φ94 mm，封孔深度均超過巷道卸壓影響范圍，避免了巷道卸壓的擾動影響，穿層鉆孔應盡量垂直于煤層，順層鉆孔則應選在煤層較厚的地方順著煤層走向或傾向施工，測壓鉆孔傾角為鉆孔與水平面間夾角，煤層瓦斯壓力測定鉆孔參數(shù)見表1。

表1 煤層瓦斯壓力測定鉆孔參數(shù)

3.4 涌水條件下的上向穿層鉆孔瓦斯壓力測定結果及修正方法

在瓦斯壓力讀數(shù)結束后進行拆表，為了確定孔內測壓氣室氣體否受其他氣體影響，對孔內氣體取樣進行了氣體成分分析。根據(jù)表2中氣樣分析結果顯示孔內氣體主要成分為瓦斯，排除了其他氣體對表壓的影響，所以含水鉆孔壓力主要受瓦斯和水的影響。同時測量下含水鉆孔流出水的體積，結合頂板純水壓鉆孔測試結果，對鉆孔內水對表壓的影響進行修正。

對表2中2#和3#鉆孔，6#和8#鉆孔表壓進行分析，當鉆孔內水沒有完全充滿測壓氣室時，水對表壓的影響符合伯努利定律，所以當孔內水放完后沒有涌水現(xiàn)象且計算水的體積沒有完全充滿測壓氣室時，可根據(jù)下面公式對表壓進行修正。

(10)

式中，P0為煤層原始瓦斯壓力，MPa；P表為壓力表表壓，MPa；V0為涌入測壓氣室內水的體積，m3；d為測壓管的直徑，m；D為鉆孔直徑，m；l為測壓氣室長度，m；l1為測壓管的長度，m；θ為鉆孔的傾角，(°)。

(11)

對表2中1#、2#和4#鉆孔，5#、6#和7#鉆孔表壓進行分析，當鉆孔內水完全充滿測壓氣室，并且水一直流有涌水現(xiàn)象時，此時由于無法確定水頭高度以及水承受壓力大小，所以就不能根據(jù)伯努利方程只簡單的考慮水的自重影響來進行計算。由本次測壓結果分析可知，有涌水現(xiàn)象的含水鉆孔表壓為煤層瓦斯壓力與煤層頂板水壓力之和，利用本公式修正后的瓦斯壓力與實測煤層瓦斯壓力的絕對誤差小于0.03 MPa，這很好地說明了涌水條件下的上向穿層鉆孔瓦斯壓力修正方法的可靠性。所以遇到鉆孔有涌水情況時，只需向所測煤層頂板巖層中打一個水壓鉆孔測下純水壓力即可，然后根據(jù)下式對涌水條件下的表壓進行修正。

表2 上向穿層鉆孔瓦斯壓力測定結果及修正

當煤層頂板水壓鉆孔與測壓鉆孔開孔處位于同一層位時

P0=P表-P水

(12)

當煤層頂板水壓鉆孔與測壓鉆孔開孔處位于不同層位，具有高度差時

P0=P表-P水-0.01(H1-H2)

(13)

式中，P水為煤層頂板水壓力，MPa；H1為測壓鉆孔開孔處埋深，m；H2為煤層頂板水壓鉆孔開孔處埋深，m。

4 結論

(1)通過在有涌水現(xiàn)象的礦井進行上向鉆孔瓦斯壓力現(xiàn)場實測，分析實測瓦斯壓力數(shù)據(jù)結合孔內氣體成分分析，得出當涌入測壓氣室內的水沒有完全充滿測壓氣室時，水對表壓的影響符合伯努利定律，當涌入測壓氣室內的水完全充滿測壓氣室并且有涌水現(xiàn)象時所測的表壓為煤層瓦斯壓力與煤層頂板水壓力共同作用下的壓力。

(2)根據(jù)伯努利定律和通過向所測煤層頂板巖層中施工鉆孔測純水壓力對上向含水情況下的鉆孔瓦斯壓力進行了修正。采用本方法修正后的瓦斯壓力誤差較小，經過實測驗證絕對誤差小于0.03 MPa，說明本修正方法符合實際具有可行性，能夠真實準確地反映出煤層的實際瓦斯壓力。該方法解決了上向涌水條件下測壓難的問題，為類似涌水條件下測定煤層瓦斯壓力提供了借鑒和參考，具有一定的實際指導意義。