張金山 王政偉 周連春 王瑞智 孫寶雷

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)

★煤礦安全 ★

注漿封孔法測定煤層瓦斯壓力在平溝煤礦的應(yīng)用

張金山 王政偉 周連春 王瑞智 孫寶雷

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)

介紹了煤層瓦斯壓力測定中的注漿封孔工藝,并在平溝煤礦的9#、10#、16#煤層進行了現(xiàn)場應(yīng)用,得出了各煤層的瓦斯壓力隨煤層底板等高線變化的擬合曲線以及各煤層瓦斯梯度,結(jié)果表明,9#、10#、16#煤層的瓦斯壓力梯度分別為0.0484 MPa/100 m、0.1255 MPa/100 m、3.162 MPa/100m。

注漿封孔法 煤層瓦斯壓力 瓦斯梯度 平溝煤礦

AbstractThe authors of this paper present an account about the grouting for hole sealing technology designed for use in testing coal seam methane gas pressure.This technology is put to actual application in#9 coal seam,#10 coal seam and#16 coal seam in Ping’gou Coal Mine. This application produces the fitting curve of methane pressure in different coal seams that changes with the coal seam floor contour as well as every coal seam’s mine gas gradients.The results show that the mine gas pressure gradients are 0.0484MPa/100m,0.1255MPa/100m and 3. 162MPa/100m,respectively.

Key wordsgrouting for hole sealing method,coal seam gas pressure,gas gradient,Ping’gou Coal Mine

煤層瓦斯壓力是指煤孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力,即氣體作用于孔隙壁的壓力。它是煤層瓦斯賦存與涌出的最基本的參數(shù),在研究煤與瓦斯突出、瓦斯涌出和瓦斯抽采時,煤層瓦斯壓力是非常重要的基本參數(shù)之一。煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量的主要因素,當(dāng)煤的吸附瓦斯能力相同時,煤層瓦斯壓力越高,煤中所含瓦斯量也就越大。它不僅決定著煤層瓦斯含量與涌出量的大小,而且對于合理地進行通風(fēng)設(shè)計起著重要的作用。因此,準(zhǔn)確測定煤層瓦斯壓力是十分必要的。

1 煤層瓦斯壓力測定

目前測定煤層瓦斯壓力的方法有兩種,一是間接測定方法,二是直接測定方法。間接測定煤層瓦斯壓力方法是根據(jù)煤層瓦斯流動規(guī)律、煤層透氣性系數(shù)、瓦斯解吸規(guī)律、煤層瓦斯含量系數(shù)曲線以及在測壓地點附近測定的煤層瓦斯涌出量或統(tǒng)計采掘中的涌出量等參數(shù),通過計算,推測出該地點的瓦斯壓力;利用直接測定法進行煤層瓦斯壓力測定時,先用鉆機由巖層或煤層巷道向預(yù)定測量煤層瓦斯壓力的地點打1個鉆孔,然后在鉆孔中放置測壓裝置,再將鉆孔嚴(yán)密封閉堵塞并將壓力表和測壓裝置相連來測出瓦斯壓力。直接測壓法的技術(shù)關(guān)鍵是鉆孔封閉的質(zhì)量,其封孔方法可分為填料法和封孔器法兩類。根據(jù)封孔器的結(jié)構(gòu)特點,封孔器又可分為膠圈、膠囊和膠圈—粘液等幾種類型。

此次在平溝煤礦進行9#、10#、16#煤層瓦斯壓力測定是按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MT/T638-1996《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》的規(guī)定進行,采用注漿封孔測壓法 (填料封孔法的一種),見圖1和圖2。封孔材料采用水泥漿或馬麗散。

1.1 測壓地點選擇

進行煤層瓦斯壓力測定時,最好在距煤層一定距離的巖石巷道打穿層鉆孔進入煤層進行測定。測定地點還要盡量避開大的斷層、褶曲、裂隙帶以及其它地質(zhì)構(gòu)造帶,鉆孔周圍煤層應(yīng)處于原始狀態(tài),且需保證鉆孔的巖石段完好。具體操作應(yīng)根據(jù)礦井開拓布置、煤層賦存情況和井下風(fēng)、水、電等實際條件來選擇確定。

根據(jù)平溝煤礦巷道布置情況,目前沒有適合布置9#煤層瓦斯壓力測點的巖巷。所以,此次9#煤層瓦斯壓力測定所有測點均布置在本煤層巷道,利用本煤層鉆孔進行測定。

1.2 測定方法

如圖1和圖2所示,進行瓦斯壓力測定時,首先在鉆場內(nèi)向測壓煤層打鉆孔,穿透煤層全厚,鉆孔打至煤層頂板 (或底板)500mm處。鉆孔施工好后,立即清洗鉆孔,保證鉆孔暢通,然后插入測壓管至預(yù)定的深度,再用木塞將鉆孔嚴(yán)密封閉,用泥漿泵 (或可控式注射儀)向孔內(nèi)注入預(yù)定量的水泥漿 (或馬麗散)。封完孔24 h后,在測壓管上安裝壓力表,并定期觀測壓力值,待壓力升至最高值并穩(wěn)定5 d后,壓力表指示的即為煤層瓦斯壓力。測壓管選用4分管,封孔材料為水泥漿或馬麗散。

2 瓦斯壓力測定結(jié)果

按照上述方法,分別對9#、10#及16#煤層的瓦斯壓力進行測定,各測定鉆孔參數(shù)及瓦斯壓力測定結(jié)果見表1。

表1 瓦斯壓力測定鉆孔施工布置參數(shù)及測定結(jié)果表

3 各煤層瓦斯壓力梯度

通過對煤層瓦斯壓力測定結(jié)果分析得出,在同一礦區(qū)地質(zhì)條件基本不變的情況下,瓦斯帶內(nèi)煤層的瓦斯壓力隨著深度的增加而增大,二者呈線性關(guān)系。通常煤層瓦斯壓力隨深度的變化程度用瓦斯壓力梯度來表示。瓦斯壓力梯度是指煤層賦存深度每增加100m時瓦斯壓力的平均增加值,一般采用下式計算。

式中:C——煤層瓦斯壓力梯度,MPa/100m;

P1、P2——在煤層底板標(biāo)高 H1、H2處的瓦斯壓力,MPa;

H1、H2——煤層瓦斯壓力值為 P1、P2時測壓點的煤層底板標(biāo)高,m。

3.1 9#煤層瓦斯壓力梯度

對9#煤層瓦斯壓力的測定是通過在中組煤軌道下山的兩個不同地點各設(shè)兩個測點進行的,分別測定出煤層底板標(biāo)高1031.87 m和990.55 m處的煤層瓦斯壓力,測定結(jié)果見表1。

由表1可知,9#-1和9#-4鉆孔的瓦斯壓力測定值小于同標(biāo)高點。由于這4個測點均是在煤層中封孔進行測定,故推斷9#-1和9#-4測點由于封孔段處在裂隙范圍內(nèi)導(dǎo)致鉆孔漏氣,故在進行瓦斯壓力梯度計算時,將它們作為不可靠測值,不參與瓦斯壓力梯度計算。剔除不可靠數(shù)據(jù)后,對瓦斯壓力測定結(jié)果進行線性回歸,得出9#煤層瓦斯壓力隨煤層底板標(biāo)高的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 9#煤瓦斯壓力隨煤層底板標(biāo)高的變化規(guī)律

從圖3中可以看出,9#煤層瓦斯壓力隨煤層底板的降低而升高,其關(guān)系式為:

式中:P——煤層瓦斯壓力,MPa;

H——煤層瓦斯壓力值為 P值時測壓點的

煤層底板標(biāo)高,100m。

由式2和圖3可以看出,圖3中所擬合出的直線的斜率即為9#煤層的瓦斯壓力梯度,故9#煤層的瓦斯壓力梯度為0.0484 MPa/100m。

3.2 10#煤層瓦斯壓力梯度

對10#煤層瓦斯壓力的測定,是通過在中組煤軌道下山的兩個不同地點各設(shè)兩個測點進行的,分別測定出煤層底板標(biāo)高+1027.31 m和+995.44 m處的煤層瓦斯壓力,測定結(jié)果見表1。由測定結(jié)果可以看出,10#-1和10#-4測定鉆孔的瓦斯壓力測定值小于同標(biāo)高點,這是由于封孔段處在裂隙范圍內(nèi)導(dǎo)致鉆孔漏氣,故在進行瓦斯壓力梯度計算時,將它們作為不可靠測值,不參與瓦斯壓力梯度計算。剔除不可靠數(shù)據(jù)后,對瓦斯壓力測定結(jié)果進行線性回歸,得出10#煤層瓦斯壓力隨煤層底板標(biāo)高的變化規(guī)律 (見圖4)。從圖中可以看出,10#煤層瓦斯壓力隨煤層底板的降低而升高,其關(guān)系式為:

式中符號意義同前。

圖4中所擬合出的直線的斜率即為10#煤層的瓦斯壓力梯度,故 10#煤層的瓦斯壓力梯度為0.1255 MPa/100m。從表1中的測定結(jié)果還可以看出,10#煤層的瓦斯壓力小于同標(biāo)高范圍內(nèi)的9#煤層的瓦斯壓力,這主要是由于受到了本礦現(xiàn)有條件的限制。

10#煤層的瓦斯壓力測定地點處于9#煤層的開采影響范圍內(nèi),9#煤層的開采使10#煤層的瓦斯部分釋放,所測定10#煤層的瓦斯壓力為其殘存瓦斯壓力。

圖4 10#煤瓦斯壓力隨煤層底板標(biāo)高的變化規(guī)律

3.3 16#煤層瓦斯壓力梯度

對16#煤層瓦斯壓力的測定,是通過在聯(lián)絡(luò)巷、1401軌道下山下 60 m、1401軌道下山下344 m和1401帶式輸送機巷距停采線180 m的4個不同地點各設(shè)兩個測點進行的,分別測定出不同煤層底板標(biāo)高處的瓦斯壓力,測定結(jié)果見表1,由測定結(jié)果可以看出,16#-1和16#-2測定鉆孔的瓦斯壓力僅為0.1 MPa和0.12 MPa。相關(guān)研究表明,當(dāng)瓦斯壓力低于0.15 MPa時,煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi),故可以認(rèn)為16#-1和16#-2測點處的16#煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi),所以其瓦斯壓力很低。因此,在進行瓦斯壓力梯度計算時,這兩個測定值不參與瓦斯壓力梯度計算。對其余的瓦斯壓力測定結(jié)果進行線性回歸,得出16#煤層瓦斯壓力隨煤層底板標(biāo)高的變化規(guī)律,如圖5所示。從圖中可以看出,16#煤層瓦斯壓力隨煤層底板的降低而升高,其關(guān)系式為:

式中符號意義同前。

圖5 16#煤瓦斯壓力隨煤層底板標(biāo)高的變化規(guī)律

圖5中所擬合出的直線的斜率即為16#煤層的瓦斯壓力梯度,故 16#煤層的瓦斯壓力梯度為3.162 MPa/100m。

4 瓦斯壓力測定結(jié)果分析

平溝煤礦采用下行開采,采掘巷道布置在煤層內(nèi),目前沒有合適的地點打穿層鉆孔測定9#煤層的瓦斯壓力,所以其測壓鉆孔均布置在本煤層內(nèi),采用馬麗散封孔進行測定。在煤層內(nèi)進行瓦斯壓力測定結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于煤層裂隙的發(fā)育狀況,9#-1及9#-4鉆孔的瓦斯壓力值遠小于同標(biāo)高測點,這是由于9#煤層測壓孔的封孔段處存在裂隙導(dǎo)致鉆孔漏氣,致使瓦斯壓力值偏小,因此在進行瓦斯壓力梯度計算時這兩個值不參與計算。

10#煤層的瓦斯壓力測定是通過從9#煤層打下向穿層鉆孔進行,但由于10#煤層與9#煤層的層間距平均只有4.35 m,該測壓鉆孔附近的10#煤層瓦斯已經(jīng)部分釋放,所以瓦斯壓力較低。尤其是10#-1及10#-4鉆孔的瓦斯壓力值比同標(biāo)高測點低很多,很可能是鉆孔與較大的裂隙溝通,導(dǎo)致瓦斯泄露,在進行10#煤層瓦斯壓力梯度計算時這兩個值也不參與計算。

16#煤層的測壓鉆孔是從14#煤層打下向穿層鉆孔進行,16#煤層與14#煤層的層間距平均為10.75 m,是較為理想的瓦斯壓力測定地點,其測定結(jié)果與煤層底板標(biāo)高呈較好的相關(guān)性。16#-1和16#-2測值較小,是由于這兩個測點處于風(fēng)化帶內(nèi)。

5 結(jié)論

本文采用煤層瓦斯壓力測定中的注漿封孔工藝,分別準(zhǔn)確測出了平溝煤礦的9#、10#和16#煤層的瓦斯壓力,為類似煤礦煤層瓦斯壓力的測量提供了借鑒。煤層瓦斯壓力是礦井瓦斯基本參數(shù)之一,它對于確定平溝礦煤層瓦斯含量,進行礦井瓦斯涌出治理、瓦斯抽采以及煤與瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意義。

[1]馬丕梁.煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)手冊 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007

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

[3]周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1997

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Application of grouting-hole-sealing for coal seam methane pressure testing in Ping’gou Coal Mine

Zhang Jinshan,Wang Zhengwei,Zhou Lianchun,Wang Ruizhi,Sun Baolei
(School of Mining Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou, Inner Mongolia autonomous region 014010,China)

TD712.3

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張金山 (1959-),男,教授,主要從事采礦工程的教學(xué)及研究工作。