煤层瓦斯压力的测定及其分析

贾文青 ，刘中华 ，，胡耀青 ，常宗旭

（1.太原理工大学 阳泉学院，山西 阳泉 045000；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024；3.太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

煤层瓦斯压力的测定及其分析

贾文青1，刘中华1，2，胡耀青2，常宗旭3

（1.太原理工大学 阳泉学院，山西 阳泉 045000；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024；3.太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

煤层的瓦斯压力是矿井瓦斯基本参数之一，准确测定煤层瓦斯压力具有重要意义。测压过程主要包括：选择测定地点和测定方法、开掘钻孔、封孔以及压力的观测确实。压力分析是指采用适当的封孔材料经过特定的工艺以及计算，最终来防止瓦斯涌出。

瓦斯压力；钻孔；分析

煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直，煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量多少、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数，在研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽放与瓦斯突出问题中，掌握准确可靠的瓦斯压力数据最为重要。

1 煤层瓦斯压力测定过程

煤层瓦斯压力的测定原理是通过钻孔揭露煤层，安设测定仪表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。同一地点打两个测压钻孔，选择在进风系统、行人少且便于安设保护栅栏的地方，并且保证有足够的封孔深度，钻孔口之间的距离在其相互影响范围外，其见煤点的距离除石门测压外不小于20m，钻孔要避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围。

测压方法主要有固体材料封孔测压法、胶圈粘液封孔测压法和胶囊粘液封孔测压法，固体材料封孔测压法又分为：粘土封孔和注浆封孔。粘土封孔法简便易行，如果认真细致操作，可以测得较高压力，封孔后即可上压力表，不需等待固化时间，但是封孔管不能回收，费工费时（一般4人～5人封一个孔需要2 h～4 h），体力劳动强度较大，这种方法适宜封各种倾角的孔；注浆封孔对孔周岩体的裂隙也有一定的封堵作用，加之封孔长度大，所以测压的效果较好，测压器材也不能回收。胶圈粘液封孔测压法和胶囊粘液封孔测压法都是新型的测定煤层瓦斯压力的方法，只是胶囊的弹性大，与孔壁可全面紧密接触，密封粘液的性能优于胶圈，不仅适用于封岩石钻孔，而且也能封较硬煤层中的煤孔，这两种封孔器都可以回收复用，复用下井前，一定要在地面进行耐压、检漏试验，只有整个系统没有任何漏气、漏液现象才算合格，方可下井使用，地面上的严格检查是确保井下正常使用的前提，每一次下井使用之前，都必须在井上检查合格才行。

钻孔的开孔位置选在岩石（煤壁）完整的位置，保证钻孔平直、孔形完整，穿层测压钻孔宜穿煤层全厚，施工过程中要准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开始见煤长度及钻孔在煤层中长度，钻孔开钻时间、见煤时间及钻毕时间，施工好后应立即清洗钻孔，保证钻孔畅通。

钻孔施工后在24 h内完成封孔工作，封孔深度应超过钻孔施工地点巷道的影响范围，并满足：黄泥、水泥封孔测压法的封孔深度应不小于5m；胶囊—密封粘液封孔测定本煤层瓦斯压力的封孔深度应不小于10m；注浆封孔测压法的封孔深度不小于12m；应尽可能加长测压钻孔的封孔深度。并且保证测压气室长不小于1.5m。

2 煤层瓦斯压力过程分析

材料与孔壁产生的摩擦力以及孔壁四周的应力总和。因为孔壁四周的所有应力作用点相交于孔的中心，孔的上覆岩体的应力与地应力在数值上是相等的，所以应力处于平衡状态，以致于孔不会塌陷。顶应力和底应力的作用域为孔的中轴截面，它与孔壁表面积的比为1/π。

2.1采用粘土——水泥封孔测定

在距测压煤层一定距离的岩巷处打水平钻孔，穿入煤层，孔径取60mm，岩石坚硬且无裂隙，故钻孔长度取5m。在封孔时，每隔0.4m打入一木楔，长度为0.1m，由于水泥凝固时间较短，故在孔口处填堵0.5m的水泥，以紧固强化孔口。如此经过计算，共需9段粘土条，9块木楔，一段水泥条，共计5m。

1）测压导气管直径取10mm，其断面积相对于钻孔的1/36，再加上导气管与粘土的摩擦力和透气系数等，经过分析后，在计算封孔材料的摩擦力时要把测定误差计为3%。

取配比水后的粘土的密度为1 800 kg/m3，假定粘土与孔壁无缝粘合，则黏土的重力压强ρZY1为

粘土与孔壁是紧密无缝粘合的，所以粘土的摩擦面为孔壁内表面，因摩擦系数的大小取决于接触面的面积、接触面的接合性质和表面的粗糙程度，综合所有因素得出，粘土与孔壁之间的摩擦系数为μ=0.5。因此瓦斯压力克服的粘土摩擦压强ρNT为

一共有九段粘土，所以

取木楔的密度为800 kg/m3，假定木楔与孔壁紧密压实，则木楔的重力压强ρZY2为

木楔与孔壁紧密压实，取摩擦系数为μ=1.0。因此瓦斯压力克服的木楔摩擦压强ρMX为

一共有9块木楔，所以

孔口处有一段长为0.5m的水泥条，水泥具有一定的凝固时间，当水泥固化后，摩擦力很大，取μ=1.5，所以

煤层中的瓦斯压力需要克服粘土、木楔和水泥所产生的压强，所以此封孔方法可以封堵的瓦斯压力为

经过误差校正后，所得的压强修正值ρ1XZ为

2）假设孔的位置位于地面下300m处，则根据地质条件以、上覆岩体的自重以及岩体的性质，确定孔壁四周的总应力为顶应力与底应力之和。

取上覆岩体的平均密度为2 000 kg/m3。则顶应力 ρD为

作用于孔壁周围的总应力ρZ为

所以采用粘土——水泥封孔法，封孔深度为5 m时，可以测定的瓦斯压力在1.346MPa的范围内。此种方法的封孔深度在坚硬岩石中不宜超过10m，在软岩中可适当增加封孔长度。

2.2采用胶囊——密封粘液测定

此方法只能用于测定煤层中的瓦斯压力，而不能用于封堵钻孔。在测定瓦斯压力时，此法有其它方法无法比拟的优点，且测压设备可以回收，可以重复使用，且测定压力最为准确。打钻时，钻孔长度取10m，孔径取60mm。

它的封孔测压原理是用膨胀着的胶囊封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。在整个测定瓦斯压力的过程中，要总是保持胶囊中间高压粘液的压力大于煤层中的瓦斯压力，从而消除瓦斯向外泄漏，这样才可以使整个测定过程得以进行，比较准确地测定瓦斯压力。为了缩短测压时间，测压时可向孔内注气，停止注气后数日，压力表指示的稳定值就是所测的瓦斯压力。

在测定完毕后，需采用固体封孔材料封堵钻孔，或者是粘土--水泥封孔，或者是注浆封孔。

2.3 采用新型聚氨酯材料封孔

聚氨酯材料是新型的测定瓦斯压力的封孔材料，它具有使用方便、节省劳动力、以及造价低等优点，因此成为现在大多数钻孔封孔材料的首选，但同时它具有使用年限短、易发生意外等缺点。

此材料为高强度有机合成物，因此其与孔壁具有很好的粘结性，且自身重量轻，在计算时可不计自身压强。经过实验结果得出，聚氨酯材料与孔壁的摩擦系数为1.32。

同样取位于地面下300m处的钻孔，则孔壁总应力为3.743MPa。

ρM=3.743×1.32=4.941MPa.所以采用聚氨酯材料封孔时，可以克服的煤层瓦斯压力为4.941MPa。

2.4 采用注浆封孔测定

粘土—水泥封孔法测定瓦斯压力，比较费工费时且劳动强度大，为了克服上述缺点，在适当时候要使用注浆封孔法测定煤层中瓦斯压力，此法以压缩空气或水压机为动力，将水泥砂浆压入钻孔，是一种新型的封孔工艺。

1)此种方法适用于封倾角超过45°，深度大于15m的钻孔，这里取钻孔深度为15m，孔径取70 mm；封孔作业时，孔内除直径为10mm的测压导气管外，还要置入一根直径12.7mm长约1m的注浆管和一根直径12.7mm长度等于封孔长度的检查管。钻孔内径为4900mm2，导气管管径为100mm2，检查管和注浆管管径为161.29mm2，注浆管长度为1m，检查管为15m，则管径与孔径比为

η=（100+161.29+161.29/15）/4900=5.55%.

再加上管壁与水泥砂浆的摩擦因素以及系统误差，综合考虑分析，取误差系数为6%。

水泥砂浆的固化时间为2 d～3 d，固化前为流体状态，与孔壁摩擦力很小，仅是重力的几分之一，当其凝固后，摩擦系数迅速增加，最大时摩擦力可以达到重力的20倍，所以在水泥砂浆固化之间，要用压缩空气产生的压力来抵住瓦斯压力，以免瓦斯喷出。鉴于此钻孔的孔径稍大，因此取水泥砂浆固化后与孔壁的摩擦系数为1.5，砂浆固化后的密度为2000 kg/m3，砂浆的长度为15m，则砂浆的重压ρZY为

因为砂浆固化后与孔壁的摩擦系数为0.75，所以煤层与其压力克服固体砂浆的压强ρ2为

误差为6%，所以修正后的压强为

2)如前所述，孔壁总应力仍为3.743MPa。

所以采用注浆封孔法，封孔深度为15m，可以测定的瓦斯压力在3.222MPa的范围内，此种方法的封孔深度一般不受限制，故可以测定高瓦斯压力的煤层，并且结果也较为准确；缺点是造价比较高，且设备不可以回收。

3 煤层瓦斯压力测定结果讨论

综合以上三种测定瓦斯压力的方法，当煤层瓦斯压力较大时，比如达到3MPa、5MPa或者是更高，则适宜采用聚氨酯材料封孔法或注浆封孔法；当压力适中，在1MPa～3MPa时，则适宜采用粘土—水泥封孔法，此法虽费工费时劳动强度大，但造价较低，封孔设备也最为简单；当压力很小时，在1MPa以下时，采用胶囊—密封粘液封孔测定，此法测定最为准确，结果可信度最高，测定过程结束后，再采取粘土—水泥封孔法来封堵钻孔，以免瓦斯喷出。

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M easurement and Analysis of Coal Bed M ethane Pressure

JIAW en-qing1,LIU Zhong-hua1,2,HU Yao-qing2,CHANG Zong-xu3
(1.Yangquan Institute,Taiyuan University of Technology,Yangquan Shanxi045000；2.Mining Technology Institute of Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024；3.College ofMechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

As one of basic parameters of gas in mine,methane pressure is critical for accurate measurement.The process of pressuremeasurement includes:site and approach selection,borehole drilling,sealing,and pressure observation.The pressure analysis is to use specific technique with proper sealing materials and calculation in order to prevent the gas outburst.

methane pressure;borehole;analysis

TD712+.3

A

1672-5050（2011）10-0022-04

2011-04-12

国家自然科学基金资助项目(50874077)；山西省自然科学基金（2009011027-2）

贾文青（1966—），男，山西长治人，大学本科，讲师，从事工程力学方面的教学与研究工作。

徐树文