涌水条件下的下向钻孔煤层瓦斯压力测定技术*

赵 晶

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013）

★煤矿安全★

涌水条件下的下向钻孔煤层瓦斯压力测定技术*

赵 晶1，2，3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013）

针对下向涌水钻孔煤层瓦斯压力测定的难点，通过两堵一注的水泥砂浆封孔技术使下向涌水钻孔形成良好的位于裂隙含水层以外的测压气室，较好地封堵裂隙含水层，消除其对瓦斯压力测定的影响。通过对测压钻孔周围瓦斯压力和水压力曲线分布的分析，结合现场封孔测压数据，确保了下向涌水钻孔煤层瓦斯压力测定结果的准确性。

涌水 下向钻孔 瓦斯压力 两堵一注封孔工艺 瓦斯压力恢复曲线

煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动所产生的作用力，应用较为广泛的是未受采动、瓦斯抽采及人为卸压等因素影响的原始煤层瓦斯压力，以此作为评价煤层突出危险性的首选指标。同时，煤层瓦斯压力还是决定瓦斯流动动力以及动力现象潜能的基本参数，在评价瓦斯储量、涌出、抽采、突出等问题中均具有指导意义。尽管封孔测压技术在我国已经比较成熟，但不能保证每次测压都能测得真实煤层瓦斯压力。钻孔施工过程中难免穿过含水层或裂隙含水层，在不能有效封堵涌水情况下，将影响压力数据的可靠性，甚至报废钻孔，造成人力、物力、财力和时间的极大浪费。因此，在现有普遍应用的封孔技术条件下，选择合理的钻孔施工方法及封孔工艺，通过分析含水测压孔压力恢复曲线，获得煤层较为真实的瓦斯压力具有现实意义。

1　概述

1.1矿井概况

山西朱家店煤矿井田南北走向长约4.5 km，东西倾斜宽约3.1～4.6 km，面积为17.152 km2，设计产量120万t/a，准采标高为+1099.99～+ 459.99 m。目前仅南翼一采区0401工作面正在回采，开采二叠系下统山西组4#煤层，山西组砂岩含水组为其直接充水含水层，矿井涌水量约100 m3/d。

1.2瓦斯涌出情况

0401工作面在回采过程中，揭露两条正断层，2014年3月12日风排瓦斯涌出量为2.6 m3/min；4月12日风排瓦斯涌出量为3.8 m3/min；4月21日风排瓦斯涌出量为5.5 m3/min。截止到2014年4月，该工作面已在本煤层抽放2年左右，实测工作残余瓦斯含量在3 m3/t左右，瓦斯异常涌出主要原因是邻近层瓦斯涌出造成的。考虑到0401工作面的实际情况，短期内难以实施下邻近层本煤层抽采，因此，在0401工作面前方各巷施工底板下向钻孔穿透各下邻近层至工作面下部，提前抽采深部裂隙瓦斯，防止遇构造或者工作面周期来压时瓦斯涌出量突然增大，同时施工底板下向钻孔观测下邻近层石炭系上统太原组6#煤层瓦斯压力，进一步探明6#煤层瓦斯赋存情况，为工作面回采期间的下邻近层抽放提供依据，0401回风巷探煤钻孔布置见图1。

1.3测压面临的问题

该矿地质情况较为复杂，4#、6#煤层之间围岩松软、易破碎，且施工下向钻孔时需穿过4#煤层底板的砂质泥岩和6#煤层顶板的石灰岩裂隙含水层，2个裂隙含水层岩溶裂隙较为发育，涌水量大，给6#煤层瓦斯压力的测定带来困难。为探明从4#煤层向6#煤层施工钻孔时的涌水情况，2015年3月30日，在0401回风巷施工一个探煤钻孔（见图1）。在接近6#煤层时钻孔涌水较大，涌水量约0.01 m3/min。

图1　0401回风巷探煤钻孔图

1.4下向孔压力恢复曲线类型

根据煤体裂隙承压水对测压的影响，下向孔瓦斯压力恢复曲线可分为以下3种:

（1）钻孔内仅有少量的裂隙水，水压对煤层瓦斯压力影响基本可以忽略，此时测压钻孔周围煤层瓦斯流动符合稳定径向流动，钻孔周围瓦斯压力符

合下列关系:

式中:Pb——煤层原始瓦斯压力，MPa；

P——钻孔周围瓦斯压力，MPa；

R0——钻孔半径，m；

Rb——原始瓦斯压力边界半径，m；

r——钻孔瓦斯压力影响半径，m。

从式（1）可以看出，煤层瓦斯压力恢复曲线符合双曲线规律。

（2）钻孔内有承压水，在测压初期主要表现为水压，在短时间内钻孔内压力达到恒定值，测压气室内水压与气压达到平衡时，主要表现为水压。水压先于瓦斯压力表现时，钻孔周围煤体内的水体流动符合达西定律，水流速度与水压符合以下关系:

式中:Pm——钻孔内水压力，MPa；

μ——水的绝对粘度，Pa·S；

Rm——钻孔周围水压最大半径，m；

K——煤层的渗透率，m2；

υ——钻孔周围水的流速，m/s。

从式（2）可以看出，测压钻孔压力恢复曲线与水压恢复曲线一致，前期水压与水的流速成正比，后期水压稳定在一定值，表现为 “厂”字型。

（3）钻孔内有少量承压水，水压与瓦斯压力共同影响压力恢复曲线:初期压力为瓦斯压力；中期钻孔内水逐渐涌出后，开始起主要作用，此时钻孔内压力恢复曲线表现为水压；瓦斯在裂隙中的流速要低于水流速度，后期在水压稳定后，钻孔内压力恢复曲线又表现为瓦斯压力。

通过以上分析可知，第一种类型的煤层瓦斯压力恢复曲线在压力值稳定后，即为真实煤层瓦斯压力；第二种类型的煤层瓦斯压力恢复曲线所示压力为钻孔内水压，此时瓦斯压力测压失败；第三种类型的煤层瓦斯压力恢复曲线在压力值稳定后，拆除压力表，根据从钻孔中放出的水量、钻孔参数等，对测定的结果进行修正，但对于水平及下向钻孔则不需要修正，即压力表读数可以认为是真实煤层瓦斯压力。

2　现有封孔技术分析

针对煤层瓦斯压力测定过程中钻孔涌水问题，国内外专家学者提出以下几种解决办法:

（1）钻孔涌水较小的情况下，用海带等遇水膨胀材料直接堵住水泥浆封孔，孔口用干水泥封堵，运用伯努利方程计算水压，间接计算瓦斯压力，此方法误差较大，测得数据仅供参考；

（2）当测压钻孔所穿含水层层位较浅、孔壁岩石裂隙不发育、出水点较少时，可采用一次注水泥浆封孔，此方法难以完全封堵渗水裂隙，给测压带来误差；

（3）当测压孔所穿含水层裂隙不发育但围岩出水点较多时，可采用全孔注浆-二次扫孔-注浆封孔法，因需要重新开孔，难以保持新开孔方向，易再次揭穿含水层或偏离原钻孔封堵裂隙有效半径之外，导致封孔堵水失败；

（4）有机高分子化合物封孔，此类材料在封堵含水钻孔时，易被钻孔内涌水冲散，导致封孔不均，达不到封孔强度及有效封孔长度。

（5）全孔下套管注浆，通过套管内扫孔，穿透目标测压煤层，此种方法能有效封堵钻孔内涌水，但其封孔工艺复杂，成本较高，现场应用较少。

上述几种方法均是从封堵钻孔涌水的角度出发，未考虑含水层或裂隙水均是不断补充的，如仅考虑在测压结束之后扣除静水压力的方法，仍然无法准确测得煤层瓦斯压力。在地质条件难以判明时，所选钻孔穿过含水层这种情况将导致钻孔大量涌水，根本无法进行瓦斯压力测定，因此，在测定瓦斯压力时，应尽量按照AQ/T 1047《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》选点的要求，选择岩体完备、远离采空区及受采动影响、无地质构造的地点开孔，这样钻孔所遇大多为裂隙水（裂隙含水层），此时采用水泥浆封孔堵水就能测得较为真实的煤层瓦斯压力。

3　下向涌水钻孔瓦斯压力测定

3.1钻孔施工工艺

该矿6#煤层顶板为石灰岩，钻孔涌水较大，涌水钻孔测压应准确掌握裂隙含水层位置，并将裂隙含水层控制在测压气室以外，再选定地点，以45°俯角，首先选用ø94 mm的钻头钻进至目标煤层顶板，此时退杆，换用ø75 mm的钻头穿透煤层，并进入目标煤层底板5 m，用于沉积下向钻孔煤渣。钻孔施工结束后，立即用压风吹洗钻孔，尽量排出钻孔内积水及煤渣。

3.2钻孔两堵一注封孔工艺

采用注浆泵进行水泥浆注浆封孔，在水泥浆中加入一定比例的速凝剂及膨胀剂，防止水泥浆凝固后因失水收缩产生裂隙，加速水泥自重抵抗气室内瓦斯压力。下向孔存在封孔水泥浆流入测压气室，易造成测压管筛孔段堵塞，为此在测压管筛孔前段焊接一个ø80 mm的圆盘，圆盘上方缠绕遇水膨胀的海带，将其一起伸入ø94 mm钻孔底部后，等海带充分吸收水分后，开始注浆。考虑到测压钻孔内涌水较大，该工艺需布设3根ø15 mm管，分别作为测压管、注浆管和排气管，如图2所示。

下向涌水钻孔注浆封孔工艺为:

（1）将带有海带堵头的测压管送入直径ø94 mm钻孔底部（测压目标煤层中部），穿过裂隙含水层；

（2）将注水泥浆管送入距ø94 mm钻孔底部约500 mm处固定，使其末端到海带堵头留有一定的注浆空间；

（3）在孔口送入500 mm长的排气管，并用海带将排气管、注水泥浆管、测压管捆绑好，一起送入距孔口300 mm处，用干水泥、速凝剂及少量的水封堵孔口；

图2　下向涌水钻孔封孔示意图

（4）孔口水泥凝固30 min后，通过水泥注浆管注浆，要求水灰比为3∶1左右，同时观察排气管情况，冒出水泥浆后停止注浆；

（5）水泥浆凝固24 h后在测压管端安装压力表。

3.3测压结果分析与探讨

采取上述技术对6#煤层进行煤层瓦斯压力测定，按照AQ/T 1047《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》选点的要求，在0401工作面回风巷150 m（Ⅰ测点）、300 m（Ⅱ测点）、500 m（Ⅲ测点）处布置3个测压点，每个测压点各布置2个测压钻孔，钻孔方位角均为338°，倾角为-45°，6#煤层测压钻孔主要参数及压力稳定结果见表1。在瓦斯压力测定过程中，多次观测钻孔无漏水漏气现象，从2015年4月20日-5月9日，通过20 d的观察记录，所有钻孔瓦斯压力最终稳定在一定值，瓦斯压力不存在先上升后下降的情况，说明所有钻孔封孔质量良好。

表1　6#煤层测压钻孔主要参数及压力稳定结果

图3　钻孔瓦斯压力恢复曲线

图3为钻孔瓦斯压力恢复曲线，根据前述3类压力恢复曲线的规律可知，2#、3#、4#及6#钻孔煤层瓦斯压力恢复曲线符合双曲线规律，符合前述第一种类型压力恢复曲线特征。测压结束后，拆卸压力表，从测压管喷出大量瓦斯，且基本无水及其他杂质，表明钻孔堵水及封孔测压质量良好，所测瓦斯压力为真实可靠；5#钻孔煤层瓦斯压力恢复曲线呈现先急剧上升后稳定的过程，压力表值表现为水压，符合第二种类型压力恢复曲线特征，可判断该钻孔封孔段未能有效封盖承压水范围，测压失败；1#钻孔煤层瓦斯压力恢复曲线在3 d内钻孔内压力达到恒定值0.25 MPa，此时表现为水压，3 d后的曲线符合双曲线规律，水压的影响不足以改变压力恢复曲线规律，可以认为近似符合第三种类型压力恢复曲线特征，由于此钻孔为下向孔，且同一个地点的两个钻孔（1#钻孔和2#钻孔）瓦斯压力比较接近，所测结果也为真实瓦斯压力值。

将所测6#煤层瓦斯压力（除5#测压孔失败外）与埋深进行回归分析得:

式中:P——煤层瓦斯压力，MPa；

H——埋深，m。

6#煤层瓦斯压力与埋深的关系如图4所示。结果表明，测压范围内的煤层瓦斯压力随埋深增加而增加，有较好的线性关系，进一步证明该方法测得煤层瓦斯压力的可靠性。

图4　6#煤层瓦斯压力与埋深的关系

经过以上分析，实测6#煤层最大瓦斯压力为0.63 MPa。

4　结论

（1）通过分析下向钻孔3种类型压力恢复曲线规律，结合现场下向钻孔的实测数据及煤层瓦斯压力与埋深的线性回归验证，确保了涌水条件下的下向钻孔煤层瓦斯压力测定结果的真实性和准确性。

（2）该封孔测压技术在下向涌水钻孔瓦斯压力测定过程中，多次观测钻孔无漏水漏气现象，钻孔封孔质量良好，测压结果稳定可靠，实测6#煤层最大瓦斯压力为0.63 MPa。可为下向涌水钻孔煤层瓦斯压力测定提供借鉴。

［1］ 许彦鹏，吴宽，李进.穿含水层下向钻孔瓦斯压力测定技术研究［J］.煤炭科学技术，2013（3）

［2］ 程远平，王海峰等.煤矿瓦斯防治理论与工程应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2010

［3］ 刘三钧，薛志俊，林柏泉.含水煤岩层瓦斯压力测定新技术［J］.中国安全科学学报，2010（10）

［4］ 刘三钧，林柏泉等.钻孔密封机理及新型煤层瓦斯压力测定技术研究［J］.中国煤炭，2009（10）

［5］ 刘明举，陈亮，曾昭友.基于压力恢复曲线的富水煤层瓦斯测压结果修正［J］.煤炭科学技术，2013（7）

［6］ 王国际，岑培山等.上倾角含水瓦斯压力测压孔压力恢复曲线分析［J］.煤炭科学技术，2010（3）

［7］ 郑万成，杨胜强，马伟.影响煤层瓦斯压力测定的因素分析［J］.煤矿安全，2009（4）

［8］ 胡东亮，周福宝等.影响煤层瓦斯压力测定结果的关键因素分析［J］.煤炭科学技术，2010（2）

［9］ 赵志法，张庆华，黄长国.下向穿松软煤层涌水钻孔测压技术研究［J］.矿业安全与环保，2008（5）

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

赵晶（1979-），男，山西原平人，硕士，工程师，主要从事矿井瓦斯治理与利用工程技术研究工作。

（责任编辑 张艳华）

国家科技重大专项（2011ZX05040-001 -007）