新型简易瓦斯压力测定技术研究

贾军萍许江涛张淦星

(1.山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局,山西省太原市,030045; 2.山西省煤炭工业厅综合测试中心,山西省太原市,030045)

新型简易瓦斯压力测定技术研究

贾军萍1,2许江涛1,2张淦星1,2

(1.山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局,山西省太原市,030045; 2.山西省煤炭工业厅综合测试中心,山西省太原市,030045)

通过对比瓦斯压力测定过程中各种封孔测压技术的优缺点,结合煤矿的实际情况,提出一种新型简易封孔测压技术,选取岩石完整的测点,避开采动裂隙构造带,利用水泥沙封前段孔,井下供水系统封堵后段孔及封堵裂隙,压风系统实现主动测压.该技术在申南凹煤矿现场进行测试,并与胶囊-压力粘液封孔测压进行对比,二者所测结果相同,但该封孔技术工艺简单,工人可操作性强,可大大缩短测压时间.

瓦斯压力 封孔 主动测压 瓦斯治理 注浆

随着我国社会经济的快速发展,对能源特别是煤炭的需求量不断增加.矿井的开采强度越来越大,浅部煤体资源日益枯竭,深井开采的矿井越来越多.随着开采深度的增加,煤层瓦斯压力越来越大、瓦斯含量越来越高.瓦斯成为制约矿井安全、高效生产的瓶颈.

煤层瓦斯压力是煤矿瓦斯治理工作的主要参考指标之一,煤与瓦斯突出鉴定、瓦斯涌出量预测、瓦斯地质图、瓦斯专项设计等都是基于瓦斯压力准确测定的基础上进行的.因此,准确快速地测定煤层瓦斯压力对及时合理制定瓦斯防治措施具有非常重要的意义.

1 煤层瓦斯压力测定现状

瓦斯压力测定的研究已经有30多年,最初采用黄泥(粘土)封孔和聚氨酯封孔,这两种封孔工艺简单易行,设备少,成本低,但封孔长度短;后采用水泥砂浆封孔,这种技术也比较简单,成本低,封孔长度长,但需要矿方有注浆泵,而且封堵裂隙效果有限;中国矿业大学周世宁院士提出胶囊-压力粘液测压封孔技术,这种技术密封效果好,其原理是固封液、液封气,但胶囊成本高,钻孔易出现塌孔,设备不易回收,造成资源浪费;杨胜强教授提出高压注水泥浆封孔,该方法能有效封堵整个钻孔的裂隙,但工艺复杂,需矿方购买高压注浆泵,而且需要有专门的技术人员指导.

2 新型简易封孔技术的提出

针对上述封孔工艺的不足,结合相关技术的优点,笔者提出一种简易的封孔方法,实现固封液、液封气、高压封堵裂隙的主动测压方法,能够准确、快速测定煤层瓦斯压力.简易封孔技术的试验操作如下:

(1)测压点的选择.测压点选择在岩石比较完整、地质构造单一的岩巷中进行,或在煤巷中打穿层孔,避开地质构造裂隙带、巷道的泄压圈及采动影响范围,保证有足够的封孔深度,选择仰角测压孔.

(2)钻机钻进.用孔径75 mm的钻头按选好的地点、方位角及倾角钻进,钻机钻进速度一定要慢,防止钻孔偏离设计方位,直至钻进煤层1.5～2 m时退出钻杆.

图1 新型简易封孔工艺示意图

(3)测压管的安装.用ø15 mm管作为测压管,每节1.5 m,在最前端采用1～2根筛孔管,并用纱网包起来,以防止钻孔里的煤岩屑堵住测压管,连接处用管箍链接,并缠生料带以加强气密性.

(4)水泥沙封前段孔.用水泥、沙子、速凝剂、清水按一定比例均匀混合,和成炮泥状,用细杆推入到钻孔里,并捣实,要求水泥沙捣实段不小于3 m,在捣实的过程中,多次改变测压管的位置.

(5)高压水封后段孔及封堵裂隙.等水泥沙凝固后,测压管管口安装1个三通,一边接测压管,一边装水压力表,另一边接阀门,煤矿井下的高压水管与阀门连接,通过控制阀门,高压水会通过测压管前段的筛孔充满整个钻孔,待水充满钻孔后会自动加压,高压水会通过水管本身的压力封堵钻孔孔壁周围的裂隙,压力表控制在5～8 MPa,注水持续30 min以上关闭水管并放出测压管内的水.

(6)待测压气室水放出后,卸下水压力表,换成气压力表,阀门处接高压风管往测压气室内注入高压气体,控制好阀门,等压力表气压高于预计瓦斯压力时关闭阀门,实现主动测压.

3 应用实例

山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司(以下简称申南凹煤矿)位于乡宁县城东北约15 km,属兼并重组整合矿井,矿井达到120万t/a批准生产能力时,最大绝对瓦斯涌出量为16.79 m3/min,最大相对涌出量6.65 m3/t,虽然达不到高瓦斯标准,但瓦斯已经成为该矿安全生产的关键问题.为准确测定申南凹煤矿1＃煤层的瓦斯压力,测压点选在了20103工作面运输巷道750 m处及850 m处,分别采用胶囊-压力粘液封孔及新型封孔工艺封孔.两种封孔工艺的压力测定曲线如图2所示.

图2 瓦斯压力测定曲线图

由图2可知,新型封孔工艺压力平衡时间较传统的胶囊—压力粘液封孔平衡时间明显缩短,最终得到相同的瓦斯压力值,说明新型封孔工艺能有效封堵裂隙,实现固封液、液封气、高压封堵裂隙的主动测压;采用新型简易封孔技术压力恢复阶段,开始压力升高,说明未卸压区的瓦斯继续向测压气室渗流,即压力衰减;当压力大于一定值时,压力开始通过煤体向已经泄压区域运移,即压力恢复;等压力恢复到接近煤体原始瓦斯压力时,压力基本保持不变,即压力平衡.

4 瓦斯压力测定过程中需注意的安全问题

(1)在送入钻孔测压管时,既要保证管路连接正常,又要注意安全,待管路全部送入钻孔后,用钢丝固定,防止测压管沿钻孔掉下伤人、损坏设备.

(2)测定瓦斯压力时,所选瓦斯压力表的量程应大于煤层预估计瓦斯压力,预估瓦斯压力值应占到压力表量程的60%左右.

(3)封孔结束后,封孔处悬挂警示牌,整个封孔及测压过程中工作人员必须站在孔口前方的侧面,严禁人员正对孔口,防止封孔段及测压管喷出.

(4)瓦斯测压结束后,打开三通上的阀门泄压,瓦斯泄压过程要缓慢,要求瓦检员在场,应注意检查瓦斯浓度,防止引起巷道瓦斯超限.

5 结论

(1)新型简易封孔技术工艺简单,利用水泥沙封前段孔,利用高压水封后段孔及封堵裂隙,利用压风系统主动测压,最终实现固封液、液封气、高压封堵裂隙的主动测压.

(2)通过新型简易封孔技术在申南凹煤矿现场试验,并与胶囊—压力粘液封孔技术对比,得出新型简易封孔技术工艺简单,工人可操作性强,缩短了测压时间.

(3)新型简易封孔技术压力恢复随时间的推移分为3个阶段,压力升高阶段,即压力衰减;压力降低阶段,即压力恢复;压力平稳阶段,即压力平衡.

(4)在瓦斯压力测定前,制定作业规程,做好相应的安全防范措施,确保测压工作顺利进行.

[1] 王海峰,程远平,吴冬梅等.近距离上保护层开采工作面瓦斯涌出及瓦斯抽采参数优化[J].煤炭学报,2010(4)

[2] 陈绍杰,朱建芳,陈学习.新型联合带压瓦斯抽放封孔技术及应用[J].中国煤炭,2013(12)

[3] 中梁山煤矿,重庆煤炭科学研究所.煤层长钻孔高压注水降尘试验[J].川煤科技,1973(1)

[4] 兰泽金,曲荣飞,陈学习等.直接法测定煤层瓦斯压力现状分析[J].煤矿安全,2009(4)

[5] 抚顺煤炭研究所,丰城矿务局.用聚氨酯封孔[J].煤矿安全,1982(4)

[6] 王建波,杨胜强,肖化金.聚氨酯封煤层孔在低瓦斯煤矿的应用[J].煤炭技术,2012(1)

[7] 何书建,张仁贵,王凯等.新型封孔技术在煤层瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术,2003 (10)

[8] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992

[9] 张淦星,杨胜强,展勇等.千米深井复杂地质条件下煤层瓦斯压力测定[J].矿业安全与环保,2015(3)

[10] 刘垒,杨胜强,陈凯.复杂地质条件下的煤层瓦斯压力测定[J].煤矿安全,2012(1)

(责任编辑 张艳华)

Research on new simple technique for measuring gas pressure

Jia Junping1,2,Xu Jiangtao1,2,Zhang Ganxing1,2
(1.Coal Resources Geology Bureau,Department of Shanxi Coal Industry,Taiyuan,Shanxi 030045,China; 2.General Test Center,Department of Shanxi Coal Industry,Taiyuan,Shanxi 030045,China)

By comparing the advantages and disadvantages of different borehole-sealing pressure measuring techniques during gas pressure measurement,this paper proposed a new technique,choosing complete rock measure point and keeping away from mining-induced fracture zone,that utilized cemented sand for sealing front hole,underground water supply system for sealing back end hole and fractures,and ventilation system for realizing active pressure measurement.This new technique was applied in situ test at Shennanao Mine,and compared with capsule-pressure grout sealing technique.The measurement outcomes of these two techniques were all the same,which verified that this new technique could be handled easily and reduce measuring time dramatically.

gas pressure,sealing hole,active pressure measurement,gas treatment,grouting

TD712.5

A

贾军萍(1964-),女,山西运城人,高级工程师,现在山西省煤炭工业厅综合测试中心从事技术管理工作。