穿含水层松软煤层瓦斯压力测定技术

陈学习，刘志强，陈 鹏

(1.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤层瓦斯压力是指煤层孔隙中所含游离瓦斯呈现的压力，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力是瓦斯涌出和突出的动力，决定了煤层瓦斯含量和涌出量的大小。准确测定煤层瓦斯压力对矿井有效而合理的防治瓦斯灾害、预测预报煤与瓦斯突出危险性、合理制定防突消突措施等均具有十分重要的意义[1]。

国内外学者对煤层瓦斯压力测定封孔技术进行了大量研究，按封孔方式大致分为三类：非带压封孔、“两堵一注”带压封孔和二次封孔。非带压封孔包括机械式封孔器封孔、水泥浆封孔和高分子发泡材料封孔等；“两堵一注”带压封孔包括有机-无机材料组合封孔、赛瑞压注式封孔、囊袋式封孔、“强弱强”封孔和气囊延时膨胀带压注浆封孔等；二次封孔可分为聚氨酯二次封孔和囊袋式二次封孔[2]。以上方法只适用于不穿含水层钻孔煤层瓦斯压力测定，对于有含水层影响的煤层瓦斯压力测定仍然是一个难题。随着矿井开采深度的延伸以及地质条件的复杂化，我国很多矿井煤层中均存在含水层，且含水层处于承压状态，通常使用的封孔方式很难排除承压水的影响，如果未能成功堵水，水将进入测压气室，充满测压管且被煤层吸收，抑制煤层瓦斯解吸和封存瓦斯，最终将测得水压而非煤层瓦斯压力，致使钻孔作废。井下测定煤层瓦斯压力时，测压钻孔造价相对较高，若无法准确测出该处煤层瓦斯压力，对人力、物力、财力和时间等将造成极大浪费，同时给矿井瓦斯治理工作带来困扰[3]，本文提出双级套管带压注浆封孔方式，应用该工艺对界沟矿72煤层进行的瓦斯压力测定试验结果表明,该工艺彻底填充了钻孔围岩裂隙、含水通道，使得测压钻孔坚固、稳定，排除了承压水对测压结果的干扰，并解除了由于钻孔垮塌对封孔测压方式适用的限制，准确地测出界沟煤矿72煤层的瓦斯压力[4]。

1 矿井概况

界沟煤矿隶属于安徽宿州煤电(集团)有限公司,位于安徽省濉溪县境内，东北距宿州市约35 km，北距淮北市约65 km，矿井核定生产能力为90万吨，目前矿井可采范围内-275～-600 m共获保有资源储量15794.6万吨，含各类煤柱6018.8万吨，其中工广煤柱1834.8万吨，防水煤柱2429.4万吨，断层煤柱1754.6万吨。

本井田3层主要可采煤层顶底板岩石力学性质测试资料表明：72煤层顶板绝大所数为泥岩，仅局部为少量的砂岩和粉砂岩，多属中等稳定-不稳定顶板；82煤层顶板主要为砂岩，少量粉砂岩和泥岩，多属中等稳定-稳定类顶板，2014年度经省经信委批准矿井瓦斯等级鉴定结果为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为4.72 m3/min，相对瓦斯涌出量为2.57 m3/t,最大绝对二氧化碳涌出量为5.80 m3/min，最大相对二氧化碳涌出量为3.16 m3/min。由于测试范围内无72煤层开拓开采巷道，因此本次压力测定利用目前东一采区8223底板抽放巷道进行穿层测试钻孔布置，钻孔过82煤层，穿过含水层施工至目标72煤层。

界沟矿地质条件复杂，82煤层煤质松软易跨落，过砂岩含水层，含水层岩溶裂隙发育，涌水量较大，给72煤层瓦斯压力测定带来困难，72、82煤层部分综合柱状图如图1所示。

图1 72、82煤层部分综合柱状图

2 穿松软煤层含水层瓦斯压力测定技术

2.1 基本原理

对于松软煤层,在测压钻孔施工后,卸压煤体容易收缩失稳,孔壁易出现垮塌现象[5]。穿松软煤层施工钻孔测定瓦斯压力极易造成煤壁垮塌,一方面可能会导致错误的技术判断,极易造成事故隐患，另一方面会造成封孔仪器被埋,使测压成本大大提高。当煤岩体含水时,水压将影响瓦斯压力的测定，使得测压结果不准确[6]。双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺，利用钢质套管对钻孔壁形成支撑作用，保护钻孔的完整形状；钻孔前端用胶囊封孔器形成密闭气室，孔口用聚氨酯进行二次封堵，钻孔中间通过高压注浆泵对套管内外壁全程注水泥砂浆，浆液凝固后在裂隙面上形成有机塑性网络骨架[7],充填破碎岩体细小裂缝,封堵、隔绝含水裂隙通道,使含水层变为隔水层，达到彻底封堵围岩裂隙、隔绝承压水对钻孔测压影响的目的。钻孔完成后的剖面图如图2[8]。

图2 双级套管带压注浆封孔钻孔剖面图

2.2 双级套管带压注浆封孔技术工艺

(1) 用直径φ127 mm钻头开孔，施工至82煤层顶板后退钻，清除孔内钻屑，将一级套管(φ108 mm)送入至孔底处固定，孔口套管外露0.5 m，然后在φ108 mm套管与孔壁之间导入一趟φ20 mm的注浆钢管，注浆管上安装控制闸阀，套管孔口安装闷盘，闷盘口留有安装压力表用的φ15 mm丝眼，套管与注浆管下置后，利用注浆泵高压对套管内外壁全程注入膨胀水泥砂浆。待孔内水泥凝固达到设计要求24小时后，卸除孔口闷盘用φ94 mmPVC钻头扫孔至到82煤前约2～3 m后，停止钻孔施工，退出钻具，孔口重新安装闷盘连接注浆泵向孔内注入清水进行耐压试验，试验压力取1 MPa，稳定30分钟，孔口周围不漏水，套管牢固不动为合格。

(2) 用直径φ94 mm钻头沿原钻孔中心继续钻进至72煤层底板，换压风吹净钻屑，退出钻杆，将二级套管(φ83 mm)送入至孔底处固定，然后进行高压注浆，凝固24小时后重复(1)耐压试验，钻孔孔口无漏水说明套管牢固合格。

(3) 两级套管试验合格后，用直径φ75 mm钻头扫孔钻进，钻进至72煤层顶板位置，然后采用胶囊—水泥浆—聚氨酯联合带压注浆封孔法进行煤层瓦斯压力的测定，双级套管带压注浆封孔技术工艺图见图3。

图3 双级套管带压注浆封孔技术工艺图

2.3 钻孔布置

由于测试范围内无72、82煤层开拓开采巷道，利用目前东一采区8223底板抽放巷道进行穿层测试钻孔布置，1号钻孔布置于8223底板抽排巷W46处(标高-472.5),2号钻孔布置于8223底板抽排巷XW29点以北20 m处(标高-477.3 m)，本次测压过程钻孔布置均按照《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》(AQ1047—2007)的要求，测压钻孔避开了地质构造断层带，并保证测压钻孔与其距离不小于50 m，钻孔参数见表1。

表1 测压钻孔参数

3 测压结果分析

本次测试1号钻孔使用“两堵一注”胶囊—聚氨酯封孔工艺，1号钻孔由于未能成功封堵含水层，在钻孔封孔后的第二天压力表数值迅速达到0.8 MPa，在观测钻孔压力表数值期间卸掉压力表发现测压管线中有水喷出，并且间隔半个小时，压力表又从0迅速增至0.8 MPa，说明单纯的胶囊—聚氨酯封孔工艺未能成功隔绝72煤层与82煤层之间的含水层，测压过程中水压参与并且影响了瓦斯压力的测定结果，测试钻孔瓦斯压力记录曲线如图4所示。

图4 1号测压试验孔压力变化曲线

2号钻孔使用双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺，在封孔后观察记录瓦斯压力变化期间多次检测，均未发现钻孔有漏水漏气现象，通过20 d的观测，2号钻孔瓦斯压力最终稳定在0.5 MPa，观察发现2号钻孔瓦斯压力随时间变化规律符合钻孔煤层瓦斯解吸规律，且该恢复曲线较好地表现了气体的可压缩性，2号钻孔压力稳定后，安全卸除压力表时，测压管中无涌水。因此判定2号钻孔所测压力为该处的煤层瓦斯压力。

4 测压结果验证

本次测压结果利用含量反算压力来进行验证[9]，反算过程如下：

煤层瓦斯含量包括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量；在计算中，一般应分别进行计算。

(1) 煤的游离瓦斯量

式中：

V—单位重量煤的孔隙容积，m3/t；

P—瓦斯压力，MPa；为未知量

T0、P0—标准状况下绝对温度(273 K)与压力(0.101325 MPa)；

T—瓦斯绝对温度，K；

ξ—瓦斯压缩系数；

Xy—煤的游离瓦斯含量，m3(标准状态下)/t(煤)。

(2) 煤的吸附瓦斯含量

(1)

式中：

a、b—吸附常数；

b、p—煤层瓦斯压力，MPa；未知量

t0—实验室测定煤的吸附常数时的实验温度，℃；

t—煤层温度，℃；n—系数，按下式计算：

A、W—煤中得灰分和水分，%；

Xx—煤的吸附瓦斯含量，m3(标准状态下)/t(煤)；

(3) 煤的瓦斯含量

煤的瓦斯含量等于游离瓦斯含量与吸附瓦斯含量之和，故而有：

(2)

式中：

X——煤层原始瓦斯含量，m3/t，其余符号意义同前；

表2 测压点瓦斯参数

利用煤层瓦斯含量间接计算法计算出煤层瓦斯压力，对双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺测定的煤层瓦斯压力结果进行检验，计算结果为0.6 MPa。煤层瓦斯压力的真实测定结果0.5 MPa，分析误差接近20%的原因在于煤层瓦斯含量测试取样过程中，所取煤样含水，在井下未能充分解吸，以及在实验室解吸过程中损失量计算有一定的误差，综合对比发现，计算结果与测试结果基本相符，因此，可以判断利用双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺测定的煤层瓦斯压力能够有效封堵含水层裂隙，并能准确测定煤层瓦斯压力。

5 结论

(1) 对国内外瓦斯压力测定封孔方式分析发现，大多数封孔工艺对于含水层测压存在封堵含水层裂隙困难的问题，在煤层含水的情况下无法准确测出煤层瓦斯压力。

(2) 针对界沟煤矿72煤层与82煤层间存在砂岩含水层影响煤层瓦斯压力测定结果的难题，分别利用“两堵一注”胶囊—聚氨酯封孔工艺和双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺进行试验。

(3) 单纯的胶囊—聚氨酯封孔工艺由于水压影响测得0.8 MPa的压力，双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺测得界沟矿72煤层纯瓦斯压力为0.5 MPa。

(4) 利用双级套管带压注浆联合胶囊—聚氨酯封孔工艺，可以有效封堵围岩含水层裂隙，消除传统测压方法受复杂地质条件影响、无法保证测压成功率的现象。

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，1992.

[2] 陈学习，刘志强，等.煤层瓦斯抽采封孔技术现状分析[J].华北科技学院学报，2016，13(3)：1-6.

[3] 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，2013，41(3)：66-69.

[4] 王法凯,蒋承林.双套管带压注浆技术在瓦斯压力测定中的应用[J].工矿自动化，2010,9:6-8.

[5] 李波，李长松，等.套管带压固结封孔技术在瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术，2009,37(3)：34-36.

[6] 李小明，李辉，等.长套管带压封孔测压技术及应用[J].煤炭技术，2014,33(06)：30-32.

[7] 刘三均，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，2010,20(10):97-100.

[8] 张瑞林，刘晓，贾金峰.围岩含水条件下穿层测试瓦斯压力的封孔工艺[J].煤矿安全，2008,39(7):17-19.

[9] 曲荣飞，兰泽全.间接法测算煤层瓦斯压力现状[J].煤矿安全,2009(8):86-89.