长距离、多煤层瓦斯压力测定技术的应用

王国飞，石 军

(汾西矿业集团 双柳煤矿，山西 吕梁 033000)

煤层瓦斯压力是煤与瓦斯突出的动力。准确测定煤层瓦斯压力对矿井合理制定瓦斯防治措施,预测预报煤与瓦斯突出的危险性, 都具有重要意义。一直以来, 国内外测定煤层瓦斯压力都是从岩巷向煤层打钻孔, 用黄泥、砂浆等材料封孔。这种方法适用于封孔段坚硬致密的岩层, 但是当钻孔内出现涌水量较大及煤层间距较近的情况, 测出的瓦斯压力值往往低于真实的煤层瓦斯压力, 极易造成安全隐患。因此, 双柳煤矿与中国矿业大学合作提出了长距离测压钻孔封孔、近距离煤层测压封孔和封堵含水层测压封孔技术。

1 矿井概况

1.1 矿井基本情况

双柳煤矿位于山西省柳林县西北部的孟门镇，行政区划属吕梁市柳林县管辖。井田呈长方形，南北走向长4.70～5.05 km，东西倾斜宽4.45～7.45 km，面积29.607 2 km2. 批准开采3#、4(3+4)#、8#、9(8+9)#煤层，目前开采4(3+4)#煤合并层。

1.2 矿井下组煤基本情况

下组煤二采区沿8#煤分别布置轨道下山、回风下山，沿9#煤层布置带式运输机下山，下组煤正在进行大巷延伸，还未形成采掘工作面。本次瓦斯压力测定主要针对下组煤8#和9(8+9)#煤层。

下组煤巷道距离上组煤巷道平均距离69.5 m，距离较大；主要含水层为L1～L5薄层石灰岩及少量砂岩层，灰岩的平均厚度30.64 m. 据双柳井田补充勘探试验资料，矿井顶板充水水源主要来自石炭系上统太原组L1～L5灰岩水。2010—2013年，双柳煤矿在下组煤实施太灰水探放工作，施工了多处太灰疏放孔，疏放太灰水量总计176.90万m3.

2 煤层瓦斯压力测定

煤层瓦斯压力是煤层发生突出的动力之一。因此，准确测定煤层瓦斯压力对于煤层的突出危险性预测十分重要。

2.1 瓦斯压力测定原理

煤层瓦斯压力测定的原理：由底板(顶板)巷道向煤层施工一钻孔，穿过煤层，在钻孔内布置一根瓦斯管，封孔后在煤层内形成测压室。上表后，测压室周围无限大空间煤体内的瓦斯不断向测压室运移，保证封孔后凝固时期逸散的瓦斯得以补充，孔内测定的瓦斯压力接近煤层的原始瓦斯压力。

2.2 下组煤瓦斯压力测定存在的问题

双柳煤矿在进行下组煤水平延伸前，须按照《防突规定》要求布置测点，测定瓦斯压力进行开拓前的区域预测，由于下组煤只在浅部施工有3条主要大巷，测压存在以下问题：

1) 下组煤巷道距离上组煤巷道59.79～75.11 m，平均69.5 m，距离较大，下向钻孔封孔测压存在一定难度。

2) 施工测压钻孔过程中需穿过太原组灰岩含水层，根据相关地质资料可知，太原组灰岩含水层涌水量可达30 m3/h，涌水会对测压产生影响，测压前须对出水的测压钻孔进行封堵。

3) 区域突出危险性预测需分别对8#和9(8+9)#煤层进行测压，由于8#、9(8+9)#距离较近(层间距0.7～12.01 m)，测压时须排除这两层煤之间的相互干扰。

3 瓦斯压力测定技术

3.1 长距离、多煤层瓦斯压力测定技术

针对下向钻孔施工距离远封孔测压困难，设计加工了专门的测压装置，见图1.该装置包括测压单元以及用于封堵测压孔的封孔单元。测压单元包括压力表和泄压阀；封孔单元包括筛孔管、软管、固定件，软管的一端与测压单元连通，软管的另一端与筛孔管连通。封孔测压时将封孔单元送入测压孔内，固定件在重力作用下将软管和筛孔管下放至测压孔内的目的位置，然后进行初次注浆，浆液初步凝固，形成初次注浆层，并将孔口用水泥浆液封堵，最后在初次注浆层和孔口封堵层之间进行二次注浆，形成二次注浆层，待水泥浆完全凝固膨胀后形成密封注浆层；开启测压装置，实现测压孔内煤层瓦斯压力的测定。将封孔单元下放，可实现长距离封孔。测压钻孔施工过程中需穿过含水层，若有水涌出时，采取注浆堵水的方法钻孔和含水层。针对双柳煤矿8#、9(8+9)#距离近需要分别测压的问题，在进行9(8+9)#煤层测压钻孔施工时，采用注浆封堵8#煤层裂隙，测定9(8+9)#煤层瓦斯压力。

3.2 8#煤层瓦斯压力测定方法

8#煤层压力测定具体流程：1) 施工下向孔，硬岩处退钻。2) 下套管至孔底。3) 向钻孔内压注水泥固孔，扫孔试压。4) 换94 mm钻孔从套管内扫孔至孔底，再继续钻进至含水层。5) 若有水涌出时，采取注浆堵水的方法把钻孔和含水层隔离开，排除含水层的水压对煤层瓦斯压力测量的影响，之后扫孔钻进至8#煤层。6) 下放钻孔测压装置后进行封孔测压，并观测压力变化情况。压力测定示意图见图2.

图1 煤层瓦斯压力测定装置示意图

图2 8#煤层压力测定示意图

3.3 9(8+9) #煤层瓦斯压力测定方法

9(8+9)#煤层压力测定具体流程：1) 施工下向孔，硬岩处退钻。2) 下套管至孔底。3) 向钻孔内压注水泥固孔，扫孔试压。4) 扫孔后掘进至含水层，若有水涌出时，采取注浆堵水的方法把钻孔和含水层隔离开，排除含水层的水压对煤层瓦斯压力测量的影响，直到钻孔内无水涌出时再继续扫孔钻进至8#煤层底板下方约1 m处后向孔内注浆，封堵8#煤层裂隙，控制8#煤层瓦斯向钻孔内流动。5) 扫孔钻进至9(8+9)#煤层底板1 m处后下放测压装置进行封孔测压。9(8+9)#煤层压力测定示意图见图3.

4 测压地点的选取

图3 9(8+9) #煤层压力测定示意图

下组煤只在浅部施工有3条主要大巷，无法对深部煤层进行布点测压，上组煤4(3+4)#煤层已经进入深部开采，从4(3+4)#煤层巷道中施工垂直下向钻孔可有效覆盖8#、9(8+9)#深部煤层。根据相关测点布置要求及上组煤巷道情况，8#、9(8+9)#煤层分别设计了8个煤层瓦斯压力测点，见图4.

5 煤层瓦斯压力测定结果

8#、9(8+9)#煤层瓦斯压力测定结果见表1,表2.

由表1,2可得：8#、9(8+9)#煤层瓦斯压力随标高增大而减小的变化规律，符合煤层瓦斯压力梯度的规律及该矿的实际情况。

图4 下组煤测点布置图

在压力测定过程中，出现封孔不严、漏气等不可控因素，实测压力可能低于煤层的真实压力；待下组煤巷道具备测压条件后对煤层瓦斯压力进行测定，收集数据与本次测压数据进行对比验证，及时对数据进行修正。

6 结 论

1) 长距离测压钻孔封孔、近距离煤层封孔测压和封堵含水层封孔测压技术成功地应用于双柳煤矿下组煤煤层瓦斯压力。各钻孔的煤层瓦斯压力随着煤层埋藏深度的增加而增大, 这符合煤层瓦斯压力梯度的规律和矿井的实际情况。

表1 双柳煤矿8#煤层瓦斯压力测定结果表

表2 9(8+9) #煤层瓦斯压力测定结果表

2) 该技术具有投入费用较低、实际操作简单的优点，采用该技术测定的煤层瓦斯压力符合瓦斯压力梯度的规律及该矿的实际情况。