高瓦斯矿井瓦斯压力分布规律研究

李 鹏，张鹏冲

(1.阳泉市上社二景煤炭有限责任公司， 山西 阳泉 045200； 2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆 400037)

瓦斯压力作为瓦斯矿井煤层瓦斯关键参数之一，直接关系到矿井瓦斯等级的划分，随着矿井埋深的增加，瓦斯灾害越发严重，为了充分掌握矿井瓦斯参数，有必要改进和运用更为先进的测压技术。因此，如何快速、高效、准确地测定矿井煤层瓦斯压力直接关系到矿井的采掘衔接和安全生产，对瓦斯矿井具有重要的意义。

1 工程概况

和谐煤矿位处阳泉市盂县南娄镇南上社村以西，开采6—15号煤层，开采标高为+930～+1 132 m，井田生产规模为90万t/a，井田面积3.658 2 km2. 全井田只布置1个水平，其水平标高为+985 m. 矿井采用斜井、立井综合开拓，15号煤层划分1个采区，采用综采放顶煤采煤方法，工作面180 m，机采高度为2.20 m，落煤高度为3.80 m，顶板采用全部垮落法管理，开采15号煤层时布置两个综掘面。矿井通风方式为中央分列式。

2 测定矿井瓦斯压力设计方案

2.1 地质单元分析

和谐煤矿在井田东部发育褶曲构造，井田内地层相对平整，几乎无断层，只存在小型陷落柱，尚未发现有岩浆岩侵入，构造属简单类型。

15号煤层试验区域内共赋存有2个断层：DF8、DF3，分别位于15号煤层采区距离15号煤层胶带大巷695 m和井田南部边界处。DF8断层断距为0.5～2 m，延深长度约为113 m，因其断距小对煤层连续性影响不大。DF3断层断距为15～17 m，延深长度约为482 m，因其靠近矿井边界且约有241 m在矿井保护煤柱范围之外，因此，DF3断层对巷道布置有一定的影响，但对15号煤层整体稳定性影响不大。区域内陷落柱有6个，对巷道布置有一定的影响，但对15号煤层整体稳定性及瓦斯赋存规律影响不大。断层与陷落柱对整个试验区域的煤层赋存、矿井的采掘布置影响较小，煤层赋存稳定。因此，试验区域煤层可认定为同一瓦斯地质单元。

2.2 测定矿井瓦斯压力方法

15号煤层原始瓦斯压力直接测定方法采用被动式测压，采用的主要材料有425标号水泥、木楔、4″铁管、管接头、压力表接头、压力表等。该矿试验区域测压钻孔为上向顺层钻孔和下向顺层钻孔[1-2]. 瓦斯测压钻孔封孔采用“两堵一注”带压注浆封孔，该技术利用带压注浆方式改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密封微孔裂隙。通过注浆设备，以一定压力将浆液材料压注到瓦斯抽采钻孔封孔段空间及周围孔壁煤体扰动裂隙内部，浆液在注浆压力作用下，可以劈裂扩展孔壁内煤体裂隙，充填孔隙和煤体凹凸面，增大浆液扩散范围；并在大渗透压力梯度作用下渗入煤体微裂隙内，并产生凝聚力，待浆液固化后，形成树枝状分布，并与煤体颗粒固体黏结在一起，达到对钻孔周围煤岩体施加主动支护的目的，彻底密封瓦斯泄漏通道[3-4].“两堵一注”封孔工艺原理示意图见图1.

图1 HD-Ⅰ封孔材料封孔原理示意图

2.3 测定矿井瓦斯压力钻孔布置

该矿试验区域内15号煤层为同一瓦斯地质单元，测压钻孔应该布置在未受采动影响和抽采影响的区域，结合该矿现有巷道布置情况，倾向上布置3个煤层瓦斯压力测点，共6个瓦斯压力钻孔。第6测点布置编号为6-1#、6-2#的2个顺层钻孔，其中，6-1#钻孔位于15号煤胶带大巷内距主变电所381 m处，钻孔终孔标高为+974 m、终孔埋深为201 m；6-2#钻孔位于15号煤胶带大巷内距主变电所438 m处，钻孔终孔标高为+968 m，终孔埋深为235 m. 6-1#和6-2#测压钻孔位置及平、剖面图分别见图2，3.

图2 6号测点钻孔位置示意图

图3 6号测点钻孔布置平、剖面示意图

2.4 煤的破坏类型考察

煤的破坏类型是指煤体结构受构造应力作用后的破坏程度，由于煤的物理、力学性质不尽相同，《煤矿瓦斯等级鉴定办法》附录D中将其分为5种类型，分别为Ⅰ类(非破坏煤)、Ⅱ类(破坏煤)、Ⅲ类(强烈破坏煤)、Ⅳ类(粉碎煤)和Ⅴ类(全粉煤)。和谐矿15号煤层的破坏类型勘察地点选在15号煤采区回风巷掘进工作面、第一联络巷和胶带巷距离第一联络巷300 m处。勘查地点均布置在15号煤层中，且掘进工作已经完成。煤层半亮或暗淡，节理发育不清，不规则块状，多棱角，有明显构造挤压特征；小片构造，由块状、断口参差状或粒状构成，用手可捻成粉末、碎粒，偶尔较硬。结合破坏类型分类表判定15号煤层煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅲ类。

2.5 煤层瓦斯突出参数实验室测定

1) 煤的瓦斯放散初速度。

瓦斯放散初速度(Δp)是煤体瓦斯动力重要特征之一，能较好地反映煤层的突出危险倾向性，瓦斯放散初速度(Δp)越大，瓦斯突出危险倾向性越大。分别在勘查地点取软分层煤样进行瓦斯放散初速度测试，其测定结果见表1.

2) 煤的坚固性系数。

煤的坚固性系数(f)是表示煤抵抗外力破坏能力的一个综合指标，主要由煤的物理力学性质所决定，实质上反映的是单位质量的煤破坏所消耗的能量的大小，是反映煤层突出危险性的一个单项指标。按照相关要求，分别在勘查地点取软分层煤样测试煤的坚固性系数，其测定结果见表1.

表1 15号煤层瓦斯放散初速度和坚固性系数测定结果表

3 矿井瓦斯压力分布规律研究

1) 单孔瓦斯压力测定结果及压力变化规律分析。

各钻孔在封孔、安装压力表后，每天进行瓦斯压力观测，直到压力变化3天内小于0.015 MPa为止。瓦斯压力测点布置在未受采动和抽采工程影响的原始煤体区域，测压钻孔客观、全面地反映了区域内15号煤层实际瓦斯压力。根据观测情况，该煤层瓦斯压力测定结果见表2.

表2 15号煤层瓦斯压力测定结果表

同一地点以最高瓦斯压力测定值作为测定结果，因此，该次所测得15号煤层瓦斯压力为0.03～0.12 MPa.将6-1#和6-2#测压钻孔瓦斯压力观测数据(表压)绘成压力变化曲线图，见图4，图5.

图4 6-1#测压钻孔瓦斯压力变化曲线图

图5 6-2#测压钻孔瓦斯压力变化曲线图

15号煤层瓦斯压力钻孔埋深处于201～320 m，3-1#测压钻孔位于最大埋深处(标高+958 m，埋深320 m)，该测压钻孔瓦斯压力为0.12 MPa. 由表2可以看出，煤层瓦斯压力沿走向在同水平或埋深相近地点结果相近，在倾斜方向符合随埋深逐渐增加的趋势，符合煤层瓦斯普遍赋存规律。因此，该次所测得的和谐煤矿15号煤层的瓦斯压力值是可靠的。

2) 区域瓦斯压力测试分析。

15号煤层试验区域内各实测瓦斯压力梯度关系见图6，符合瓦斯压力随埋深增加而增大的规律，测压钻孔最低控制标高为+958 m(最大埋深320 m)，即为区域内最低标高。结合区域最大瓦斯放散初速度ΔPmax为32 mmHg，最小坚固性系数fmin为0.16和煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅲ，并且通过对区域15号煤层实测瓦斯参数综合分析可知，区域内发生突出的可能性较小。

图6 沿煤层倾向瓦斯压力随埋深变化趋势图

4 结 论

1) 测定和谐煤矿15号煤层采区瓦斯压力，并通过理论分析得到不同埋深与瓦斯压力的关系，分析得出区域内发生瓦斯突出的可能性较小。

2) 该次试验所用的测压技术在满足相关测定瓦斯压力要求的基础上，能适应矿井的采掘衔接和安全生产，并在该矿得到了成功的应用和检验。

3) 矿井在开拓新水平，或者进入新的地质单元时，应重新进行煤层瓦斯相关参数的测定，掌握各个地质单元煤层地质变化和瓦斯涌出变化情况。在作业过程中加强地质构造超前探测和瓦斯涌出的日常观测工作，当瓦斯涌出出现异常或有煤与瓦斯突出征兆时，应停止采掘作业，并采取相应技术措施，确认安全有效后，方可进行采掘作业。