强富水砂岩裂隙带俯角孔瓦斯压力精准测定

摘 要：通过在桃园煤矿II1皮带大巷外段瓦斯压力测定的实验，提出了高压定点封孔测压法，根据出水点位置距离煤层远近采取不同的封孔测压方法。当出水点远离煤层时采用定点两堵一注测压法，出水点靠近煤层时采用高压长胶囊封孔技术。通过将实测瓦斯压力与推测值、实测压力曲线与模拟曲线分析比较，验证了测压结果合理。可应用于相同条件下俯角孔瓦斯压力测定。

关键词：强富水;俯角孔;瓦斯压力精准测定

1.工程实践矿井概述

淮北矿业股份公司桃园煤矿位于安徽省宿州市境内，井田面积29.45km2，矿井1995年建成投产，设计能力为90万t/a，2016年矿井核定生产能力175万吨/年;采用立井开拓，井田划分二个水平（一水平标高为-520m，二水平标高为-800m）;通风方式为中央分列式，由副井、主井、新副井进风，中央风井回风;2005年矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，井田内7、82、10煤层均为突出煤层。

1.1瓦斯压力测定存在的问题

桃园矿10煤顶板砂岩较为发育，细中粒结构，直接底板以泥岩为主，部分钻孔有砂岩和粉砂岩。其下为叶片状砂泥岩互层。此层段砂岩裂隙发育不均，局部裂隙较发育，富含砂岩裂隙水。

由于含水层的存在，给测压造成困难。受巷道和现场条件的限制，桃园煤矿Ⅱ1采区皮带大巷外段10煤层的瓦斯压力需采用俯角孔测压。而10煤层上方具有含水层，从巷道向10煤层打测压孔必然穿透含水层。之前，采用的测压力方法为水泥注浆封孔测压法，在测压过程中，由于煤岩层中含水较多，使得测压管中几乎全部被水充满，无法精准测定瓦斯压力。在这种背景下，有必要研究新型测压方法，解决含水砂岩俯角孔测压困难，提高瓦斯压力测定的成功率。

2 实施方案

2.1 测压钻孔布置

根据测压地点应避开地质构造裂隙带、巷道卸压圈和采动影响范围的原则，及现场的实际条件，经研究讨论在Ⅱ1采区皮带大巷外段处选取了地质条件相对较好位点为实验点对10煤层原始瓦斯压力进行测定。

考虑到煤层埋深较深、岩孔较深、测压点小、地质构造较为复杂等因素，仅依靠传统水泥砂浆进行两堵一注封孔很难密封;选用高压定点封孔法施工了测压钻孔。

3.2 施工过程

3.2.1 含水层位置探测

含水层位置的探测是第一步，根据含水层位置的不同封孔方法进行封孔测压。含水层的探测方法有钻孔静态观察法和窥视法，钻孔静态观察法由于操作简单不需要额外设备等优点，是我们的首选方法。如果出水情况不明显时，应采用窥视法，应用孔内窥视仪进行窥视巡查出水位置。

通过钻孔静态观察法探明1#孔出水点距煤层6.8m，距离煤层较远，根据其出水点位置选择高压定点封孔新型测压法中出水点远离煤层方案。2#孔出水点距煤层7.2m，距煤层较远，同样选择高压定点封孔新型测压法中出水点远离煤层方案即可。

3.2.2 封孔测压

現场施工钻孔后，根据探测出水点位置，选择高压定点封孔测压法中出水点远离煤层的方法即定点两堵一注测压法，现场具体施工过程如下：

首先用Ф133mm钻头钻进6.5m深，下Ф108mm孔口管6m，注浆固管并做耐压试验，用Ф75mm钻头正常钻进，然后进行注水泥浆封堵岩层裂隙。注浆时先注清水，压力加到12MPa，稳定一段时间后将清水放出，然后采用水泥浆封孔。最终注浆终压力要大于当地水压。等待水泥浆凝固24小时左右，用Ф75mm钻头扫孔钻进至距离煤层0.5m停钻，观察钻孔中是否还有水涌出。如果钻孔中没有水涌出，则继续进入煤层1m停钻，换压风将钻孔内残留的水吹出，退出钻杆，即完成测压孔施工任务。发现有水，重新进行注浆、扫孔步骤，直到将钻孔中地下水完全封堵。先用压风将钻孔内水吹干，然后将前端胶囊连接好测压管，利用具有支撑兼返浆功能的四分管将测压管送入钻孔，送至距离预定封孔位置2m位置暂停;在两根带有阀门的4分管上捆扎好空囊袋，向空囊袋中倒入聚氨酯，快速将其中一根四分管连接至已送入钻孔中的那根具有支撑功能的四分管，未连接的那根四分管作为注浆管，阀门要外漏在钻孔外部;继续将测压管送2m至预定封孔位置，等待聚氨酯囊袋能够充分膨胀完成钻孔内后端封堵;将前端胶囊乳化液胶管连接至注浆泵;加压至3MPa，使前端胶囊充分膨胀完成钻孔内前端封堵后，关闭泄压阀和截止阀。连接注浆管至注浆泵，打开四分管上两阀门，注入水泥浆。待注浆泵压力上升至2MPa左右，停止注浆，等待10min后，再注入水泥浆，如此反复4次，关闭注浆管阀门。将配置好的水泥浆液注入孔内，安装压力表后封孔工作完成。

3.3 现场考察结果

安装压力表后，定时记录每个钻孔的压力表数据，开始时每班记录一次，每个钻孔每天记录3组数据。待压力变化较小或者不变化时，可改为每天记录一次。

由上图可以看出，1#钻孔瓦斯压力开始时上升较快，到封孔96小时（即4天）瓦斯压力达到1.30MPa，随后压力上升速度开始减小，进入极限阶段。封孔160小时（7天）瓦斯压力上升到1.40MPa，持续监测发现瓦斯压力不再变化，故1#钻孔最终测定煤层瓦斯压力为1.40MPa。

2#钻孔初始阶段瓦斯压力上升较快，随后进入上升阶段，到封孔100小时左右瓦斯压力达到1.05MPa，之后压力上升速度开始减小，进入极限阶段。封孔172小时瓦斯压力上升到最大值1.16MPa，持续监测发现瓦斯压力不再变化，故1#钻孔最终测定煤层瓦斯压力为1.16MPa。

4 结论

现场工程试验发现钻孔瓦斯压力曲线开始时上升较快。由于初始阶段瓦斯充满了整个空间，瓦斯量即或有较小量的增加，压力值就会有较大的增长，这时钻孔内的压力在短时间里就会上升到接近真实瓦斯压力值。随着瓦斯进一步的排放，孔内瓦斯压力上升速度减少，使得钻孔内部的瓦斯压力同煤层的瓦斯压力趋于平衡即极限阶段。实测瓦斯压力曲线与数值模拟结果一致，符合compertz曲线，说明测压结果可靠。

瓦斯测定方法种类繁多，工艺复杂程度不一，需要根据具体地质情况采用适宜的安全经济的手段，确保测定数据的准确性。

参考文献：

[1]俞启香，矿井瓦斯防治[M].北京：中国矿业大学出版社，1990。

[2]AQT1047-2007煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法。

作者简介：

李磊（1979-）男，安徽太和县人，本科，工程师，现在淮北矿业桃园煤矿，从事煤矿瓦斯防治方面的管理与研究。