陳學(xué)習(xí)，劉志強(qiáng)，陳 鵬

(1.河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙中所含游離瓦斯呈現(xiàn)的壓力，即瓦斯作用于孔隙壁的壓力。煤層瓦斯壓力是瓦斯涌出和突出的動(dòng)力，決定了煤層瓦斯含量和涌出量的大小。準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力對(duì)礦井有效而合理的防治瓦斯災(zāi)害、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性、合理制定防突消突措施等均具有十分重要的意義[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層瓦斯壓力測(cè)定封孔技術(shù)進(jìn)行了大量研究，按封孔方式大致分為三類(lèi)：非帶壓封孔、“兩堵一注”帶壓封孔和二次封孔。非帶壓封孔包括機(jī)械式封孔器封孔、水泥漿封孔和高分子發(fā)泡材料封孔等；“兩堵一注”帶壓封孔包括有機(jī)-無(wú)機(jī)材料組合封孔、賽瑞壓注式封孔、囊袋式封孔、“強(qiáng)弱強(qiáng)”封孔和氣囊延時(shí)膨脹帶壓注漿封孔等；二次封孔可分為聚氨酯二次封孔和囊袋式二次封孔[2]。以上方法只適用于不穿含水層鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定，對(duì)于有含水層影響的煤層瓦斯壓力測(cè)定仍然是一個(gè)難題。隨著礦井開(kāi)采深度的延伸以及地質(zhì)條件的復(fù)雜化，我國(guó)很多礦井煤層中均存在含水層，且含水層處于承壓狀態(tài)，通常使用的封孔方式很難排除承壓水的影響，如果未能成功堵水，水將進(jìn)入測(cè)壓氣室，充滿測(cè)壓管且被煤層吸收，抑制煤層瓦斯解吸和封存瓦斯，最終將測(cè)得水壓而非煤層瓦斯壓力，致使鉆孔作廢。井下測(cè)定煤層瓦斯壓力時(shí)，測(cè)壓鉆孔造價(jià)相對(duì)較高，若無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出該處煤層瓦斯壓力，對(duì)人力、物力、財(cái)力和時(shí)間等將造成極大浪費(fèi)，同時(shí)給礦井瓦斯治理工作帶來(lái)困擾[3]，本文提出雙級(jí)套管帶壓注漿封孔方式，應(yīng)用該工藝對(duì)界溝礦72煤層進(jìn)行的瓦斯壓力測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果表明,該工藝徹底填充了鉆孔圍巖裂隙、含水通道，使得測(cè)壓鉆孔堅(jiān)固、穩(wěn)定，排除了承壓水對(duì)測(cè)壓結(jié)果的干擾，并解除了由于鉆孔垮塌對(duì)封孔測(cè)壓方式適用的限制，準(zhǔn)確地測(cè)出界溝煤礦72煤層的瓦斯壓力[4]。

1 礦井概況

界溝煤礦隸屬于安徽宿州煤電(集團(tuán))有限公司,位于安徽省濉溪縣境內(nèi)，東北距宿州市約35 km，北距淮北市約65 km，礦井核定生產(chǎn)能力為90萬(wàn)噸，目前礦井可采范圍內(nèi)-275～-600 m共獲保有資源儲(chǔ)量15794.6萬(wàn)噸，含各類(lèi)煤柱6018.8萬(wàn)噸，其中工廣煤柱1834.8萬(wàn)噸，防水煤柱2429.4萬(wàn)噸，斷層煤柱1754.6萬(wàn)噸。

本井田3層主要可采煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試資料表明：72煤層頂板絕大所數(shù)為泥巖，僅局部為少量的砂巖和粉砂巖，多屬中等穩(wěn)定-不穩(wěn)定頂板；82煤層頂板主要為砂巖，少量粉砂巖和泥巖，多屬中等穩(wěn)定-穩(wěn)定類(lèi)頂板，2014年度經(jīng)省經(jīng)信委批準(zhǔn)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為4.72 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為2.57 m3/t,最大絕對(duì)二氧化碳涌出量為5.80 m3/min，最大相對(duì)二氧化碳涌出量為3.16 m3/min。由于測(cè)試范圍內(nèi)無(wú)72煤層開(kāi)拓開(kāi)采巷道，因此本次壓力測(cè)定利用目前東一采區(qū)8223底板抽放巷道進(jìn)行穿層測(cè)試鉆孔布置，鉆孔過(guò)82煤層，穿過(guò)含水層施工至目標(biāo)72煤層。

界溝礦地質(zhì)條件復(fù)雜，82煤層煤質(zhì)松軟易跨落，過(guò)砂巖含水層，含水層巖溶裂隙發(fā)育，涌水量較大，給72煤層瓦斯壓力測(cè)定帶來(lái)困難，72、82煤層部分綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 72、82煤層部分綜合柱狀圖

2 穿松軟煤層含水層瓦斯壓力測(cè)定技術(shù)

2.1 基本原理

對(duì)于松軟煤層,在測(cè)壓鉆孔施工后,卸壓煤體容易收縮失穩(wěn),孔壁易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象[5]。穿松軟煤層施工鉆孔測(cè)定瓦斯壓力極易造成煤壁垮塌,一方面可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的技術(shù)判斷,極易造成事故隱患，另一方面會(huì)造成封孔儀器被埋,使測(cè)壓成本大大提高。當(dāng)煤巖體含水時(shí),水壓將影響瓦斯壓力的測(cè)定，使得測(cè)壓結(jié)果不準(zhǔn)確[6]。雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝，利用鋼質(zhì)套管對(duì)鉆孔壁形成支撐作用，保護(hù)鉆孔的完整形狀；鉆孔前端用膠囊封孔器形成密閉氣室，孔口用聚氨酯進(jìn)行二次封堵，鉆孔中間通過(guò)高壓注漿泵對(duì)套管內(nèi)外壁全程注水泥砂漿，漿液凝固后在裂隙面上形成有機(jī)塑性網(wǎng)絡(luò)骨架[7],充填破碎巖體細(xì)小裂縫,封堵、隔絕含水裂隙通道,使含水層變?yōu)楦羲畬?，達(dá)到徹底封堵圍巖裂隙、隔絕承壓水對(duì)鉆孔測(cè)壓影響的目的。鉆孔完成后的剖面圖如圖2[8]。

圖2 雙級(jí)套管帶壓注漿封孔鉆孔剖面圖

2.2 雙級(jí)套管帶壓注漿封孔技術(shù)工藝

(1) 用直徑φ127 mm鉆頭開(kāi)孔，施工至82煤層頂板后退鉆，清除孔內(nèi)鉆屑，將一級(jí)套管(φ108 mm)送入至孔底處固定，孔口套管外露0.5 m，然后在φ108 mm套管與孔壁之間導(dǎo)入一趟φ20 mm的注漿鋼管，注漿管上安裝控制閘閥，套管孔口安裝悶盤(pán)，悶盤(pán)口留有安裝壓力表用的φ15 mm絲眼，套管與注漿管下置后，利用注漿泵高壓對(duì)套管內(nèi)外壁全程注入膨脹水泥砂漿。待孔內(nèi)水泥凝固達(dá)到設(shè)計(jì)要求24小時(shí)后，卸除孔口悶盤(pán)用φ94 mmPVC鉆頭掃孔至到82煤前約2～3 m后，停止鉆孔施工，退出鉆具，孔口重新安裝悶盤(pán)連接注漿泵向孔內(nèi)注入清水進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取1 MPa，穩(wěn)定30分鐘，孔口周?chē)宦┧?，套管牢固不?dòng)為合格。

(2) 用直徑φ94 mm鉆頭沿原鉆孔中心繼續(xù)鉆進(jìn)至72煤層底板，換壓風(fēng)吹凈鉆屑，退出鉆桿，將二級(jí)套管(φ83 mm)送入至孔底處固定，然后進(jìn)行高壓注漿，凝固24小時(shí)后重復(fù)(1)耐壓試驗(yàn)，鉆孔孔口無(wú)漏水說(shuō)明套管牢固合格。

(3) 兩級(jí)套管試驗(yàn)合格后，用直徑φ75 mm鉆頭掃孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至72煤層頂板位置，然后采用膠囊—水泥漿—聚氨酯聯(lián)合帶壓注漿封孔法進(jìn)行煤層瓦斯壓力的測(cè)定，雙級(jí)套管帶壓注漿封孔技術(shù)工藝圖見(jiàn)圖3。

圖3 雙級(jí)套管帶壓注漿封孔技術(shù)工藝圖

2.3 鉆孔布置

由于測(cè)試范圍內(nèi)無(wú)72、82煤層開(kāi)拓開(kāi)采巷道，利用目前東一采區(qū)8223底板抽放巷道進(jìn)行穿層測(cè)試鉆孔布置，1號(hào)鉆孔布置于8223底板抽排巷W46處(標(biāo)高-472.5),2號(hào)鉆孔布置于8223底板抽排巷XW29點(diǎn)以北20 m處(標(biāo)高-477.3 m)，本次測(cè)壓過(guò)程鉆孔布置均按照《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》(AQ1047—2007)的要求，測(cè)壓鉆孔避開(kāi)了地質(zhì)構(gòu)造斷層帶，并保證測(cè)壓鉆孔與其距離不小于50 m，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)壓鉆孔參數(shù)

3 測(cè)壓結(jié)果分析

本次測(cè)試1號(hào)鉆孔使用“兩堵一注”膠囊—聚氨酯封孔工藝，1號(hào)鉆孔由于未能成功封堵含水層，在鉆孔封孔后的第二天壓力表數(shù)值迅速達(dá)到0.8 MPa，在觀測(cè)鉆孔壓力表數(shù)值期間卸掉壓力表發(fā)現(xiàn)測(cè)壓管線中有水噴出，并且間隔半個(gè)小時(shí)，壓力表又從0迅速增至0.8 MPa，說(shuō)明單純的膠囊—聚氨酯封孔工藝未能成功隔絕72煤層與82煤層之間的含水層，測(cè)壓過(guò)程中水壓參與并且影響了瓦斯壓力的測(cè)定結(jié)果，測(cè)試鉆孔瓦斯壓力記錄曲線如圖4所示。

圖4 1號(hào)測(cè)壓試驗(yàn)孔壓力變化曲線

2號(hào)鉆孔使用雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝，在封孔后觀察記錄瓦斯壓力變化期間多次檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)鉆孔有漏水漏氣現(xiàn)象，通過(guò)20 d的觀測(cè)，2號(hào)鉆孔瓦斯壓力最終穩(wěn)定在0.5 MPa，觀察發(fā)現(xiàn)2號(hào)鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化規(guī)律符合鉆孔煤層瓦斯解吸規(guī)律，且該恢復(fù)曲線較好地表現(xiàn)了氣體的可壓縮性，2號(hào)鉆孔壓力穩(wěn)定后，安全卸除壓力表時(shí)，測(cè)壓管中無(wú)涌水。因此判定2號(hào)鉆孔所測(cè)壓力為該處的煤層瓦斯壓力。

4 測(cè)壓結(jié)果驗(yàn)證

本次測(cè)壓結(jié)果利用含量反算壓力來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證[9]，反算過(guò)程如下：

煤層瓦斯含量包括游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量；在計(jì)算中，一般應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算。

(1) 煤的游離瓦斯量

式中：

V—單位重量煤的孔隙容積，m3/t；

P—瓦斯壓力，MPa；為未知量

T0、P0—標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)溫度(273 K)與壓力(0.101325 MPa)；

T—瓦斯絕對(duì)溫度，K；

ξ—瓦斯壓縮系數(shù)；

Xy—煤的游離瓦斯含量，m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)/t(煤)。

(2) 煤的吸附瓦斯含量

(1)

式中：

a、b—吸附常數(shù)；

b、p—煤層瓦斯壓力，MPa；未知量

t0—實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的吸附常數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)溫度，℃；

t—煤層溫度，℃；n—系數(shù)，按下式計(jì)算：

A、W—煤中得灰分和水分，%；

Xx—煤的吸附瓦斯含量，m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)/t(煤)；

(3) 煤的瓦斯含量

煤的瓦斯含量等于游離瓦斯含量與吸附瓦斯含量之和，故而有：

(2)

式中：

X——煤層原始瓦斯含量，m3/t，其余符號(hào)意義同前；

表2 測(cè)壓點(diǎn)瓦斯參數(shù)

利用煤層瓦斯含量間接計(jì)算法計(jì)算出煤層瓦斯壓力，對(duì)雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝測(cè)定的煤層瓦斯壓力結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果為0.6 MPa。煤層瓦斯壓力的真實(shí)測(cè)定結(jié)果0.5 MPa，分析誤差接近20%的原因在于煤層瓦斯含量測(cè)試取樣過(guò)程中，所取煤樣含水，在井下未能充分解吸，以及在實(shí)驗(yàn)室解吸過(guò)程中損失量計(jì)算有一定的誤差，綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本相符，因此，可以判斷利用雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝測(cè)定的煤層瓦斯壓力能夠有效封堵含水層裂隙，并能準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力。

5 結(jié)論

(1) 對(duì)國(guó)內(nèi)外瓦斯壓力測(cè)定封孔方式分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)封孔工藝對(duì)于含水層測(cè)壓存在封堵含水層裂隙困難的問(wèn)題，在煤層含水的情況下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出煤層瓦斯壓力。

(2) 針對(duì)界溝煤礦72煤層與82煤層間存在砂巖含水層影響煤層瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果的難題，分別利用“兩堵一注”膠囊—聚氨酯封孔工藝和雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝進(jìn)行試驗(yàn)。

(3) 單純的膠囊—聚氨酯封孔工藝由于水壓影響測(cè)得0.8 MPa的壓力，雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝測(cè)得界溝礦72煤層純瓦斯壓力為0.5 MPa。

(4) 利用雙級(jí)套管帶壓注漿聯(lián)合膠囊—聚氨酯封孔工藝，可以有效封堵圍巖含水層裂隙，消除傳統(tǒng)測(cè)壓方法受復(fù)雜地質(zhì)條件影響、無(wú)法保證測(cè)壓成功率的現(xiàn)象。

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