張蒙蒙，周 洋，舒龍勇，李宏艷，劉 學(xué)，崔 聰

(1.宿州煤電(集團(tuán))有限公司界溝煤礦，安徽 淮北 235100；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

0 引言

煤層瓦斯壓力是指在煤層孔隙、裂隙中存在的一種以甲烷為主的氣體，做自由熱運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)煤壁產(chǎn)生的應(yīng)力，其中煤層未受到采動(dòng)，瓦斯抽采和卸壓等因素影響的煤層原始瓦斯壓力是瓦斯災(zāi)害防治中的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。同時(shí)，煤層瓦斯壓力也是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的依據(jù)，是煤礦采取安全防治措施的前提，是保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此準(zhǔn)確地測(cè)出煤層瓦斯壓力尤為重要[2]。目前，煤礦測(cè)煤層瓦斯壓力多采用技術(shù)較成熟的鉆孔測(cè)壓方法，該方法是在巖巷或煤巷中向煤層打鉆孔，然后進(jìn)行注漿封孔測(cè)壓或利用膠囊封孔器封孔測(cè)壓[3]。但由于受復(fù)雜的瓦斯賦存和地質(zhì)構(gòu)造等多種因素影響，測(cè)壓成功率仍然較低，上向孔的測(cè)壓成功率要高于下向孔，所以在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選用上向孔測(cè)壓[4]。在上向孔測(cè)壓過(guò)程中，由于煤層圍巖中有時(shí)會(huì)富含水分或附近頂板有含水層時(shí)，往往通過(guò)巖石裂隙水會(huì)涌進(jìn)測(cè)壓鉆孔氣室中，導(dǎo)致影響測(cè)壓準(zhǔn)確性，在涌水較大時(shí)通常認(rèn)為該鉆孔測(cè)壓失敗。因此，在現(xiàn)有封孔測(cè)壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析上向孔含水測(cè)壓時(shí)孔內(nèi)水壓對(duì)壓力讀數(shù)的影響，從而獲得真實(shí)的煤層瓦斯壓力，這具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

安徽界溝煤礦礦區(qū)東南以界溝斷層為界，與許疃煤礦接壤，西至李家斷層與五溝煤礦相鄰，南北兩翼均以10號(hào)煤層露頭為界，全井田東西長(zhǎng)約5.89 km，南北寬4.78 km，面積為13.643 8 km2，核定生產(chǎn)規(guī)模1.40 Mt/a，準(zhǔn)采標(biāo)高范圍-275～-600 m。全井田總共劃分4個(gè)大采區(qū)：中央采區(qū)、東一采區(qū)、西一采區(qū)、西二采區(qū)。其中，西一采區(qū)服務(wù)年限為10 a，為新開(kāi)拓采區(qū)，西一采區(qū)位于礦井中西部，采區(qū)范圍東至F6、F7斷層，與中央采區(qū)相鄰，西至F10斷層，與西二采區(qū)相鄰；南北兩側(cè)均以8-2煤層隱伏露頭線為界；南北長(zhǎng)約3.00 km，東西寬約0.95 km，面積2.6 km2。目前正在進(jìn)行西一采區(qū)位于二疊系下石盒子組內(nèi)7-1煤層的7132工作面巷道掘進(jìn)工作，二疊系下石盒子組砂巖裂隙承壓含水層為其主要充水水源，本區(qū)涌水量約為142 m3/h。

1.2 測(cè)壓面臨的問(wèn)題

7132工作面是西一采區(qū)的第2個(gè)備采工作面，工作面內(nèi)主要有SF26、SF28、SF29和F8 4個(gè)正斷層，巷道掘進(jìn)期間，迎頭瓦斯均較小，最大瓦斯?jié)舛葹?.18%，當(dāng)日風(fēng)排瓦斯涌出量為0.81 m3/min，實(shí)測(cè)原始瓦斯含量在1.82～3.39 m3/t。為保證煤礦的安全生產(chǎn)，并為瓦斯綜合治理工作提供科學(xué)依據(jù)，需對(duì)7132工作面進(jìn)行煤層原始瓦斯壓力參數(shù)測(cè)定，瓦斯壓力測(cè)試應(yīng)首選上向穿層鉆孔測(cè)壓，所以在工作面煤層原始區(qū)域底板的巖層支巷中進(jìn)行了穿層測(cè)壓工作。但在測(cè)壓過(guò)程中，由于該礦地質(zhì)情況復(fù)雜特殊，7-1煤層厚度較薄，平均約為2.64 m，且煤層中一般不含水，而在煤層頂板有砂巖裂隙含水層，頂板巖性又以泥巖、砂巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，頂板裂隙中含水豐富，所以在測(cè)壓時(shí)頂板中的裂隙水便會(huì)滲進(jìn)測(cè)壓氣室，絕大多數(shù)的測(cè)壓鉆孔就會(huì)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)壓失敗。所以為了探究上向穿層鉆孔測(cè)壓過(guò)程中水壓對(duì)表壓的影響大小，解決上向穿層鉆孔在涌水條件下測(cè)壓困難的問(wèn)題，結(jié)合礦上現(xiàn)場(chǎng)條件開(kāi)展了本次試驗(yàn)研究。

2 上向穿層鉆孔含水測(cè)壓理論分析

2.1 上向穿層鉆孔周圍煤體水壓力

煤體是一種含有大量孔隙、裂縫和毛細(xì)管的多孔介質(zhì)，水和瓦斯等流體借助相互貫通的孔隙、裂縫在煤體中進(jìn)行流動(dòng)，運(yùn)移。由于不同流體具有不同的性質(zhì)，通常瓦斯在煤體裂隙中的運(yùn)移速度相對(duì)緩慢，而在測(cè)定煤層瓦斯壓力時(shí)涌進(jìn)測(cè)壓氣室的水一般來(lái)自圍巖的裂隙水，裂隙水一般有水壓較大的特征，受較大壓力影響，水在孔隙、裂隙中的導(dǎo)通性增強(qiáng)，即煤層透水性也進(jìn)一步增強(qiáng)，所以水在煤體裂隙中相對(duì)瓦斯流動(dòng)更快，水壓會(huì)先于瓦斯壓力顯現(xiàn)出來(lái)。由達(dá)西定律可知，上向穿層鉆孔周圍煤體的裂隙水處于低雷諾數(shù)區(qū)，屬于線性層流，根據(jù)達(dá)西定律得出流體流速與壓力梯度的關(guān)系為[5]

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行積分得

(2)

式中，p為鉆孔周圍水壓力，MPa；R為鉆孔周圍水壓有效影響半徑，m。由式(2)可知，鉆孔周圍水壓大小與水的流速呈線性關(guān)系。

2.2 上向穿層鉆孔周圍煤體瓦斯壓力

煤層中的瓦斯在煤體中的運(yùn)移方式主要分為層流和擴(kuò)散，層流運(yùn)動(dòng)主要位于煤體裂隙中，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在煤體孔隙結(jié)構(gòu)的微孔中[3]。由于煤體孔隙結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)于整體的瓦斯流動(dòng)影響過(guò)于微小，可以忽略不計(jì)，所以瓦斯在煤體中的流動(dòng)可以只考慮層流運(yùn)動(dòng)的影響，層流運(yùn)動(dòng)特性符合達(dá)西定律[5]。

把煤體看做一種均勻介質(zhì)，則煤層中鉆孔周圍的瓦斯壓力根據(jù)瓦斯在徑向作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的徑向流動(dòng)公式[6]計(jì)算可得

(3)

式中，pw為煤層鉆孔周圍瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔瓦斯壓力，MPa；p0為煤層原始瓦斯壓力，MPa；rw為鉆孔周圍瓦斯壓力有效影響半徑，m；r1為鉆孔半徑，m；r0為煤層中瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的影響半徑，m。

由于測(cè)壓初期，鉆孔瓦斯壓力約等于測(cè)壓巷道內(nèi)的大氣壓力，相對(duì)于煤層原始瓦斯壓力較為微小，則忽略鉆孔瓦斯壓力p1的影響后式(3)可以簡(jiǎn)化為雙曲線方程

黨的十九大提出實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，總要求是“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富?！?，涵蓋農(nóng)村“五位一體”總體布局和鄉(xiāng)村“五大振興”，涉及領(lǐng)域廣、目標(biāo)要求高，絕不是輕輕松松、敲鑼打鼓就能實(shí)現(xiàn)的。只有繼承和發(fā)揚(yáng)黨管農(nóng)村工作的寶貴傳統(tǒng)，堅(jiān)持加強(qiáng)和改善黨對(duì)“三農(nóng)”工作的領(lǐng)導(dǎo)，把堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展作為現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)重大原則，精心做好頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、整體推進(jìn)、督促落實(shí)，才能凝聚起實(shí)施鄉(xiāng)村振興的磅礴力量，才能始終沿著中國(guó)特色社會(huì)主義鄉(xiāng)村振興道路闊步前進(jìn)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)全面升級(jí)、農(nóng)村全面進(jìn)步、農(nóng)民全面發(fā)展。

(4)

2.3 煤層瓦斯?jié)B流到測(cè)壓氣室過(guò)程分析

在測(cè)定煤層瓦斯壓力時(shí)，瓦斯由煤層中高壓區(qū)域運(yùn)移到測(cè)壓氣室有一個(gè)緩慢的過(guò)程，測(cè)壓氣室瓦斯壓力逐漸升高，最終與煤層原始瓦斯壓力相一致，所以認(rèn)為測(cè)壓氣室測(cè)得最終的穩(wěn)定瓦斯壓力代表了煤層原始的瓦斯壓力[7-9]。

假設(shè)測(cè)壓氣室中的瓦斯為理想氣體，假設(shè)煤體中的溫度保持不變，恒定為T，則煤層瓦斯?jié)B流到測(cè)壓氣室的過(guò)程為

(5)

式中，Q為在煤層原始瓦斯壓力p0條件下，1 s內(nèi)到達(dá)測(cè)壓氣室的瓦斯量，m3；l為測(cè)壓氣室長(zhǎng)度，m。

測(cè)壓氣室中的瓦斯壓力為

(6)

式中，p2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，MPa；R1為摩爾氣體常數(shù)，8.314 472 J/(mol·K)；T為測(cè)壓氣室溫度，℃；t為時(shí)間，s；M為甲烷的分子量。

聯(lián)立式(5)和式(6)可以得到測(cè)壓氣室內(nèi)瓦斯壓力p1與時(shí)間t的關(guān)系為

(7)

當(dāng)鉆孔周圍有裂隙水涌入測(cè)壓氣室時(shí)，涌入測(cè)壓氣室內(nèi)水的體積V0與時(shí)間t的關(guān)系式為

(8)

式中，V0為涌入測(cè)壓氣室內(nèi)水的體積，m3；Q1為圍巖裂隙水涌入測(cè)壓氣室的流量，m3/s。

3 上向鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定

界溝煤礦西一采區(qū)7-1煤層為非突出煤層，煤層傾角為5°～15°，煤層平均厚度2.64 m，7132工作面埋深360～424 m。7-1煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂巖為主，少量為粉砂巖，頂?shù)装逵泻畬?，且頂?shù)装辶严遁^發(fā)育，存在細(xì)小的導(dǎo)水通道，所以煤層頂?shù)装宕蟛糠謪^(qū)域都含水。在掘進(jìn)過(guò)程中迎頭瓦斯整體較小，瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)0.25%，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)煤層頂板有淋水現(xiàn)象，但煤層中卻不含水，且煤質(zhì)較軟，所以煤層與頂板間存在一層較薄的隔水層。在進(jìn)行上向鉆孔測(cè)壓時(shí)，鉆孔中絕大部分都含水，其中有的存在涌水現(xiàn)象，為了弄清頂板水壓對(duì)測(cè)壓的影響，于是在7132工作面位于機(jī)巷下方巖層中的3號(hào)測(cè)壓巷道、運(yùn)輸集中巷和位于運(yùn)輸集中巷下方的4號(hào)測(cè)壓巷道中進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3.1 測(cè)壓鉆孔布置

按照煤層瓦斯壓力測(cè)定相關(guān)規(guī)范AQ 1047—2007《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》中的規(guī)定和要求進(jìn)行測(cè)壓鉆孔的布置。

根據(jù)7132工作面生產(chǎn)采掘進(jìn)度結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，首先在位于原始區(qū)域煤層下方的3號(hào)測(cè)壓巷道和4號(hào)測(cè)壓巷道中布置上向穿層測(cè)壓鉆孔進(jìn)行測(cè)壓，然后等到工作面運(yùn)輸集中巷掘進(jìn)到4號(hào)測(cè)壓巷道上方煤層時(shí)再將測(cè)壓鉆孔布置在運(yùn)輸集中巷中進(jìn)行測(cè)壓，最后選取有效的測(cè)壓鉆孔進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)壓鉆孔布置具體位置如圖1所示。

圖1 測(cè)壓鉆孔布置

3.2 兩堵一注封孔工藝

本次測(cè)壓鉆孔封孔采用的是囊袋式兩堵一注封孔工藝。在測(cè)壓鉆孔成孔后，將連接好的帶有囊袋、注漿管和返漿管的φ15 mm鍍鋅測(cè)壓管放入鉆孔內(nèi)，保證第1個(gè)囊袋位于煤巖交界處，其中第1節(jié)測(cè)壓管為帶有篩眼的鍍鋅管，并且篩眼用細(xì)鐵絲網(wǎng)包裹，防止煤屑進(jìn)入堵塞測(cè)壓管，放好后孔口用綁絲等固定住測(cè)壓管防止脫落。然后采用注漿泵通過(guò)注漿管對(duì)封孔段進(jìn)行注漿，注漿材料為水泥漿，為了使封孔更加嚴(yán)密，提高封孔效果，往水泥漿中加入了一定量的速凝劑和膨脹劑，待注漿完畢后，用水泥漿等封堵固定好孔口。最后經(jīng)過(guò)24 h水泥漿凝固后在安裝閥門和壓力表[10]。界溝煤礦上向穿層鉆孔含水測(cè)壓封孔示意如圖2所示。

圖2 上向穿層鉆孔含水測(cè)壓封孔示意

由于巷道的形成會(huì)對(duì)巷道一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生卸壓擾動(dòng)影響，如果封孔深度過(guò)短且處于巷道的影響范圍內(nèi)，所測(cè)的壓力就會(huì)受到圍巖裂隙的擾動(dòng)影響，從而不能反映出真實(shí)的煤層原始瓦斯壓力。因此，測(cè)壓封孔的深度應(yīng)超過(guò)測(cè)壓巷道的影響范圍，所以兩堵一注注漿封孔法的鉆孔封孔深度關(guān)系應(yīng)滿足式(9)[11]

L封≥L1+Dcot|θ|

(9)

式中，L封為鉆孔封孔深度，m；L1為鉆孔所需最小封孔深度，m；L1應(yīng)處于測(cè)壓巷道的卸壓圈外且L1≥12，根據(jù)調(diào)研礦井相關(guān)資料L1取15 m；D為鉆孔的直徑，m；θ為鉆孔的傾角，(°)；且5°≤|θ|≤90°。

3.3 煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)

通過(guò)在3號(hào)測(cè)壓巷道和4號(hào)測(cè)壓巷道施工上向穿層鉆孔進(jìn)行測(cè)定煤層瓦斯壓力，在運(yùn)輸集中巷中施工上向穿層鉆孔和順層鉆孔分別測(cè)定頂板水壓力和煤層瓦斯壓力。測(cè)壓鉆孔從開(kāi)孔到終孔鉆孔直徑為φ94 mm，封孔深度均超過(guò)巷道卸壓影響范圍，避免了巷道卸壓的擾動(dòng)影響，穿層鉆孔應(yīng)盡量垂直于煤層，順層鉆孔則應(yīng)選在煤層較厚的地方順著煤層走向或傾向施工，測(cè)壓鉆孔傾角為鉆孔與水平面間夾角，煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)

3.4 涌水條件下的上向穿層鉆孔瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果及修正方法

在瓦斯壓力讀數(shù)結(jié)束后進(jìn)行拆表，為了確定孔內(nèi)測(cè)壓氣室氣體否受其他氣體影響，對(duì)孔內(nèi)氣體取樣進(jìn)行了氣體成分分析。根據(jù)表2中氣樣分析結(jié)果顯示孔內(nèi)氣體主要成分為瓦斯，排除了其他氣體對(duì)表壓的影響，所以含水鉆孔壓力主要受瓦斯和水的影響。同時(shí)測(cè)量下含水鉆孔流出水的體積，結(jié)合頂板純水壓鉆孔測(cè)試結(jié)果，對(duì)鉆孔內(nèi)水對(duì)表壓的影響進(jìn)行修正。

對(duì)表2中2#和3#鉆孔，6#和8#鉆孔表壓進(jìn)行分析，當(dāng)鉆孔內(nèi)水沒(méi)有完全充滿測(cè)壓氣室時(shí)，水對(duì)表壓的影響符合伯努利定律，所以當(dāng)孔內(nèi)水放完后沒(méi)有涌水現(xiàn)象且計(jì)算水的體積沒(méi)有完全充滿測(cè)壓氣室時(shí)，可根據(jù)下面公式對(duì)表壓進(jìn)行修正。

(10)

式中，P0為煤層原始瓦斯壓力，MPa；P表為壓力表表壓，MPa；V0為涌入測(cè)壓氣室內(nèi)水的體積，m3；d為測(cè)壓管的直徑，m；D為鉆孔直徑，m；l為測(cè)壓氣室長(zhǎng)度，m；l1為測(cè)壓管的長(zhǎng)度，m；θ為鉆孔的傾角，(°)。

(11)

對(duì)表2中1#、2#和4#鉆孔，5#、6#和7#鉆孔表壓進(jìn)行分析，當(dāng)鉆孔內(nèi)水完全充滿測(cè)壓氣室，并且水一直流有涌水現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)由于無(wú)法確定水頭高度以及水承受壓力大小，所以就不能根據(jù)伯努利方程只簡(jiǎn)單的考慮水的自重影響來(lái)進(jìn)行計(jì)算。由本次測(cè)壓結(jié)果分析可知，有涌水現(xiàn)象的含水鉆孔表壓為煤層瓦斯壓力與煤層頂板水壓力之和，利用本公式修正后的瓦斯壓力與實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力的絕對(duì)誤差小于0.03 MPa，這很好地說(shuō)明了涌水條件下的上向穿層鉆孔瓦斯壓力修正方法的可靠性。所以遇到鉆孔有涌水情況時(shí)，只需向所測(cè)煤層頂板巖層中打一個(gè)水壓鉆孔測(cè)下純水壓力即可，然后根據(jù)下式對(duì)涌水條件下的表壓進(jìn)行修正。

表2 上向穿層鉆孔瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果及修正

當(dāng)煤層頂板水壓鉆孔與測(cè)壓鉆孔開(kāi)孔處位于同一層位時(shí)

P0=P表-P水

(12)

當(dāng)煤層頂板水壓鉆孔與測(cè)壓鉆孔開(kāi)孔處位于不同層位，具有高度差時(shí)

P0=P表-P水-0.01(H1-H2)

(13)

式中，P水為煤層頂板水壓力，MPa；H1為測(cè)壓鉆孔開(kāi)孔處埋深，m；H2為煤層頂板水壓鉆孔開(kāi)孔處埋深，m。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)在有涌水現(xiàn)象的礦井進(jìn)行上向鉆孔瓦斯壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析實(shí)測(cè)瓦斯壓力數(shù)據(jù)結(jié)合孔內(nèi)氣體成分分析，得出當(dāng)涌入測(cè)壓氣室內(nèi)的水沒(méi)有完全充滿測(cè)壓氣室時(shí)，水對(duì)表壓的影響符合伯努利定律，當(dāng)涌入測(cè)壓氣室內(nèi)的水完全充滿測(cè)壓氣室并且有涌水現(xiàn)象時(shí)所測(cè)的表壓為煤層瓦斯壓力與煤層頂板水壓力共同作用下的壓力。

(2)根據(jù)伯努利定律和通過(guò)向所測(cè)煤層頂板巖層中施工鉆孔測(cè)純水壓力對(duì)上向含水情況下的鉆孔瓦斯壓力進(jìn)行了修正。采用本方法修正后的瓦斯壓力誤差較小，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證絕對(duì)誤差小于0.03 MPa，說(shuō)明本修正方法符合實(shí)際具有可行性，能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映出煤層的實(shí)際瓦斯壓力。該方法解決了上向涌水條件下測(cè)壓難的問(wèn)題，為類似涌水條件下測(cè)定煤層瓦斯壓力提供了借鑒和參考，具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。