煤层瓦斯压力探测新技术在寺河煤矿瓦斯防治中的应用

煤层瓦斯压力探测新技术在寺河煤矿瓦斯防治中的应用
翟慧兵;赵彬;刘旺博
【摘要】寺河矿属于高瓦斯矿井,是煤层气综合开发的主要矿井之一,其煤层气开发主要分两部分,即地面煤层气井抽采与井下煤层钻孔抽采.抽采环节中对煤矿瓦斯的
防治是煤矿安全生产的重要前提.本文探讨了煤层瓦斯压力探测新技术--煤层瓦斯
原位探测仪在该煤矿瓦斯防治中的具体运用,该探测技术可以高效地检验瓦斯抽放
效果,从而为预防瓦斯突出提供科学依据,也可为煤矿安全生产提供有力的保障.
【期刊名称】《安全与环境工程》
【年(卷),期】2011(018)003
【总页数】5页(P64-67,72)
【关键词】煤层瓦斯原位探测仪;瓦斯抽放;瓦斯突出;寺河矿
【作者】翟慧兵;赵彬;刘旺博
【作者单位】晋城煤业集团寺河矿,山西,晋城,048205;晋城煤业集团寺河矿,山西,晋城,048205;中国地质大学资源学院,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】X924.4;TD712
寺河矿属于高瓦斯矿井，矿井正好处于煤层气开发的重点区块。

近年来，随着煤炭产量的大幅增长，随之而来的是采煤过程中涌出的瓦斯、瓦斯突出对矿井安全构成的威胁，防治瓦斯突出已成为当务之急。

为了缓解该矿日益尖锐的采、掘衔接矛盾，达到缩短预防瓦斯突出指标的测试时间，急需探讨一种新的煤层瓦斯压力探测技术。

寺河矿井隶属于晋城煤业集团，位于山西省沁水县境内，设计生产能力为4．0
Mt／a，于2002年11月建成投产，经过技术改造后，现今寺河矿生产能力达到10．8 Mt／a。

寺河矿东井区为高瓦斯矿井，西井区为煤与瓦斯突出矿井，煤层瓦斯涌出量大；东一区煤层瓦斯压力为0．29 MPa，瓦斯含量为9．03 m3／t，西一区瓦斯压力为0．2～1．81 MPa，瓦斯含量为16．3 m3／t，见表1。

寺河矿是晋城煤业集团煤层气与煤层瓦斯综合开发的主要矿井之一（见图1）。

目前，井田内的地面煤层气井已经全部排采，部分煤层气井已经接近现有回采工作面，其中有少数煤层气井已经圈入准备回采的工作面，个别煤层气井被开挖巷道揭露。

寺河矿目前在东井区与西井区同时实施煤层瓦斯抽放工程。

瓦斯泵房内安装6台CBF710-2水环式真空泵，其中4台运转、2台备用，泵的转速为298 r／min，
电机功率为630 k W。

由于西轨、东轨大巷受断面的限制，不能安装直径更大的
抽采管，因而抽采阻力增大，影响抽采瓦斯效果，所以又在东井区井下建立瓦斯抽采站，并形成两套抽采系统。

井下抽采站内安装2BE1705水环式真空泵5台，4
开1备，其中2台泵对预抽瓦斯进行接力抽采，2台泵用于采空区瓦斯抽采（抽
出的瓦斯从东风井排至地面，当抽出采空区瓦斯浓度达到30%，并入37井本煤层抽采气流加以利用），1台泵作为备用。

矿井2008年在小东山风井井底建设了小东山瓦斯抽放泵站，主要用于东三、四盘区本煤层注抽和采空区抽采。

目前全矿井瓦斯抽采量为640 m3／min左右，瓦斯抽采浓度为60%左右。

寺河矿西井区目前采用区域综合防突措施和局部综合防突措施，煤层突出危险性预测和效果检验主要采取煤层瓦斯压力与含量指标，两者之间存在明显的关联［1，2］。

2．1 煤层瓦斯压力原位探测仪
煤层瓦斯原位探测仪包括水力密封、原位探测、气体采样三个组成部分（见图2），其特点是可以准确记录煤层瓦斯抽放孔内瓦斯压力和温度随时间变化的数值。

而煤
层瓦斯流体运移近乎为一种脉冲间歇式的方式流动，探测仪的记录频率高，每秒可记录1～2个数据，能够完整地记录流体的变化情况［3］（见图3）。

由于煤层瓦斯原位探测仪的探测过程是将探测仪直接送入钻孔内，利用钻机水泵压力将探测仪的座封装置启动，在钻孔内部形成一个狭小的封闭空间，这时探测仪的压力传感器与温度传感器采集并记录压力与温度数据（见图3、图4）。

此外，该仪器还装有保持密闭状态下的集气装置，采集用于分析煤层瓦斯成分的气体样品。

2．2 煤层瓦斯压力原位探测技术与传统测压技术的比较
煤层瓦斯压力原位探测仪是对瓦斯压力探测手段的一种补充。

传统测压方法是在钻孔的末端封孔，在封孔处安装压力表，等到钻孔内的煤层瓦斯压力增加到一定程度时开始读取压力值，一般每天读取一个或者有限几个数值，测压持续的时间也比较长，一般为一周或者更长［1，2］；而煤层瓦斯原位探测仪的探测时间可以明显
缩短，一般在2～4 h内完成。

此外，煤层瓦斯压力原位探测仪还可以探测测试时间内的温度及其变化。

该仪器的自动取气装置，在测试完成后利用三通阀的泄压以及仪器自带的集气装置自动收集测试封闭空间内的气样，供实验室分析煤层瓦斯的成分。

系统的对比测压结果（见图5）显示该探测仪与传统的测压结果存在良好的相关性，在煤层瓦斯处于0．2 MPa以下低压区间，两者的差别不大。

传统测压方式为末
端封孔，在孔口安装压力表读数，测试的有效距离为整个钻孔，所以得到的数据具有区域整体的代表性；而原位瓦斯探测仪是随钻杆直接进入孔底测压，测压有效距离仅为孔底几米的范围，测压数据的针对性很强，尤其是对局部瓦斯突出定位更加有效。

因此可以说，原位瓦斯探测仪与传统探测方法形成了很好的互补。

依据现有的对比探测数据（见表2），煤层瓦斯压力原位探测仪探压数值与传统的煤层瓦斯测压数值的关系式为：Y＝2．52X－0．56，R2＝0．95（见图6，其中X 为原位探测仪测压压力，Y 为传统测压压力）。

2．3 煤层瓦斯压力原位探测技术在检查煤层瓦斯抽放效果方面的应用
煤层瓦斯抽放效果检测是寺河矿煤层瓦斯治理的一项重要任务。

煤层瓦斯压力探测新技术在检验煤层瓦斯抽放效果上具有较好的适用性，且具有方便、快捷的特点。

一般情况下，巷道特别是工作面经过一段时间的煤层瓦斯抽放，煤层瓦斯压力降低幅度比较大，常常压力降到很低的水平。

对于这种压力特别低的巷道或者工作面，采用传统的测压技术不仅费时费力，而且误差往往比较大；而煤层瓦斯压力探测新技术正好可以弥补这方面的不足，它不仅快速、便捷，可以节省人力物力，而且可以测得比较精确的对比数据。

另外，煤层瓦斯原位探测仪的显著特点还表现在以下几方面：
（1）利用煤层瓦斯压力探测新技术以及井下对煤储层的观察，可以确定在一定深度内的煤储层瓦斯的运移状态，从而确定该区域抽放孔的位置以及布置抽放孔的间距和开孔高度及深度，从而达到最好的抽放效果。

（2）利用煤层瓦斯探测新技术结合常规的预测防突的S值、含气量等技术参数，对于确定在当前预测区域煤层是否具有瓦斯突出危险具有补充作用。

（3）利用煤层瓦斯探测新技术可沿着某一巷道做一系列探测孔的测试，对于了解和认知该区域内煤层瓦斯流体的赋存状态以及运移规律具有重要作用，从而为抽放孔的布置提供科学依据。

（4）更难可贵的是利用煤层瓦斯探测新技术还可利用温度降低幅度这一辅助参数指标对煤层瓦斯抽放效果加以判断。

随着温度的升高，煤对煤层气的吸附能力减弱，即解吸速率加快；反之，解吸速率降低。

煤层气在煤中的解吸属于吸热反应，随着煤层气的解吸，煤层中的温度会局部下降，从而降低解吸速率。

因此，温度也是影响煤层气含量计算和解析速率的关键参数，在检测过程中，除了获取煤层气储层各处的压力、甲烷浓度之外，还必须取得各处的温度的详细资料。

可以预计，随着该矿测温数据的不断积累，该参数对于判断煤层瓦斯抽放效果的准判精度会有很大的
提高，在一定阶段会上升成为一个主要的判识指标。

图7给出了寺河矿西井区三水沟西胶大巷煤层
瓦斯抽放效果测压数据对比结果，表明该巷道经过为期2个月左右的煤层瓦斯抽放，煤层瓦斯压力有了显著的降低。

2．4 煤层瓦斯压力原位探测技术在瓦斯突出预测中的应用
在煤层瓦斯压力原位探测技术应用前，煤矿瓦斯压力检测均采用行业内公认的传统测压方法，因为传统测压方法能够反映煤层整体的瓦斯压力特征，但该方法存在周期长、定点针对性差等不足，而煤层瓦斯压力原位探测技术正好可以填补这一空白。

值得注意的是，由于大量地面煤层气开发井的压裂与排采，煤储层的裂缝系统与渗透性出现了明显的人为改变，同时也导致局部地段煤层瓦斯赋存状态的明显改变，特别是近煤层气井部位，若处理不慎，会导致大量煤层瓦斯集中涌出。

但运用煤层瓦斯压力原位探测技术可以通过精确的定位，较好地解决这一难题。

由此可见，根据不同的地质情况，两种探测方法的结合使用将会大大提高煤层瓦斯防突工作的效率。

（1）利用煤层原位压力瓦斯探测仪，能够对煤层瓦斯压力进行快速而又准确的测试，为预防煤与瓦斯突出和检验抽放效果提供了简捷方便的技术支撑。

（2）该仪器的测试具有快速、准确的优点，可大大提高预防煤与瓦斯突出的工作效率和节约人力物力，并适用于矿井日常生产工作的要求，具有广泛的适用性。

（3）该技术还需要进一步完善的方面是，需要深入研究煤层瓦斯压力与含量之间的函数关系，以达到通过测试煤层瓦斯压力推算煤层瓦斯含量的目标。

【相关文献】
［1］俞启香．矿井瓦斯防治［M］．徐州：中国矿业大学，1992：208－211．
［2］周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论［M］．北京：煤炭工业出版社，1999．
［3］文国军，乌效鸣，王生维，等．煤层气近水平孔孔底水力封隔器设计与试验［J］．煤田地质与勘探，2008，36（6）：73－77．。