煤层瓦斯压力

煤层瓦斯压力
• • • • 煤层瓦斯压力的基本概念 煤层瓦斯压力的分布规律 煤层瓦斯压力的测定方法 煤层瓦斯压力的预测方法
煤层瓦斯压力的基本概念
• 煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内游离瓦斯气体分子自由热运 动所产生的作用于孔隙壁的压力。 根据煤层是否受采动、瓦斯抽采及人为卸压等因素的 影响，将煤层瓦斯压力分为原始瓦斯压力和残余瓦斯两类。 煤层瓦斯压力这个概念对煤矿安全生产的指导意义？ 煤层瓦斯压力是评价煤层突出危险性与决定煤层瓦斯 含量的一个重要指标，并在煤层突出危险性指标重要性排 序中位居前列。同时，煤层瓦斯压力还是决定瓦斯流动动 力以及瓦斯动力现象的潜能大小的基本参数，在研究与评 价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯流动、瓦斯抽采与瓦斯突出 问题中具有指导意义。
胶圈封孔器法
• 胶圈封孔是一种简便的封孔方法，它适用与岩柱完整致密 的条件。图为胶圈封孔器结构示意图。 • 封孔器由内外套管、挡圈、胶圈和压力表组成。内套管即 为测压管。封直径为50mm的钻孔时，胶圈外径为49mm， 内径为21密码，每节胶圈长度为78mm。测压管前端焊有 环形固定挡圈，当拧紧压紧螺帽时，外套管向前移动压缩 胶圈，使胶圈径向膨胀，即达到封孔目的。为
煤层瓦斯压力的分布规律
煤层瓦斯运移的总趋势是瓦斯由地层深部向地表逸散，这一规律 决定了煤层瓦斯压力和含量随深度增加而增大，如图所示为我国各主 要矿区实测煤层瓦斯压力随深度的变化规律。 由于赋存在煤中的瓦斯表现出垂向分带特征，可以分为瓦斯风化 带和甲烷带。在瓦斯风化带内，瓦斯含量与瓦斯压力较小，风化带下 部边界条件中瓦斯压力为p=0.15~0.2MPa；在甲烷带内，煤层的瓦斯 压力随深度增加而增加。 在地质条件相近的地质块段，相同深度的同一煤层具有大体相同 的瓦斯压力，多数煤层瓦斯压力随埋深呈线性增加；在某些地质条件 局部变化区域（覆盖岩层性质变化、岩浆岩侵蚀、开放式的大断层）， 煤层瓦斯压力将会偏离线性规律。
• 尽管在封孔测压技术方面我国进行了许多试验研 究，但实践表明，迄今还不能保证每次测压都能 成功。这除与封孔测压工艺条件（孔未清洗净， 填料未填紧密，水泥凝固产生收缩裂隙，接头漏 气等）有关外，主要取决于测压地点岩体（或煤 体）的破裂状况。当岩体本身完整性破坏时，煤 层中瓦斯会经破坏岩柱产生流动，这时测到的瓦 斯压力实际上是瓦斯流经岩柱的流动阻力。为了 测到煤层的原始瓦斯压力，应尽可能选择在致密 岩石地点测压，并适当增大封孔长度。
煤层瓦斯压力的测定方法
煤层瓦斯压力的测定方法现行标准是AQ/T 1047— 2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》，该标准 中规定了煤矿井下直接测定煤层瓦斯压力的测定方法、工 艺、设备、材料、封孔等具体要求。 测定方法的分类 井下直接测定方法 测压地点的选择
测定方法的分类
煤层瓦斯压力测定原理
安全线图解法
• • • 淮北矿业集团桃园煤矿同一地质单元的82煤层实测瓦斯压力数据如图2-25所示。 采用一元线性回归与多项式回归方法时，深部瓦斯压力预测值较小，根据该数值做出的瓦斯治理对策与工程无法保 证采掘工作面的安全，并且该方法得出的桃园矿82煤层的风化带下限标高在-420m左右，深于该矿突出危险区划中 的风化带标高（-310m）近100m以上。 而采用安全线法进行瓦斯压力预测时，能够保证全部的真实瓦斯压力均在安全线以下，并且该方法得出的桃园矿82 煤层的风化带下限标高在-306m左右，与风化带下限标高基本一致。瓦斯压力梯度为0.01082MPa/m，符合深部原 始煤体瓦斯压力变化情况，此后在后续的生产实践中继续测定的瓦斯压力均在安全线附近，验证了该方法的安全线 与合理性。
煤层瓦斯压力的测定原理是煤层中瓦斯的自然渗透原理。采用现有的方法通过打 钻封孔后在煤层内形成测压室，上压力表后，测压室周围无限大空间煤体内的瓦斯不 断向测压室运移，最终平衡，达到煤层的真实瓦斯压力。原理如图所示。
周围煤体内瓦斯运移
打钻
封孔
形成测压室
上压力表 平衡
测定煤层瓦斯压力
按测压方式分类
按测压时是否向测压钻孔内注入补偿气 体，可以分为主动测压法和被动测压法。 主动测压法 被动测压法
胶圈—压力黏液封孔器法
• 胶圈—压力黏液封孔器的主要技术参数如 下： 钻孔直径：62mm； 封孔深度：11~20m； 封孔黏液段长度：3.6~5.4m； 封孔器质量（长15m）：120kg。
胶囊—压力黏液封孔器法
• 在胶圈—压力黏液封孔器装置基础上，中国矿业 大学又研制成功了胶囊—压力黏液封孔器。其封 孔原理类似于胶圈黏液封孔器，所不同的是胶囊 代替了胶圈，由于胶囊的弹性大，与孔壁可全面 紧密接触，密封黏液的性能优于胶圈，不仅用于 封岩石钻孔，而且也能封较硬煤层中的煤孔。该 封孔器可以回收复用。复用下井前，一定要在地 面进行耐压、检漏试验，只有整个系统没有任何 漏气、漏液现象才算合格，方可下井使用。地面 上的严格检查是确保井下正常使用的前提，每一 次下井使用前，都必须在井上检查合格才行。
煤层瓦斯压力的预测方法
• 预测的必要性 矿井向深部水平延深之前，需要对深部采区、工 作面瓦斯赋存情况进行分析，特别是对煤层瓦斯 压力与瓦斯含量进行预测，根据预测结果，制定 防治煤与瓦斯突出对策及进行工程量估算。采用 间接法测定煤层瓦斯含量时，也需要对煤层瓦斯 压力随埋深的变化进行预测，因此现场瓦斯压力 预测方法的选取及其合理性显得十分重要。
较少
胶囊—压力黏液
较广
黄泥、黏土封孔法
采用该法时，在打完钻孔后，先用水清 洗钻孔放入带有压力表接头的紫铜管（管 径约为6~8mm，长度不小于6m）。填料法 封孔结构示意图如图所示。
黄泥/黏土封孔法
为了防止测压管堵塞，在测压管前端焊接一段直径大 于测压管的筛管。 为了防止填料堵塞筛管，在测压管前端后部焊一挡料 圆盘。 充填材料一般用黄泥或黏土。填料可用人力送入钻孔。 封孔时将圆环形木楔套入测压管中滑入钻孔中，到达 托盘处停止，再送入三块黄泥。其后再送一块木楔，然后 将铁耙也套入测压管，顺测压管下放入钻孔中。使用铁耙 将下放的黄泥砸实，提出铁耙。接下来再送入三块黄泥和 一块木楔，再用铁耙捣实，依次类推连续进行，直到钻孔 外端只剩0.3m时停止，钻孔外端需用水泥砂浆固结。
安全线图解法
• 该方法对生产过程中测定的大量瓦斯压力值进行统计分析， 排除由于承压水等因素导致的数值较大的异常测点，然后 选取其中两个真实的标志点进行线性连接，做出安全线， 使除异常点外的其余部分测点均在该直线以下（如图所 示）。
安全线图解法
• 标志点需要结合风化带下限临界值确定，当选择两个标志点做出的曲 线通过该临界点（或在附近）时，标志点选择正确；否则需要重新确 定标志点。 • 在无法找到两个标志点时，充分考虑风化带下限临界值点，选择一个 标志点，取静水压力梯度（0.01MPa/m）作为瓦斯压力梯度做出安全 线，并应满足除异常点以外的其余部分测点均在该直线以下。 • 值得注意的是，由于测压环境及封孔质量影响，导致深部水平部分测 定的压力值较低，不符合深部瓦斯压力变化基本规律，不能作为标志 点予以采用。 • 根据安全线法做出的曲线推测煤层瓦斯压力能够尽量避免煤层实测瓦 斯压力偏小的情况，给矿井瓦斯治理方案的制定提供有利依据，同时 当深部出现高于安全线法推测值时，如经判断确定为真实瓦斯压力时， 需要重新确定标志点，对安全线进行修订。
注浆封孔测压法
注浆封孔测压法是目前应用最广泛的一种封孔方法，适应于井下各种情况下的封孔。 注浆泵一般采用柱塞注浆泵，封孔材料一般采用膨胀不收缩水泥浆（一般由膨胀剂、 水泥和水按一定比列制成），测压管一般采用铜管、高压软管或无缝钢管。 通过辅助管将安装有夹持器的测压管安装至预定的测压深度，在孔口用木楔和快干 水泥封住，并安装好注浆管，根据封孔深度确定膨胀不收缩水泥的使用量，按照一定 比例（参考值：水灰比为2：1，膨胀剂的掺量为水泥的12%）配好封孔水泥浆，用注 浆泵一次连续将封孔水泥浆注入钻孔内，并在注浆24h后，在孔口安装三通及压力表。 孔口可装置充气设备，通过主动注气，补偿瓦斯的损失量，缩短平衡时间。如图所示。
水泥砂浆
适用性强，成本低，操作 简单。封孔深度长，风孔 密封性好 设备简单、重量轻、易操 作、封孔器可回收重复使 用 对松软、裂隙发育的岩层 密封较好；整套装置轻便， 安装快捷；测压时间较短； 测压效果较好 测压时间短，装置可重复 使用，是在煤巷测量瓦斯 压力的最好技术
最广
胶圈封孔器
较少
胶圈—压力黏液
主动测压法
在钻孔预设装置和仪表并完成封孔后，通过 预设装置向钻孔揭露煤层处或测压气室充入一定 压力的气体，从而缩短瓦斯压力平衡所需时间， 进而缩短测压时间的一种测压方法。 补充气体用于补偿钻孔密封前通过钻孔释放 的瓦斯，缩短瓦斯压力平衡时间。可选用氮气、 二氧化碳或其他惰性气体。 补充气量取决于打钻过程中（封孔前）损失 的气量，如二氧化碳的吸附能力较强，其需要补 充的气体量相对氮气要大。此外，还要考虑补充 气体的吸附平衡时间。
为什么对瓦斯压力的预测不应采用 回归方法？
对于矿井生产过程中的瓦斯压力实测数据， 由于测试钻孔的岩性条件、封孔效果、煤层瓦斯 赋存的不均匀性，煤层瓦斯压力测试结果本身无 法全部保证为真实数值，大多数情况下均有误差， 数据化的离散化程度较高，无法满足回归的要求， 采用回归方法将会使许多深部标高对应的预测压 力小于真实测定的瓦斯压力，此时若采用该预测 数据进行指导采取措施消突与校验，理论上达到 了消突指标，可是实际上仍有突出危险。因此对 于煤矿这种危险程度大、要求安全可靠性强的企 业，生产过程中对瓦斯压力的预测不应采用回归 方法。
封孔测压法 主要优点 主要缺点 应用情况 黄泥/黏土 设备少，不需要特殊装置， 成本低 人工封孔费时费力，封孔 长度短；只适合于钻孔开 口在岩巷的测压场所，且 要求岩层坚硬少裂隙；封 孔效果难以保证 地质条件复杂时难以完全 封堵裂隙；需扣除钻孔静 水压力对读数的影响 封孔长度短，封孔段若存 在裂隙则漏气，只适用于 比较细密、坚硬的岩石钻 孔 整套装置价格比较昂贵， 岩层压力较大时很难回收 再利用 整套装置成本较高，操作 比较烦琐，煤层松软时， 封孔仪器回收较困难 很少
被动测压法
测压钻孔被密封后，利用被测煤层瓦斯 向钻孔揭露煤层处或测压气室内的自然渗 透作用，进而测定煤层瓦斯压力的方法。
按测压封孔方法分类
按测压封孔方法的不同，测定方法可分为填料法和封孔器法两类，其中填 料法可分为黄泥（黏土）封孔法、水泥砂浆封孔法；封孔器法分为胶圈、胶 囊和胶圈—黏液等几种方法。 各种井下钻孔封孔技术的优缺点比较如表。
测压地点的选择
• 测定地点的选择原则如下： （1）测定地点应优先选择在石门或岩巷中，选择岩性致密的地点，且无 断层、裂隙等地质构造处布置测点，其瓦斯赋存状况要具有代表性； （2）测压钻孔应避开含水层、溶洞，并保证测压钻孔与其距离不小于 50m； （3）对于测定煤层原始瓦斯压力的测压钻孔应避开采动、瓦斯抽采及其 他人为卸压影响范围，并保证测压钻孔与其距离不小50m； （4）对于需要测定煤层残余瓦斯压力的测压钻孔，则根据测压目的的要 求进行测压地点的选择； （5）选择测压地点应保证测压钻孔有足够的封孔深度（穿层测压钻孔的 测压室位于巷道的卸压圈之外），并需保证15m以上的岩柱长度。采 用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5o。 （6）同一地点应设置两个测压钻孔，其终孔见煤点或测压室应在相互影 响范围之外，原则上测压孔距离应不小于20m。 （7）瓦斯压力测定地点宜选择在进风系统、行人少且便于安设保护栅栏 的地方。
胶圈封孔器法
了提高胶圈封孔质量，有时用两组胶圈。
胶圈—压力黏液封孔器法
• 胶圈—压力黏液封孔装置是中国矿业大学研制成功的一种 新的封孔方法，它与胶圈封孔器的主要区别是在两组封孔 胶圈之间充入带压力的黏液。其结构如图所示。
Байду номын сангаас圈—压力黏液封孔器法
• 该封孔装置由胶圈封孔系统和黏液加压系统组成。 为了缩短测压时间，该封孔装置带有预充气口， 预充气压力略小于预计的煤层瓦斯压力。与其他 封孔器相比，这种封孔器的主要优点：一是增大 了封孔段的长度；二是压力黏液可渗入封孔段岩 （煤）体的裂隙，增大了密封效果。为了进一步 提高黏液的堵漏效果，可在黏液中添加固体碎屑， 或将压力黏液改为气、液固三相泡沫介质。试验 证明，利用三相泡沫，可封堵小于4mm宽的裂隙。