2任务二 煤层瓦斯压力及其测定

任务二 煤层瓦斯压力及其测定
【主要内容】
一、煤层瓦斯压力及其分布规律 二、煤层瓦斯压力测定原理 二、煤层瓦斯压力测定方法
四、瓦斯压力测定要求与数据处理
五、实训与操作-钻机施工钻孔测定瓦斯压力
《煤矿安全规程》要求，为了预防石门揭穿煤层时发生突出事故，必须在揭穿突出煤层前，通过钻孔测定煤层的瓦斯压力，它是突出危险性预测的主要指标之一，又是选择石门防突措施的主要依据。

同时，用间接法测定煤层瓦斯含量，也必须知道煤层原始的瓦斯压力。

因此，测定煤层瓦斯压力是煤矿瓦斯管理和科研工作需要经常进行的一项内容。

一、 煤层瓦斯压力及其分布规律
煤层瓦斯压力是煤层裂隙和孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的作用力。

其单位是MPa(兆帕)。

它是煤层裂隙和孔隙内游离瓦斯热运动的结果。

根据大量的测定结果表明，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加，可以按下式预测深部煤层的瓦斯压力：
)(00H H m p p -+= （1-2-1）
式中 P ——在深度H 处的瓦斯压力，MPa ；
P 0——瓦斯风化带H 0深度的瓦斯压力，MPa ，一般取0.15～0.2，预测瓦斯压力时可
取0.196；
H 0——瓦斯风化带的深度，m ； H ——煤层距地表的垂直深度，m ；
m ——瓦斯压力梯度，MPa/m 。

可由下式计算：
10
1=H H P P m —— （1-2-2）
式中 P 1——实测瓦斯压力，MPa ；
H 1——测瓦斯压力P 1地点的垂深，m 。

实际应用时，m 一般取为0.01±0.005。

煤层瓦斯的压力应该实际测量。

根据我国各煤矿瓦斯压力随深度变化的实测数据，瓦斯压力梯度m 一般在0.007～0.012 MPa/m ，而瓦斯风化带的深度则在几米至几百米之间。

表1-2-1是我国部分矿井的煤层瓦斯压力和瓦斯压力梯度实测值。

表1-2-1 我国部分矿井的煤层瓦斯压力和瓦斯压力梯度实测值
对于一个生产矿井，应该注意积累和充分利用已有的实测数据，总结出适合本矿的基本规律，为深水平的瓦斯压力预测和开采服务。

例1-2-1 抚顺龙凤矿于-400 m 水平（地面标高100 m ）曾测得煤层瓦斯压力为0.784 MPa ，试预测下水平-460 m 水平煤层的瓦斯压力。

解 根据表1-1-3，取H 0＝250m ，P 0＝0.196 MPa ，瓦斯梯度为：
10
1=H H P P m ——
250
500196
.0784.0=——
＝0.00235 MPa/m
预测-460 m 水平煤层的瓦斯压力为： ()
00+=H H m P P —
＝0.196+0.00235×（560—250） ＝0.925 MPa
经推算，-460 m 水平的煤层瓦斯压力为0.925 MPa 。

二、煤层瓦斯压力测定原理
煤层瓦斯压力测定原理就是通过地面钻探孔或井下钻孔揭露煤层，安设瓦斯压力测定装置及仪表。

封孔后，利用煤层瓦斯的自然渗透作用，使钻孔揭露煤层处或测压室的瓦斯压力与未受钻孔扰动煤层的瓦斯压力达到相对平衡，并通过测定钻空揭露煤层处或测压室的瓦斯压力来表征被测煤层的瓦斯压力。

根据煤层瓦斯压力测定时的钻孔设置地点不同，可以分为井下钻孔法和地面钻孔法两种。

井下钻孔法按照钻孔封孔位置不同又可分为岩石-煤层测压法和本煤层测压法。

岩石-煤层测压法就是由岩巷向煤层打测压钻孔，在岩石段中封孔测定煤层中的瓦斯压力；本煤层测压法就是在煤巷或穿层石门直接沿煤层打测压钻孔，在煤层中封孔测定煤层中的瓦斯压力。

地面钻孔法就是在煤田勘探时期，由放入勘探孔底的压力敏感元件发出的压力信号，传输到地面而测得煤层瓦斯压力的一种方法。

煤层瓦斯压力直接测定时，关键在于封闭钻孔的质量。

如果钻孔封闭严密不漏气，仪表显示的压力即是测点及其附近的实际瓦斯压力。

根据封孔原理可以分为主动式和被动式两种封孔方法。

主动式封孔方法就是在封闭段两端的固体物质间注入密封液，并在高于预计瓦斯压力的密封液压力作用下，使密封液渗入孔壁与固体物的缝隙和孔壁周围的裂隙中以阻止煤层瓦斯泄漏。

被动式封孔法就是用固体物充填测压管与钻孔壁之间的空隙，以阻止煤层瓦斯泄漏。

三、煤层瓦斯压力测定方法 图1-2-1 煤层瓦斯压力测定图
1-测压钻孔；2-煤层；3-巷道；4-压力表
我国广泛采用从井下巷道打钻直接测定煤层瓦斯压力。

测定煤层瓦斯压力时，通常是从围岩巷道（石门或围岩钻场）向煤层打直径为50-75 mm 的钻孔，孔中放测压管，将钻孔密封后，用压力表直接进行测定。

为了测定煤层的原始瓦斯压力，测压地点的煤层应为未受采动影响的原始煤体。

石门揭穿突出煤层前测定煤层瓦斯压力时，在工作面距煤层法线距离5m 以外，至少打2个穿透煤层全厚或见煤深度不少于10m 的钻孔，如图1-2-1。

测压的封孔方法分填料法和封孔器法两类。

根据封孔器的结构特点，封孔器分为胶圈、胶囊和胶圈——粘液等几种类型。

（一）填料封孔法
填料封孔法是应用最广泛的一种测压封孔方法。

采用该法时，在打完钻孔后，先用水清洗钻孔，再向孔内放置带有压力表接头的测压管，管径约为6～8mm ，长度不小于6m ，最后用充填材料封孔。

图1-2-2为填料法封孔结构示意图。

人工封孔时，封孔深度一般不超过5m ；用压气封孔时，借助喷射罐将水泥砂浆由孔底向孔口逐渐充满，其封孔深度可达10m 以上。

为了提高填料的密封效果，可使用膨胀水泥。

填料法封孔的优点是不需要特殊装置，密封长度大，密封质量可靠，简便易行；缺点是人工封孔长度短，费时费力，且封孔后需等水泥基本凝固后，才能上压力表。

（二）封孔器封孔法 1．胶圈封孔器法
胶圈封孔器法是一种简便的封孔方法，它适用于岩柱完整致密的条件。

图1-2-3为胶圈封孔器封孔的结构示意图。

封孔器由内外套管、
挡圈和胶圈组成。

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21mm ，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，达到封孔的目的。

胶圈封孔器法的主要优点是简便易行，封孔器可重复使用；缺点是封孔深度小，且要求封孔段岩石必须致密、完整。

2．胶圈——压力粘液封孔器法
这种封孔器与胶圈封孔器的主要区别是在两组封孔胶圈之间，充入带压力的粘液。

胶圈——压力粘液封孔器法的结构示意图如图1-2-4所示。

该封孔器由胶圈封孔系统和粘液加压系统组成。

为了缩短测压时间，本封孔器带有预充气口，预充气压力略小于预计的煤层瓦斯压力。

使用该封孔器时，钻孔直径62mm ，封孔深度11～20m ，封孔粘液段长度3.6～5.4m 。

适用于坚固性系数f ≥0.5的煤层。

图1-2-2 填料法封孔结构示意图
1—前端筛管；2—挡料圆盘；3—充填材料；4—木楔；5—测压管；6—压力表；
图1-2-3 胶圈封孔器封孔结构示意图 1—测压管；2—外套管；3—压紧螺帽；4—活动挡
圈；5—固定挡圈；6—胶圈；7—压力表；8—钻孔
这种封孔器的主要优点是：封孔段长度大，压力粘液可渗入封孔段岩（煤）体裂隙，密封效果好。

实践表明，封孔测压技术的效果除了与工艺条件有关外，更主要取决于测压地点岩体（或煤体）的破裂状态。

当岩体本身的完整性遭到破坏时，煤层中的瓦斯会经过破坏的岩柱产生流动，这时所测得的瓦斯压力实际上是瓦斯流经岩柱的流动阻力，因此，为了测到煤层的原始瓦斯压力，就应当选择在致密的岩石地点测压，并适当增大封孔段长度。

四、瓦斯压力测定要求与数据处理 (一)瓦斯压力测定要求 1.选用的测压表量程为预计煤层瓦斯压力的1.5倍。

准确度优于1.5级。

2.采用主动封孔测压法时，应每天观测压力表一次。

当煤层瓦斯压力小于4 MPa 时，观测时间需5～10天，当煤层瓦斯压力大于4 MPa 时，则需10～20天。

3.采用被动封孔测压法时，应至少3天观测一次。

在观测中发现瓦斯压力值变化较大时，则应适当缩短观测时间间隔。

视煤层的瓦斯压力及透气性大小的不同，需30天以上。

4.测压钻孔的瓦斯压力变化在连续3天内小于0．015MPa/d 时，测压工作即可结束。

(二)数据处理
在结束测压工作拆卸压力表头时，应测量从钻孔中放出的水量。

若钻孔与含水层导通，则此测压钻孔作废，并按有关规定进行封堵钻孔；若测压钻孔没有与含水层导通，应根据钻孔中的积水情况对测定压力结果进行修正。

一般应根据从钻孔中放出的水量、钻孔参数、封孔参数等进行修正。

但同一测压地点应以最高瓦斯压力值作为测定结果。

五、实训与操作-钻孔测定瓦斯压力
这种方法通常应用在未受开采影响的煤层原始瓦斯压力测定。

是一种传统方法，测定方法及步骤如下：
（1）距煤层10m 以外打钻，孔径75mm ；
（2）钻孔施工完后，清除孔内煤粉铁屑等杂质；
（3）放入一根与孔长相等的Φ10mm 左右的镀锌铁管，管的一头开孔（导气），并加工为偏嘴头（放入钻孔内时避免煤粉罐入）；
（4）封孔。

采用黄泥（炮泥）或水泥砂浆封孔。

灌注水泥、石膏浆时，水与水泥的比例为1：0.5（质量比）。

若用机械泵进行封孔，则采用矿用2NB(BW)50型泥浆泵；
（5）装上压力表；
（6）等待3～6月，压力表稳定后其压力表读数即为该煤层在该点的瓦斯压力。

【思考与练习】
1．什么是煤层瓦斯压力？
2. 煤层瓦斯压力测定原理是什么？
图1-2-4 胶圈-压力粘液封孔器法结构示意图 1—补充气体入口；2—固定把；3—加压手把；4—推力轴承；5—胶圈；6—粘液压力
表；7—胶圈；8—高压胶管；9—阀门；10—二氧化碳瓶；11—粘液；12—粘液罐
3．井下钻孔法测定瓦斯压力有哪些方法？
4．简述采用钻孔测定瓦斯压力的步骤。

5．简述瓦斯压力测量封孔方法有哪些？优缺点各是什么？
6．某矿于-500 m水平（地面标高120 m）曾测得煤层瓦斯压力为0.762 MPa，瓦斯压力梯度为0.012MPa/m，试预测下水平-580 m水平煤层的瓦斯压力。