地質構造復雜礦井煤層瓦斯壓力測定的影響因素

趙文清　但章玉　潘孝康

摘要：闡述了測量礦井瓦斯壓力的意義，同時對瓦斯壓力的測試方法及主要原理進行了簡介。針對一些礦井具有較為復雜的地質構造，結合礦井的現場數據，通過對比分析影響礦井瓦斯壓力測量結果的主要因素，得到了以下結論：（1） 針對礦井的地質構造特征，合理選擇測壓地點，充分考慮煤層賦存特性對測量結果的影響；（2） 精確設計施工鉆孔、優化鉆孔參數、恰當選擇封孔深度和封孔時間；（3） 合理整合和改進現有測壓方法，分階段、分區域合理選擇測壓方法。

關鍵詞：測壓方法；瓦斯壓力；地質構造；鉆孔

煤層中的瓦斯壓力是礦井安全生產時必須獲取的基礎參數，也是研究礦井瓦斯災害、瓦斯解吸和涌出規律以及評價煤層瓦斯含量和瓦斯抽放等的基本瓦斯參數。測量煤層瓦斯壓力的方法有很多，但是由于不同的礦井的地質條件差異性較大，需要選擇合適的測量方法。因而，如何在短時間內精確、有效地獲取煤層原始瓦斯壓力，一直是國內外相關領域的主要研究課題，其對于礦山安全管理與高效生產等方面都具有重大的指導意義和現實意義[1～2]。

1. 測壓方法

一般情況下，礦山對煤層瓦斯壓力測量的方法主要為直接測定法，有時也采用間接測定法。在巖巷或者煤巷向測量煤層打鉆孔，采用封孔材料和壓力表等來檢測煤層瓦斯壓力的方法稱為直接測定法；間接測定法則是以煤層瓦斯運移賦存特征、煤層透氣性系數、煤層瓦斯含量系數曲線等為基礎，在檢測區域附近收集煤層瓦斯涌出量或統計采掘過程中瓦斯涌出量等參數，通過計算推測出瓦斯壓力。目前，國內外主要采用直接測定法獲取煤層瓦斯壓力參數[1]。

直接測定法的主要原理是通過打鉆，將鉆孔布置在煤層深部，在孔內放置一根管道與外部連通，在管道口接上氣體壓力表，封閉鉆孔，防止氣體外泄。在打鉆過程中。鉆孔附近的瓦斯放散到巷道中，孔內的壓力與巷道氣壓相同，鉆孔附近的煤層中由于含有較高濃度的瓦斯，會逐漸向孔內滲流，鉆孔內瓦斯壓力逐漸增大。由于鉆孔所處煤層體積遠大于鉆孔自身的空間體積，經過一段時間的瓦斯滲流作用，鉆孔內的瓦斯壓力逐漸接近煤層的原始瓦斯壓力。從連接的壓力表上可以讀出孔內氣體的壓力值，當壓力值在一段時間內沒有變化時，此時的數值便是煤層的瓦斯壓力值[6]。

2. 影響測壓結果因素

對井下煤層瓦斯壓力進行直接測量是一項復雜的系統工程，在現場測量煤層的瓦斯壓力時，測壓地點的選擇、施工工藝以及測量讀數等每個工序都很復雜，只有做好每一個工序，才有可能獲得有效的煤層瓦斯壓力[7]。尤其是斷層多、煤層頂底板較為破碎松軟等地質構造復雜的礦井，進行煤層瓦斯壓力的測量就變得更為復雜，對測量結果的造成明顯影響的因素就更多了。

2.1 測壓地點的選擇

在煤層瓦斯瓦力的測量過程中，測量地點的選擇尤為重要。需要考慮以下兩個因素：①測壓鉆孔見煤點與周圍巷道之間的相對位置關系[8]。由于巷幫由外到里存在巷道寬3倍～5倍的裂隙區[9]，因為在對測壓鉆孔進行布置時，必須將鉆孔的見煤點布置在裂隙區以外，使其不受圍巖裂隙的影響；②鉆孔的開孔地點、見煤點等不應暴露在煤層卸壓范圍內。煤層的卸壓范圍由具體實際煤層的賦存特征、煤面暴露時間和面積大小等因素共同決定[9～10]。

2.2 煤層賦存條件

不同礦井的地質構造差異較大，在構造運動的作用下，部分煤層的產狀與整體差異性較大，導致鉆孔布置位置與設計要求不符，達不到預計地點或深度，影響測量結果。另一方面，礦井中的斷層或破碎帶等地質構造對瓦斯壓力的測量也有較大影響，由于施工需求，必須在斷層、裂隙帶或破碎帶等區域進行瓦斯壓力測量時，應該先對鉆孔周圍50m范圍內的圍巖進行水泥漿或其他封堵材料封堵，減少裂隙的影響，這樣才能有效測量瓦斯壓力[6]。

2.2.1 煤層埋藏深度

隨著煤層埋藏深度的增加，巷道地應力逐漸增大，煤層和圍巖在應力的作用下，裂隙閉合程度增大，導致煤巖透氣性降低，瓦斯不易運移滲出，煤層中瓦斯的封存率較高。因此，掌握瓦斯壓力隨埋深的變化規律有益于了解煤層賦存情況[5]。

2.2.2 煤層頂底板巖性

煤層的頂底板巖層的巖性對測壓結果有較大的影響，巖性致密，將會對煤層中的瓦斯起到較好的密封作用，降低瓦斯的滲出，利于測壓工作的開展，同時縮短測量時間。

2.2.3 鉆孔周邊巖石裂隙

如果鉆孔周圍巖層含有較多裂隙、較大的裂隙時，可能會影響測壓結果，尤其是在封孔效果不好時尤為顯著。所以布孔時不要選擇地質構造裂隙帶[5]。

2.2.4 水文地質條件

礦井含煤巖系及圍巖中一般都含有地下水，其運移和賦存特征與煤巖的孔隙、裂隙通道息息相關。地下水豐富的區域，由于水的作用，煤層的中瓦斯滲出量較大。這樣可以促進瓦斯的排放，進而降低了煤層瓦斯含量和瓦斯壓力[5]。通常情況下，處于承壓狀態的含水層都具有一定的壓力，如果測壓孔穿過了有壓的含水層，水壓與瓦斯壓力疊加會導致測量結果偏大[11～13]。

2.3 鉆孔參數

鉆孔參數主要包括傾角、方位、孔深、孔徑等。首先，合理設計鉆孔參數，現場控制時，盡量使測壓鉆孔不受采動應力的影響。然后，做到合理控制參數，從而減少測壓工作量，降低成本，促使測壓工作更便捷，結果更準確[8]。

2.4 封孔工藝[14]

目前，根據采用的封孔材料不同，測壓方法一般可分為黃泥（黏土）法，水泥砂漿封孔法，膠圈封孔器法，膠圈——壓力黏液封孔法，膠囊——壓力黏液封孔法等。按測壓封孔方法的不同，測定方法可分為填料法和封孔器法2類。

2.5 封孔深度

鉆孔測壓中鉆孔密封位置所達到的深度就是封孔深度。由于煤巖層中裂隙松散區域的存在，針對瓦斯抽采封孔和測壓封孔兩種對瓦斯密封有較高要求的技術，每次封孔深度都必須穿過這些區域達到煤巖的致密區，從而保證鉆孔不受采動應力的影響。測壓鉆孔對封孔深度要求十分嚴苛，沒有超過裂隙松散區的封孔深度，可能使孔內的瓦斯通過松動裂隙區流出，導致測量的瓦斯壓力偏低[8]。因而，鉆孔測壓時一定要確保封孔深度足夠。如果鉆孔經過巖巷，鉆孔深度一般情況下都應大于10m。

2.6 封孔時間

測壓鉆孔施工完后應24h內完成鉆孔的封孔工作，在完成封孔工作24h后進行測定工作[15]。對于鉆孔流量衰減系數較大的煤層，封孔要及時。

在古敘礦區觀文煤礦12406運輸順槽測定19號煤層瓦斯，布置兩個鉆孔，相距50m。5#鉆孔在鉆孔施工完后8h內完成封孔；6#鉆孔在鉆孔施工完后16h內完成封孔。在同樣的封孔條件下，測得的兩孔瓦斯壓力參數見表1。

3. 結論

（1）測定煤層瓦斯壓力時，測壓鉆孔的布置位置應遠離采動影響的范圍，熟悉測壓鉆孔附近的煤巖地質特征，避免諸如斷層、褶皺、鄰近煤層、水等其他因素的影響，防止瓦斯壓力測量結果不準確甚至測壓失敗。

（2）對于鉆孔流量衰減系數較大的煤層，封孔要及時。在施工條件允許時，應盡量做到鉆孔施工完后立即封孔以確保測量瓦斯壓力結果的準確性。

（3）合理整合和改進現有測壓方法，根據實際情況，分階段、分區域合理選擇測壓方法、布孔位置以及封孔方法等，促使鉆孔測壓的成功率大大提高，達到準確測量煤層瓦斯壓力的目的。

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