煤层瓦斯参数测定设计.doc

山东新河矿业有限公司3煤层
瓦斯参数测定现场施工技术方案

山东鼎安检测技术有限公司
一月

山东新河矿业有限公司3煤层
瓦斯参数测定现场施工技术方案

编写：
审核：
批准：

山东鼎安检测技术有限公司
四月

煤层瓦斯基础参数测定项目一览表

项目名称
依据标准
备注
煤层瓦斯基础参数测定
瓦斯压力直接测定
AQ/T1047-2023煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法

工业分析测试
GBT 212-2023煤的工业分析方法

真相对密度测试
GBT 217-2023煤中真相密度测定方法

视相对密度测试
GB 6949-2023-T 煤的视相对密度测定方法

孔隙率测试
GBT 23561.4-2023煤和岩石物理力学性质测定方法

坚固性系数测试
GB_T 23561.12-2023煤的坚固性系数测定

瓦斯放散初速度△P测试
AQ 1080-2023瓦斯放散初速度测定方法

瓦斯吸附常数测试
GBT 19560-2023 煤的高压等温吸附实验方法

煤的破坏类型
AQ1024-2023煤与瓦斯突出性鉴定规范

煤层瓦斯含量
井下自然解吸瓦斯量
GB/T 23250-2023
煤层瓦斯含量井下直接测定方法
AQ1066-2023
煤层瓦斯含量井下直接测定方法

残存瓦斯含量测定

一、概况
新河矿业自2023年9月开工建设，2023年建成开始联合试运转，2023年7月正式生产。原设计生产能力0.3Mt/a， 2023年后，在对井底车场、重要水平大巷及主提高、通风等矿井重要生产系统进行了扩容与改造的同时，对新河、唐口矿井井田边界进行了优化调整，经山东省国土资源厅批准，将相邻的唐口矿井630采区划归新河矿井开采，目前-400m生产水平处在收尾阶段，-980m水平正在进行开拓准备。
唐口矿井630采区划归新河矿井后，结合现场开采情况，将采区分为530采区、630采区和730采区，为拟定新增长采区煤层的瓦斯参数，在530胶带集中巷及轨道集中巷施工瓦斯钻孔对煤层的瓦斯参数进行测定。
二、地质及水文地质条件
（一）地层产状
工作面穿越永东闸向斜两翼，西部处在永东闸西向斜的西翼，受两向斜构造影响，地层产状变化较大，走向SE～NE～SE，倾向SW～SE～SW，倾角5～29°，平均10°左右。
（二）褶曲
根据矿井延深区三维地震勘探资料，延深区发育有两个褶曲，分别为永东闸向斜、永东闸西向斜，受其影响地层产状变化较大。其特性如下：
1、永东闸西向斜：位于延深区中部，永东闸以西。轴向NW，延展长度约1.23km，幅度约40m。该向斜两翼不对称，西翼倾角较陡可达30°，东翼相对较缓为11°。
2、永东闸向斜：位于延深区东部，永东闸北侧，T21-1孔以西。轴向不明显，北部为NNE、南部转为NW，延展长度约0.58km，幅度约30m，西翼倾角较缓，在5°左右。
（三）断层
根据延深区三维地震勘探资料分析，工作面掘进过程中将揭露断层1条，落差11m，对巷道掘进影响较大。
该掘进工作面附近各断层特性见下表：
表3: 断层构造情况表
断层名称
性 质
产 状
落差（m）
影响限度
走向（°）
倾向（°）
倾角（°）
F1
正断层
310
220
50
11
小

（4）重要含水层
530胶带集中巷掘进工作面沿3煤底板掘进，水文地质条件简朴，重要受3煤顶底板砂岩及三灰含水层影响。
1、3煤顶底板砂岩含水层
根据水文补勘DM-203孔资料，3煤顶底板砂岩含水层厚44.76m，重要由浅灰色、灰色和深灰色粗、中、细砂岩组成，发育少量高角度裂隙，岩石较破碎。钻孔抽水实验资料表白，单位涌水量为0.004613L/s·m ，富水性弱。此外，从-980m水平二节胶带暗斜井掘进揭露3煤顶板砂岩情况看，掘进过程中仅有少量顶板淋水，水量小。
2、三灰含水层
该区域三灰厚4.82m，裂隙发育，充填方解石。水文补勘DM-201孔三灰含水层抽水实验资料表白，单位涌水量0.000551 L/s·m，富水性弱。三灰上距3煤层48.5m，对掘进无直接影响，但由于本区煤层埋藏深，三灰水压较高，构造复杂区域断层带、裂隙发育地段也许成为导通含水层通道，因此三灰为开采3煤层底板进水型直接充水含水层。
三、工程设计
（一） 布置原则
钻孔位置充足考虑施工现场对瓦斯钻孔的影响，将施工瓦斯钻孔前后1个卸压孔均用水泥进行封堵严密，尽量减小卸压钻孔对其的影响，且不影响井下正常生产。
（二）钻孔结构
采用SGZ-3B型煤矿用坑道钻机，钻具组合：φ50×5.5mm地质钻杆，φ75mm钻头。采用2ZBQ-10/15型注浆泵，浆液搅拌采用自制0.15m3水泥浆搅拌桶。
钻孔采用一级结构，采用φ75mm钻头开孔钻进50m，其中钻进30米后取芯2米。施工完毕后孔内预留4分测压管（最里段安设一根花管），外段30米用水泥浆注浆封孔。
（三） 钻孔位置及参数
为准确测定煤层瓦斯压力，使测出的瓦斯压力值可以代表煤层的原始瓦斯压力，测定煤层瓦斯压力地点要避开断层、褶皱、裂隙带等地质构造带，使钻孔周边煤层处在原始状态。通过察看矿井相关资料及井下实地考察结合煤层揭露情况，共布置3组测点（6个测压钻孔）测定3煤层的原始瓦斯压力测定。瓦斯钻孔位置示意图见图1。
1#测点布置在530胶带集中巷L8右侧50m处与75～80m处，与巷道呈80°夹角，倾角8°开孔，终孔位置在3煤层顶板；
2-1#钻孔布置在530轨道集中巷向里距离3-1#钻孔50m左右，2-2#钻孔布置在2-1#钻孔右侧距其35m左右处，垂直与巷道左帮开孔，终孔位置在3煤层顶板；
3#测点布置在530胶带集中巷运送联络巷与530胶带集中巷交汇处及530胶带集中巷运送联络巷与530轨道集中巷交汇处附近(3-1#钻孔在530胶带集中巷运送联络巷与530胶带集中巷交汇处向内40m处、3-2#钻孔在530胶带集中巷运送联络巷与530轨道集中巷交汇处)，两钻孔均垂直所在巷道侧帮，3-1#钻孔倾角8°开孔，3-2#钻孔倾角7°开孔，终孔位置在3煤层顶板（预计两钻孔孔深均为60.0m左右）。

图1 瓦斯压力钻孔布置图
（四）钻孔施工规定：
①测压钻孔应选择在无断层、裂隙等地质构造处，应避开含水层、溶洞，并保证钻孔与其距离不小于50m，钻孔周边煤层应处在原始状态，应避开采动、瓦斯抽采及其别人为卸压影响范围，并保证钻孔与其距离不小于50m；
②同一地点应设立两个测压钻孔，其终孔见煤点或测压气室应在互相影响范围外，其距离除石门测压外应不小于20m；
③选择合适的测压地点后,以8°的仰角从向煤层打钻,钻孔采用φ75mm钻头，钻孔深度保证穿过整个煤层，终孔点为煤层顶板。钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完整，如钻孔报废应离开报废钻孔至少20m重新进行施工；钻孔施工过程中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔在煤层中长度、钻孔开钻时间、见煤顶板距离及时间及钻孔完毕时间。钻孔施工参数示意图见图2。
（五）封孔
由于煤层瓦斯是粘性很小的气体，其粘度系数μ=1.08×10-6Pa·s，在高压作用下，可以说是无孔不入。钻孔孔壁内存在细微孔道，在高压瓦斯的作用下很也许连通起来，形成瓦斯泄漏的立体交叉通道。在具有煤与瓦斯突出危险的煤层中，一般地应力高，煤层透气系数小；因此测压时微量的漏气，就能导致所测压力值的很大减少。
在松软的煤层中测压时，钻孔周边往往具有卸压圈和裂隙网，发生漏气是显而易见的。页岩、砂质页岩中也往往裂隙发育，所以在页岩、砂质页岩和煤层中测定瓦斯压力要取得可靠的结果较为困难。而煤系地层大多为页岩和砂质页岩，这就是测压结果误差较大的重要因素。实践表白，封堵孔壁裂隙用固体物显然是不行的，只能用粘性液体(或流体)，为了抵抗高压瓦斯的排斥，粘性液体压力应始终高于瓦斯压力，这是准确测压的关键。本次压力测定决定采用水泥浆封堵测压钻孔。
测压管均选用Φ16×1.5mm无缝钢管（普通4分管），为便于安装,取每根钢管长1.5m或2.0m，根据现场实际情况用接箍联接成需要的长度；测压管根据需要一端位于测压室内（需加工成花管）,其露出钻孔一端接压力表。

图2 钻孔施工参数示意图

钻孔打好以后，应在24h内进行封孔。封孔时将连接好的瓦斯测压管送入测压钻孔内，并送入钻孔内见煤点测压气室。在钻孔内测压管距孔口满足封孔深度规定处安设一个挡盘（缠绕棉纱）用于阻止封孔材料堵塞测压气室；根据预留封孔体积计算出所需封孔材料，运用棉纱塞住孔口，并快速注入水泥；封孔完毕后，将引出孔外的测压管接上瓦斯压力表。封孔完毕24h后关闭压力表阀门即开始进行瓦斯压力测定，每3d记录一次瓦斯压力，连续观测20d后如瓦斯压力连续3d内变化小于0.015MPa，则可认为这个稳定的压力就是煤层原始瓦斯压力；测压结束后,可以回收压力表。
四、煤层瓦斯含量直接测定
瓦斯含量直接测定分为现场煤芯取样解析、实验室解析两部分。根据现场瓦斯自然解吸量与实验室数据解决后得到的瓦斯解吸量，进行计算得出瓦斯含量。
1、采样前准备
煤样罐在使用前必须进行气密性检测；气密性检测可通过向煤样罐内注空气至表压1.5MPa以上，关闭后搁置12h，压力不降方可使用。严禁在丝扣及胶垫上涂润滑油。
解吸仪在使用之前，将量管内灌满水，关闭底塞并倒置过来，放置10min，量管内水面不动为合格。
2、煤芯采集
采样方式：在石门或岩石巷道可打穿层钻孔采用煤样，在新暴露煤巷中应首选煤芯采用器（简称煤芯管）或其他定点取样装置定点采集煤样。
采样深度应按以下两种情况拟定：
测定煤层原始瓦斯含量时，采样深度应超过钻孔施工地点巷道的影响范围，并满足以下规定：①在采掘工作面取样时，采样深度应根据采掘工作面的暴露时间来拟定，但不应小于12m；②在石门或岩石巷道采样时，距煤层的垂直距离应视岩性而定，但不得小于5m。
采样时间：采样时间是指用于瓦斯含量测定的煤样从暴露到被装入煤样罐密封所用的实际时间不应超过5min。
3、井下自然解吸瓦斯量测定
井下自然解吸瓦斯量采用解吸仪测定。自然解析装置见图3。煤样罐通过排气管5与解吸仪连接后，打开弹簧夹3，随即有从煤样泄出的瓦斯进入量管，用排水集气法将瓦斯收集在量管内。
假如量管体积局限性以容纳60 min 内从煤样泄出的所有瓦斯，可以半途用弹簧夹3夹住排气管与解吸仪断开，重新迅速给解吸仪补足清水,然后打开弹簧夹3连通解吸仪继续观测。
假如在解吸仪观测中没有瓦斯泄出，应当检查排气管及煤样罐上部排气孔是否堵塞。假如没有堵塞，则是瓦斯含量过小所至，此时，即可终止观测，送实验室测定。

图3 解吸装置示意图
煤样罐密封运到井上后，要进行试漏，将煤样罐沉入清水中，仔细观测5min，检查有无气泡冒出。假如发现有气泡渗出，则要更换煤样罐或胶垫重新取样。如不漏气，可以送实验室继续进行实验。
4、实验室残存解吸
将通过自然瓦斯解吸过的煤样送至实验室，先检查各设备的气密性，若是气密性良好，再进行以下实验。
将煤样罐与常压自然解析装置（见图4）连接，缓慢打开煤样罐阀门，测定粉碎前自然解析瓦斯量。测定完毕后，称量煤样总重，从中称取两份二次煤样，进行粉碎，并与常压自然解析装置连接，测定粉碎后自然解析瓦斯量。

图4 常压自然解析测定装置
5、瓦斯含量计算
根据现场瓦斯自然解吸量与实验室数据解决后得到的瓦斯解吸量，进行计算得出瓦斯含量。
X=X1+X2+X3+X4+Xb
式中：X——瓦斯含量，cm3/g；
X1——煤样的井下解吸瓦斯量，cm3/g；
X2——煤样的瓦斯损失量，cm3/g；
X3——煤样粉碎前解吸瓦斯量，cm3/g；
X4——煤样粉碎后解吸瓦斯量，cm3/g；
Xb——不可解析瓦斯量，cm3/g。
五、煤样的采用
1、煤样的采用目的
此过程为了煤层瓦斯含量和瓦斯放散初速度（ΔP）的测定。
煤层瓦斯含量的测算可通过采集新鲜煤样，先进行工业性分析；然后进行瓦斯含量的测定与计算等环节来完毕。
煤的工业成份直接影响着煤层瓦斯含量的计算。因此，在预测煤层瓦斯含量时，应对煤的组分进行工业性分析。
2、煤样的采用环节
煤样的取样方法为掏槽取样法，如图5所示，在掘进工作面或回采工作面的刷切巷处的煤层断面上掏槽取煤样，掏槽位置巷道断面的中心线处，槽高为巷道高，宽200mm，深100mm，掏下的煤块的长、宽、高不大于50mm。取样前，先在取样煤壁下方放一块风筒布用于接住掏下的煤块，其大小以能接住掏下的煤块为宜。掏槽完毕后，将风筒布上的煤块充足混合后，采用十字对角淘汰法取最后留下的约3.0kg（含大小煤块）作为所取煤样。

图5 掏槽取样方法示意图
十字对角淘汰法是指将掏下的煤样充足混合后堆成一个园锥体，并在其上划一个正十字将其提成四分，然后将对角的两部分去掉，再将留下的煤样继续进行上述操作，直到留下大约5.0kg的煤样即可。在矿井测压点附近的煤层巷道中采用各煤层的全层煤样和软分层煤样，每个约5.0kg左右。
本次在该矿测压点附近的煤层巷道中共采用3组煤样。煤样采用后应尽快用密封性好的塑料袋封装，并填写煤样标签。其中全层煤样用于测试吸附常数a、b值和进行工业分析，软分层煤样用于测试△p和煤的硬度f值。
六、需要配备物资
1．Φ16×1.5mm无缝钢管（普通4分管）240m，加工成每根长2.0m级部分短接，两端车丝，其中2m花管（在钢管上间距150mm打对穿眼11-12排）6根，配套接箍160个。
2．水泥50袋，膨胀剂20袋，速凝剂（锚杆药）100支。
3．棉纱、细铁丝若干。
4．采煤样用镐1把。
5．准备工作服2-4套（矿灯、靴子、安全帽、毛巾）。
6、采用ZDY4000S型煤矿井下全液压钻机，配备55KW电机。钻具组合：φ73mm凹槽地质螺旋钻杆，φ75mm钢体式复合片钻头。采用3NB-320/8-30型泥浆泵，额定压力8MPa，额定流量320L/min。
七、安全技术措施
1．认真制定钻孔施工的安全技术措施，以保证钻孔过程中的施工安全；安全技术措施中要特别注意现场压力测试结束拆卸压力表时的人员的防护措施、工作过程中人员应处在压力表的上风侧，泄压喷口严禁冲向人员；安排专人注意观测卸压孔附近的状况，发现异常及时报告解决。
2．测试人员应根据井下实际状况，随时注意安全；
3．测试和施工过程中应留意来往矿车，在保证安全的前提下正规操作；
4加强钻机附近段的巷道支护，保证施工安全。同时，钻机要安装牢固，以免改变钻孔方向和角度，导致钻孔偏移。
5.钻进过程中如遇塌孔、构造破碎带和出现其它的孔内事故时，不可强行通过，可换径扩孔或注浆护壁后再复钻进。
6.因解决孔内事故而需要扩孔时，须安设使用导向钻头，以避免孔斜，保证钻探工程的质量。
7.严格钻具的检查，不合格钻具严禁下入孔内，以防孔内事故发生，因故停钻时，钻具必须提至安全孔段。
8.钻进过程中因故停水、停电，应提前将钻具提出孔口或提至安全孔段，并经常提动钻具，并派专人值守，直至恢复供水、供电、排水，正常钻进。