上倾角含水测压孔压力恢复曲线分析

上倾角含水测压孔压力恢复曲线分析

刘德民

刘德民唐山马家沟矿业有限责任公司063021

摘要为了准确测定煤层原始瓦斯压力，弄清测压孔周围三维空间内瓦斯和水的流动规律以及压力分布规律，本文通过分析煤层瓦斯流动理论，建立测压孔周围煤体内瓦斯流动的均质径向稳定流动模型，弄清了测压孔周围三维空间内瓦斯和水的流动规律以及压力分布规律，并分析了水压大小对瓦斯压力恢复的影响。结论证明测压孔内瓦斯压力分布曲线为双曲线形，水压分布曲线为直线形。

关键词瓦斯压力测压钻孔恢复曲线径向流动

煤层瓦斯原始压力反应了煤层瓦斯含量与涌出量的大小，同时它又是煤层煤与瓦斯突出危险性区域预测的重要指标。我国很多矿井都把煤层瓦斯压力作为预测煤与瓦斯突出的敏感指标。目前对煤层瓦斯压力的测定主要的封孔技术有:粘土封孔、水泥砂浆封孔、胶圈粘液封孔和橡胶气囊封孔，这些封孔技术已经相当成熟。但由于瓦斯是气体地质体，瓦斯的赋存与复杂的地质构造有着密切的关系，准确测定煤层原始瓦斯压力较难。且在含水量高的煤层或局部含水煤体中的上倾角测压孔中涌水往往影响瓦斯压力的恢复。能否准确的分析含水测压孔压力恢复曲线是准确测定煤层瓦斯压力的前提。

1．上倾角测压孔压力恢复曲线类型

上倾角测压孔压力恢复与时间关系曲线在有无煤体淋水影响下大致可分为三种类型：测压孔无淋水，压力表直接显示测压室内相对瓦斯压力，压力恢复曲线呈双曲线型（如图1所示）；测压孔内有压力小于煤层原始瓦斯压力的淋水，压力表初期显示水压后期显示瓦斯压力，压力恢复曲线前期线性后期呈双曲线型（如图2所示）；测压孔内有水压大于煤层原始瓦斯压力的淋水，压力表显示水压不显示瓦斯压力，压力恢复曲线为水压恢复曲线，呈‘厂’字形（如图3所示）。

2．上倾角测压孔压力恢复曲线理论分析

2.1穿层钻孔周围煤体内瓦斯流动特性

瓦斯在煤层孔隙结构中的流动符合菲克（Fick）定律；在煤层裂隙结构中的流动符合达西（Darcy）定律。煤层中的瓦斯流动主要取决于煤体的孔隙结构，扩散流动对瓦斯涌出的影响可以忽略不计[7]。所以用达西（Darcy）定律研究煤层瓦斯流动特性是可行的。

马家沟矿十水平七石门区域穿层钻孔是布置在岩巷中的上倾角钻孔。煤层平均厚度为6.2m，近水平，为高变质无烟煤，测压钻孔与煤层夹角平均35°，钻孔直径94mm。由于煤层较厚，变质程度高，钻孔与煤层夹角较大，直径较小，测压孔封孔24小时后装压力表，有充分卸压时间，可认为均质煤层中钻孔周围三维空间内的瓦斯为径向稳定流体,即二维流动，瓦斯在均质煤层中的径向稳定流动示意图（如图4所示）。方程（2-2）为双曲线方程，即钻孔周围煤体内瓦斯压力分布曲线为一对双曲线，（如图4所示），与Ⅰ类型瓦斯压力恢复曲线吻合。

2.2穿层钻孔周围煤体内水流动特性

煤体是多孔介质，流体在多孔介质中主要通过相互联通的孔隙、裂隙网进行流动，一般情况下这种孔隙和裂隙都很小，瓦斯流动很慢，水体只能通过渗流。但水存在煤体较大的裂隙、孔隙内，这种裂隙、孔隙在较大压力作用下导通水的能力很强，也就是说这种煤层透水性系数较大（λ水>﹥λ气），由达西定律知含水煤体钻孔周围三维空内水的径向流速大，所以水压先于瓦斯压力在压力表中体现出来。煤体内在没有受到外力作用的影响下，原始的压力（瓦斯和水）处于平衡状态，我们可认为煤层中瓦斯和水所受相同的压力P。

由公式（2-3）可看出钻孔周围水压分布与煤层原始压力成线性关系，与Ⅲ类型瓦斯压力恢复曲线吻合。

当钻孔周围水量较少，流入钻孔内的水量足以降低煤层水的原始压力，但不能改变总的压力时，钻孔压力恢复曲线体现水压和瓦斯压力（如图2所示）。当钻孔周围水量较大，流入钻孔内的水相对较少，对煤层水的原始压力影响不大，则钻孔压力恢复曲线完全表现为水的压力恢复曲线（如图3所示）。

3．项目实测

马家沟矿十水平七石门钻孔布置参数和煤层瓦斯压力数据及分析压力恢复曲线如下：

表1-1十水平七石门22#钻场2#测压孔基本参数

由图5吻合图1，可知十水平七石门22#钻场2#测压孔压力恢复曲线为Ⅰ类型瓦斯压力恢复曲线，煤层原始瓦斯压力为0.8MPa。实际压力测定结束钻孔内并未出现积水。

表2-1十水平七石门25#钻场3#测压孔基本参数

图6吻合图2，可知十水平七石门25#钻场3#测压孔压力恢复曲线为Ⅱ类型瓦斯压力恢复曲线，煤层原始压力为0.3（MPa）。实际压力测定结束钻孔内由积水，但流量不大。

表3-1十水平七石门南2#钻场3#测压孔基本参数

图7吻合图3，可知十水平七石门南2#钻场3#测压孔压力恢复曲线为Ⅲ类型压力恢复曲线，压力数据显示水压，此测压孔测压失败。实际压力测定结束钻孔内有较大量积水流出。

4．结论

通过理论分析测压孔周围三维空间内瓦斯、水压力的曲线分布，得出测压孔内瓦斯压力恢复曲线为双曲线形，水压恢复曲线为直线形。并通过测定马家沟矿西翼十水平七石门区域钻孔瓦斯压力恢复曲线验证了结论的正确性。

参考文献

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煤炭工业出版社,2009:22-25

【2】俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1999：208-210

【3】张子敏，张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].北京：煤炭工业出版社，2005：4

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【5】杨其銮，王佑安．煤屑瓦斯扩散理论及其应用[J]．煤炭学报，1986，11（3）：87-93

【6】段三明，聂百胜．煤层瓦斯扩散—渗流规律的初步研究[J].太原理工大学学报，1998，29（4）：413-416

【7】周世宁．瓦斯在煤层中流动的机理．煤炭学报[J]．1990，15（1）15-21

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