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直接测定法是通过钻孔揭露煤层,安设测定仪表并密封钻孔,利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。
测定地点的选择方法:同一地点应打两个测压钻孔,钻孔孔口距离应在其相互影响范围外,其见煤点的距离除石门测压外应不小于20 m。除在煤巷中测定本煤层瓦斯压力外,测定地点应选择在石门或岩巷中;钻孔应避开地质构造裂隙带、巷道的卸压圈和采动影响范围;测定煤层原始瓦斯压力的见煤点应避开地质构造裂隙带、巷道、采动及抽采等的影响范围;选择瓦斯压力测定地点应保证有足够的封孔深度;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。
(一)测压方法
测压方法有主动测压法和被动测压法。
(1)主动测压法,指钻孔封完孔后,通过钻孔向被测煤层充入补偿气体达到瓦斯压力平衡而测定煤层瓦斯压力的测压方法。补偿气体可选用高压氮气、高压二氧化碳或其他惰性气体。补偿气体的充气压力应略高于预计煤层瓦斯压力。
(2)被动测压法,指钻孔封完孔后,通过被测煤层瓦斯的自然渗透,达到瓦斯压力平衡而测定其瓦斯压力的测压方法。
(二)钻孔封孔测压方法
按钻孔封孔材料的不同,钻孔封孔测压方法有黄泥、水泥封孔测压法,胶囊-密封黏液封孔测压法,注浆封孔测压法。
(三)测压方法的选择
测压处岩石坚硬、少裂隙时,可采用黄泥、水泥封孔测压法;在松软岩层及煤巷中测定煤层的瓦斯压力时,钻孔长度小于或等于15 m时应采用胶囊一密封黏液封孔测压法,钻孔长度大于15 m时应采用注浆封孔测压法。立井揭煤可采用注浆封孔测压法。石门揭煤的测压,按《防治煤与瓦斯突出规定》的有关规定进行。测定邻近煤层的瓦斯压力或煤层群分层测压应采用注浆封孔测压法;测压时间充足时宜采用被动测压法,测压时间较短时应采用主动测压法。
(四)钻孔施工
钻孔的开孔位置应选在岩石(煤壁)完整的位置,钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完整,穿层测压钻孔宜穿煤层全厚。钻孔施工好后,应立即清洗钻孔,保证钻孔畅通,在钻孔施工中应准确记录钻孔方位、倾角、长度、钻孔开始见煤长度及钻孔在煤层中长度,钻孔开钻时间、见煤时间及钻毕时间。
(五)封孔
钻孔施工完后应在24 h内完成封孔工作。封孔前要先做好准备工作,按选用的封孔方法准备好封孔材料、仪表、工具等,检查测压管是否通畅及其与压力表连接的气密性,钻孔为下向孔时应将钻孔水排除。
封孔深度取决于封孔段岩性及其裂隙性,岩石硬而无裂隙时可以缩短,但应超过钻孔施工地点巷道的影响范围,并满足以下要求:黄泥、水泥封孔测压法的封孔深度应不小于5m,胶囊一密封黏液封孔法测定本煤层瓦斯压力的封孔深度应不小于10 m,注浆封孔测压法的封孔深度不小于12 m,煤层群分层测压时则应封堵至被测煤层在钻孔侧的顶板或底板,应尽可能加长测压钻孔的封孔深度。
本煤层测压孔封孔应保证其测压气室长度不小于1.5 m,穿层测压孔的封孔不宜超过被测煤层在钻孔侧的顶板或底板。
1.黄泥、水泥封孔测压法
在巷道距离(法线距离)煤层5~10 m时,打Φ42~75 mm的测压钻孔,钻孔要穿透煤层并进入煤层顶(底板)0.5 m左右。测定煤层瓦斯压力的测压钻孔如图5-1所示。
钻孔清除煤粉后,插进4~6 mm测压紫铜管,紫铜管末端打若干个小孔并包上铜网以便收集瓦斯。在测量室附近紫铜管可以适当弯曲,测压管布置如图5-2所示。
1-测压钻孔;2-煤层;3-巷道;4-压力表
图5-1 测定煤层瓦斯压力的测压钻孔
2.胶囊-密封黏液封孔测压法
胶囊-密封黏液封孔测压法的封孔步骤为:
(1)在测压地点先将封孔器组装好,将其放到预计的封孔深度处,在钻孔孔口安装好阻退楔,连接好封孔器与密封黏液罐、压力水罐,装上各种控制阀,安装好压力表(图5-3)。
(2)启动压力水罐开关向胶囊充压力水,待胶囊膨胀封住钻孔后开启密封黏液罐往钻孔的密封段注入密封黏液,密封黏液的压力应略高于煤层预计的瓦斯压力。
1-测量室;2-黏土柱;3-紫铜管;4-木塞;5-压力表;6-铜网;7-水泥砂浆;8-金属挡板
图5-2 测压管布置
1-三通;2-压力表;3-密封黏液罐;4-阻退楔;5-输液管;6-胶囊1;
7-密封黏液;8-胶囊2:9-压力水罐;10-钻孔
图5-3 胶囊-密封黏液封孔测压法
3.注浆封孔测压法
钻孔直径为Φ65~75 mm,钻孔长度为15~70 m。封孔步骤如下:
(1)将测压管安装至预定的封孔深度,在孔口用木楔封住,并安装好注浆管(图5-4)。
1-注压管液泵;2-三通;3-压力表;4-木楔;
5-测压管;6-煤层;7-黏液;8-水泥;9-注浆管;10-注浆泵
图5-4 注浆封孔测压法
(2)根据封孔深度确定膨胀不收缩水泥的使用量,按一定比例配好封孔水泥浆,用压气注浆器或泥浆泵一次连续将封孔水泥浆注入钻孔内。
(3)注浆48 h后,通过测压管用手摇注液泵将黏液注入钻孔内。
(4)撤下手摇注液泵,在孔口安装三通及压力表。
(六)瓦斯压力观测与确定
必须设专人负责瓦斯压力的测定工作,在瓦斯压力测定过程中,应做好各种参数及施工情况的记录。
主动测压法应每天观测一次,被动测压法应至少3天观测一次。观测中发现瓦斯压力值变化较大,则应增加观测次数。瓦斯压力测定记录表的格式见表5-1。
表5-1 瓦斯压力测定记录表
测定人员____ 审核____
(七)瓦斯压力观测时间
采用主动测压法时,当煤层的瓦斯压力小于4 MPa时,需观测5~10天;当煤层的瓦斯压力大于4 MPa时,则需观测20~40天。
采用被动测压法时,则视煤层的瓦斯压力及透气性大小的不同,需观测30天以上。
(八)瓦斯压力的确定
将观测结果绘制在以时间为横坐标,瓦斯压力为纵坐标的坐标图上,当测压时间达到上述规定,如压力变化小于0. 005 MPa/d,测压工作即可结束;否则,应延长测压时间。
对于上向测压钻孔,在结束测压工作、撤卸表头时(撤表头时应制定相应的安全措施),应测量从钻孔中放出的水量,根据钻孔参数、封孔参数计算出钻孔水的静水压力,并从测定压力中扣除。
对水平及下向测压孔则以测定值作为瓦斯压力值。同一地点以最高瓦斯压力作为测定结果。