本發(fā)明涉及煤礦瓦斯災(zāi)害治理與瓦斯的利用領(lǐng)域。具體公開了一種利用凍結(jié)方式來封堵與被測煤層頂?shù)装逄帋r體中的高壓裂隙水，以此精確測定出煤層瓦斯壓力及其含量的新方法。

背景技術(shù)：

煤層瓦斯是煤礦的第一殺手，同時也是一種清潔能源，精確的測準(zhǔn)煤層瓦斯壓力及其含量是指導(dǎo)煤層瓦斯治理及其利用的重要依據(jù)。但是煤層賦存環(huán)境極其復(fù)雜，煤層頂?shù)装鍘r石中存在大量的裂隙和水，在測定煤層瓦斯壓力時，在煤層頂?shù)装鍘r體中較大的靜水壓力作用下，開始向瓦斯壓力測定鉆孔中滲流。因為高壓地下水的干擾，測定煤層瓦斯壓力就非常不準(zhǔn)確，因此難以判定煤層瓦斯壓力大小和瓦斯含量多少，這對煤層瓦斯治理和利用產(chǎn)生干擾，甚至?xí)`導(dǎo)安全生產(chǎn)，造成瓦斯爆炸等嚴(yán)重災(zāi)害。因此測定煤層瓦斯壓力一個最重要的就是排除水壓力的干擾，這樣才可以準(zhǔn)確的測定煤層瓦斯壓力及其含量。

為了解決水的干擾，通常的處理措施是：向測定瓦斯鉆孔周圍巖體中注入高壓水泥漿，以此來封堵高壓裂隙水。這里簡單列舉一些測定瓦斯壓力的常規(guī)方法：(1)快速測壓法——膠囊與粘液封堵方式；(2)兩堵一注——水泥封堵法；(3)聚氨酯+水泥封堵法；(4)黃泥、橡膠圈封堵法等等。這些方法中，多數(shù)是鉆孔中采取措施，以此來封堵較高的瓦斯壓力。前面(1)、(2)、(3)三種方法就是采用高壓注水泥漿的方法來封堵裂隙水，而第四種方法就是沒有采取堵水的方式，當(dāng)然，對于不含水巖層，這種方法是可行的。

在巷道掘進(jìn)過程中，圍巖通常要發(fā)生較大的變形，產(chǎn)生大量的裂隙，通過多年施工經(jīng)驗，采用水泥漿來封堵高壓裂隙水，有時候是行不通的，因為水泥漿凝固后的結(jié)石體的孔隙率較高，即透水系數(shù)大，在較高的水壓力下，高壓水極其容易滲入瓦斯測量氣室。當(dāng)瓦斯測量氣室中匯集了既有瓦斯，又有高壓水，那將意味著瓦斯壓力測定工作失敗，所付出的代價是十分昂貴的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是解決對于煤層頂、底板含水的巖層，由于受到采動影響而導(dǎo)致裂隙水貫通煤層頂?shù)装宓膸r層等情況，在測定煤層瓦斯壓力過程中，由于這些巖層中高壓裂隙水的干擾，導(dǎo)致瓦斯壓力測不準(zhǔn)的問題，提供一種基于凍結(jié)封堵巖體高壓裂隙水測定煤層瓦斯壓力的方法。本發(fā)明提供測定瓦斯壓力的整個方法及計算理論過程。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

第一步，施工凍結(jié)鉆孔

在預(yù)測煤層瓦斯壓力的頂板或底板巖層中選取瓦斯壓力測定點，以此點為圓心，在巖層中施工半徑為1-2m的一系列垂直于煤層的凍結(jié)孔，一般情況為8-12孔，并且這些鉆孔不能穿越煤層，見到煤層后即可。

第二步，凍結(jié)封堵裂隙水

利用大功率的凍結(jié)設(shè)備，首先密封住凍結(jié)孔，然后向每一個凍結(jié)孔注入低溫循環(huán)鹽水，待孔內(nèi)與孔口附近出現(xiàn)凍結(jié)冰體時，再連續(xù)凍結(jié)1-2天，使得測壓鉆孔周圍的巖石中的裂隙水全部被凍結(jié)，進(jìn)而測壓孔附近的整個范圍內(nèi)的煤體和巖體全部被凍結(jié)，從而有效對周圍裂隙水起到有效的封堵。

第三步，施工測壓鉆孔，進(jìn)行測壓

待凍結(jié)鉆孔冷凍穩(wěn)定后1-2天，再進(jìn)行測壓鉆孔的施工。鉆孔進(jìn)入煤體0.5-1m深度，再采用傳統(tǒng)的快速測壓法，如膠囊+粘液方法來測定煤層瓦斯壓力。

第四步，壓力換算

由于傳統(tǒng)快速測壓方法，也需要待瓦斯吸附平衡、壓力穩(wěn)定后，才可以停止測試，因此需要幾天時間。又因為凍結(jié)會使得測壓處的煤體溫度降低，在這種溫度環(huán)境下測出的瓦斯壓力與實際環(huán)境下的壓力存在較大差異，所以需要借助現(xiàn)有成熟的理論，反推實際環(huán)境溫度下的瓦斯壓力。這樣就需要測定煤層測壓過程中溫度變化情況，根據(jù)瓦斯壓力與溫度函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)實際環(huán)境溫度下的煤層瓦斯壓力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、封堵裂隙水的材料存在巨大差異

傳統(tǒng)常規(guī)的封堵裂隙水的方法，多數(shù)為化學(xué)方法，即采用的是向測壓孔內(nèi)注入高壓水泥漿或化學(xué)漿液，待水泥漿或化學(xué)漿凝固或固結(jié)后，將煤層頂板或底板巖層(這要看測量位置而確定頂、底板位置)中的裂隙滲流通道封堵，阻斷裂隙水進(jìn)入測量瓦斯壓力鉆孔的氣室內(nèi)容，從而保證測出的壓力值的準(zhǔn)確性。但是由于測壓位置處巖層裂隙已經(jīng)與承壓水的巖層裂隙相溝通，在巨大滲流壓力作用下，使得巖層、水泥漿或化學(xué)漿的結(jié)石體，無法阻止裂隙水向測壓氣室內(nèi)滲流，使得測壓工作失敗。

本發(fā)明專利采用凍結(jié)法封堵巖層裂隙水工藝，即為物理方法，即低溫下水易凝結(jié)成固態(tài)冰體的性質(zhì)來實現(xiàn)封堵裂隙水。利用大功率制冷設(shè)備，向凍結(jié)孔內(nèi)容注入循環(huán)的低溫鹽水，當(dāng)鉆孔內(nèi)滲入大量裂隙水后，立即被凍結(jié)，隨著凍結(jié)時間的延長，鉆孔周圍的巖體中的水分也發(fā)生凝結(jié)成冰體，當(dāng)若干個凍結(jié)孔形成封閉凍結(jié)圈后，由于冰體的孔隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥結(jié)石體，所以這種封堵效果要好的多，并且遠(yuǎn)處的裂隙水向測壓孔滲流時，遇到凍結(jié)圈，立即就被凍結(jié)，因此凍結(jié)層的范圍越來越大，直到測壓完畢。

同時由于從測壓孔遠(yuǎn)處滲流而來的水被凍結(jié)，從而完整的阻斷了裂隙水向測壓孔的滲流，這時測出的結(jié)果是完全準(zhǔn)確的。

而化學(xué)注漿的方法，無法阻止高壓水的滲流，由于測壓時間較長，少則三五日，多則一周、兩周時間，因此長時間的高壓水滲流，造成測壓氣室充滿裂隙水，從而導(dǎo)致測壓失敗。

2、封堵范圍可以控制

常規(guī)的化學(xué)注漿法，多數(shù)是在測壓孔內(nèi)向周圍巖體注漿，因此注漿范圍無法保證，而采用凍結(jié)物理法，可以較為自由的控制凍結(jié)巖層的范圍和深度，從而保證封堵裂隙水的效果。

3、裂隙水的封堵圈會隨著凍結(jié)時間的延長而增大

化學(xué)方法堵水，由于巖石和結(jié)石體存在一定的孔隙率，周圍的裂隙水會逐漸向測壓氣室進(jìn)行滲流，因此封堵圈會隨著測壓時間的增大而縮小，這樣，長時間的測壓會導(dǎo)致測壓氣室滲流入大量的水，從而導(dǎo)致測試失敗。而凍結(jié)法封堵裂隙水，會隨著時間的延長而逐漸增大，冷量逐漸向四周巖體擴(kuò)散，使得凍結(jié)水的范圍逐漸擴(kuò)大，并且遠(yuǎn)處滲流過來的水，也會被持續(xù)傳導(dǎo)過來的冷量凍結(jié)，從而形成了較大范圍的封堵圈，周圍裂隙水便無法進(jìn)入測壓氣室，從而保證了氣室內(nèi)只有瓦斯氣體的存在。

4、測壓值要與環(huán)境溫度下對應(yīng)的壓力值進(jìn)行換算

眾所周知，煤體溫度越低，其吸附瓦斯的含量就越高，瓦斯壓力就越低，因為凍結(jié)工藝降低了測壓范圍內(nèi)煤體溫度，使得此處的瓦斯壓力與環(huán)境溫度下的壓力值存在較大差異，因此需要借助成熟的理論進(jìn)行不同溫度下壓力換算。這個問題得到的壓力值，較為準(zhǔn)確。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的上述發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實施例

首先，根據(jù)礦上給予的具體煤層瓦斯、水文地質(zhì)資料，以及礦上要求，選擇合適地點，合適的設(shè)備、工藝進(jìn)行瓦斯壓力測定。測壓地點要避開含有大量裂隙水的巖層，通過預(yù)先打孔探測，發(fā)現(xiàn)鉆孔滲水量較大，就放棄此處作為測壓地點，另行選擇其他地方實施測壓。原因是大量裂隙水會導(dǎo)致施工難度的增加，制冷量的損耗也較大，同時還會導(dǎo)致測壓的失敗。

其次，測壓地點的選擇要避開巖層破碎區(qū)域，因為這些區(qū)域會因為凍結(jié)導(dǎo)致巖層脫落，對施工人員造成一定傷害。

第三，若發(fā)現(xiàn)測壓地點沒有裂隙水，巷道較為完整，這是可以不采用凍結(jié)封堵裂隙水工藝，直接采用常規(guī)的方法進(jìn)行測壓。

具體的測壓地點的選擇，還有根據(jù)礦上的對生產(chǎn)的基本要求，和具體的地質(zhì)環(huán)境來判斷工藝的選擇。

第一步，選擇施工地點，確定施工參數(shù)

無論是在頂板、還是在底板巖層中布置測壓孔、凍結(jié)孔，均要施工鉆孔量最小的鉆孔。首先確定測壓孔的孔口位置，鉆孔方位角、深度等參數(shù)，然后以孔口為圓心，在巖層中施工半徑為1-2m的一系列平行于測壓孔的凍結(jié)鉆孔。根據(jù)巖層、設(shè)備功率等情況確定鉆孔的施工數(shù)量。凍結(jié)鉆孔直徑大約為60mm，測壓孔直徑為50mm，并且凍結(jié)孔不能穿越煤層，而測壓孔要進(jìn)入煤層0.5m深度。

第二步，開啟凍結(jié)封堵裂隙水工藝，觀察凍結(jié)情況，然后確定下一步測壓孔的實施方案的實施

選擇適用煤礦的防爆型的大功率制冷機(jī)和配套封孔設(shè)備。首先密封住凍結(jié)孔，然后向每一個凍結(jié)孔注入低溫鹽水，待孔內(nèi)與孔口附近出現(xiàn)凍結(jié)冰體時，再連續(xù)凍結(jié)1-2天，使得測壓鉆孔周圍的巖石中的裂隙水全部被凍結(jié)，當(dāng)判斷測壓孔附近的整個范圍內(nèi)的煤體和巖體全部被凍結(jié)后，是否有效對周圍裂隙水起到有效的封堵，方可實施測壓孔的施工。

第三步，施工測壓鉆孔，安裝測壓設(shè)備進(jìn)行瓦斯壓力測定

施工測壓鉆孔，當(dāng)鉆孔進(jìn)入煤體0.5-1m深度后，停止鉆進(jìn)，撤出鉆孔設(shè)備；安裝傳統(tǒng)的快速測壓設(shè)備，如膠囊+粘液方法，將安裝好的設(shè)備放入測壓鉆孔，其他步驟和傳統(tǒng)測壓相同，這里不一一累述。

第四步，測定測壓孔內(nèi)實際溫度，根據(jù)溫度之間定律進(jìn)行瓦斯壓力的換算

由于傳統(tǒng)快速測壓方法，也需待瓦斯吸附平衡、壓力穩(wěn)定后，才可停止測試，因此需要幾天時間。又因為凍結(jié)會使得測壓處的煤體溫度降低，在這種溫度環(huán)境下測出的瓦斯壓力與實際環(huán)境下的壓力存在較大差異，所以需要借助現(xiàn)有成熟的理論，反推實際環(huán)境溫度下的瓦斯壓力。這樣就需要測定煤層測壓過程中溫度變化情況，根據(jù)瓦斯壓力與溫度函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)實際環(huán)境溫度下的煤層瓦斯壓力。