一种基于冻结封堵岩体高压裂隙水测定煤层瓦斯压力的方法技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯灾害治理与瓦斯的利用领域。具体公开了一种利用冻结方式
来封堵与被测煤层顶底板处岩体中的高压裂隙水，以此精确测定出煤层瓦斯压力及其含量
的新方法。
背景技术
煤层瓦斯是煤矿的第一杀手，同时也是一种清洁能源，精确的测准煤层瓦斯压力
及其含量是指导煤层瓦斯治理及其利用的重要依据。但是煤层赋存环境极其复杂，煤层顶
底板岩石中存在大量的裂隙和水，在测定煤层瓦斯压力时，在煤层顶底板岩体中较大的静
水压力作用下，开始向瓦斯压力测定钻孔中渗流。因为高压地下水的干扰，测定煤层瓦斯压
力就非常不准确，因此难以判定煤层瓦斯压力大小和瓦斯含量多少，这对煤层瓦斯治理和
利用产生干扰，甚至会误导安全生产，造成瓦斯爆炸等严重灾害。因此测定煤层瓦斯压力一
个最重要的就是排除水压力的干扰，这样才可以准确的测定煤层瓦斯压力及其含量。
为了解决水的干扰，通常的处理措施是：向测定瓦斯钻孔周围岩体中注入高压水
泥浆，以此来封堵高压裂隙水。这里简单列举一些测定瓦斯压力的常规方法：(1)快速测压
法——胶囊与粘液封堵方式；(2)两堵一注——水泥封堵法；(3)聚氨酯+水泥封堵法；(4)黄
泥、橡胶圈封堵法等等。这些方法中，多数是钻孔中采取措施，以此来封堵较高的瓦斯压力。
前面(1)、(2)、(3)三种方法就是采用高压注水泥浆的方法来封堵裂隙水，而第四种方法就
是没有采取堵水的方式，当然，对于不含水岩层，这种方法是可行的。
在巷道掘进过程中，围岩通常要发生较大的变形，产生大量的裂隙，通过多年施工
经验，采用水泥浆来封堵高压裂隙水，有时候是行不通的，因为水泥浆凝固后的结石体的孔
隙率较高，即透水系数大，在较高的水压力下，高压水极其容易渗入瓦斯测量气室。当瓦斯
测量气室中汇集了既有瓦斯，又有高压水，那将意味着瓦斯压力测定工作失败，所付出的代
价是十分昂贵的。
发明内容
本发明的主要目的是解决对于煤层顶、底板含水的岩层，由于受到采动影响而导
致裂隙水贯通煤层顶底板的岩层等情况，在测定煤层瓦斯压力过程中，由于这些岩层中高
压裂隙水的干扰，导致瓦斯压力测不准的问题，提供一种基于冻结封堵岩体高压裂隙水测
定煤层瓦斯压力的方法。本发明提供测定瓦斯压力的整个方法及计算理论过程。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
第一步，施工冻结钻孔
在预测煤层瓦斯压力的顶板或底板岩层中选取瓦斯压力测定点，以此点为圆心，
在岩层中施工半径为1-2m的一系列垂直于煤层的冻结孔，一般情况为8-12孔，并且这些钻
孔不能穿越煤层，见到煤层后即可。
第二步，冻结封堵裂隙水
利用大功率的冻结设备，首先密封住冻结孔，然后向每一个冻结孔注入低温循环
盐水，待孔内与孔口附近出现冻结冰体时，再连续冻结1-2天，使得测压钻孔周围的岩石中
的裂隙水全部被冻结，进而测压孔附近的整个范围内的煤体和岩体全部被冻结，从而有效
对周围裂隙水起到有效的封堵。
第三步，施工测压钻孔，进行测压
待冻结钻孔冷冻稳定后1-2天，再进行测压钻孔的施工。钻孔进入煤体0.5-1m深
度，再采用传统的快速测压法，如胶囊+粘液方法来测定煤层瓦斯压力。
第四步，压力换算
由于传统快速测压方法，也需要待瓦斯吸附平衡、压力稳定后，才可以停止测试，
因此需要几天时间。又因为冻结会使得测压处的煤体温度降低，在这种温度环境下测出的
瓦斯压力与实际环境下的压力存在较大差异，所以需要借助现有成熟的理论，反推实际环
境温度下的瓦斯压力。这样就需要测定煤层测压过程中温度变化情况，根据瓦斯压力与温
度函数关系，推导实际环境温度下的煤层瓦斯压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、封堵裂隙水的材料存在巨大差异
传统常规的封堵裂隙水的方法，多数为化学方法，即采用的是向测压孔内注入高
压水泥浆或化学浆液，待水泥浆或化学浆凝固或固结后，将煤层顶板或底板岩层(这要看测
量位置而确定顶、底板位置)中的裂隙渗流通道封堵，阻断裂隙水进入测量瓦斯压力钻孔的
气室内容，从而保证测出的压力值的准确性。但是由于测压位置处岩层裂隙已经与承压水
的岩层裂隙相沟通，在巨大渗流压力作用下，使得岩层、水泥浆或化学浆的结石体，无法阻
止裂隙水向测压气室内渗流，使得测压工作失败。
本发明专利采用冻结法封堵岩层裂隙水工艺，即为物理方法，即低温下水易凝结
成固态冰体的性质来实现封堵裂隙水。利用大功率制冷设备，向冻结孔内容注入循环的低
温盐水，当钻孔内渗入大量裂隙水后，立即被冻结，随着冻结时间的延长，钻孔周围的岩体
中的水分也发生凝结成冰体，当若干个冻结孔形成封闭冻结圈后，由于冰体的孔隙远远小
于水泥结石体，所以这种封堵效果要好的多，并且远处的裂隙水向测压孔渗流时，遇到冻结
圈，立即就被冻结，因此冻结层的范围越来越大，直到测压完毕。
同时由于从测压孔远处渗流而来的水被冻结，从而完整的阻断了裂隙水向测压孔
的渗流，这时测出的结果是完全准确的。
而化学注浆的方法，无法阻止高压水的渗流，由于测压时间较长，少则三五日，多
则一周、两周时间，因此长时间的高压水渗流，造成测压气室充满裂隙水，从而导致测压失
败。
2、封堵范围可以控制
常规的化学注浆法，多数是在测压孔内向周围岩体注浆，因此注浆范围无法保证，
而采用冻结物理法，可以较为自由的控制冻结岩层的范围和深度，从而保证封堵裂隙水的
效果。
3、裂隙水的封堵圈会随着冻结时间的延长而增大
化学方法堵水，由于岩石和结石体存在一定的孔隙率，周围的裂隙水会逐渐向测
压气室进行渗流，因此封堵圈会随着测压时间的增大而缩小，这样，长时间的测压会导致测
压气室渗流入大量的水，从而导致测试失败。而冻结法封堵裂隙水，会随着时间的延长而逐
渐增大，冷量逐渐向四周岩体扩散，使得冻结水的范围逐渐扩大，并且远处渗流过来的水，
也会被持续传导过来的冷量冻结，从而形成了较大范围的封堵圈，周围裂隙水便无法进入
测压气室，从而保证了气室内只有瓦斯气体的存在。
4、测压值要与环境温度下对应的压力值进行换算
众所周知，煤体温度越低，其吸附瓦斯的含量就越高，瓦斯压力就越低，因为冻结
工艺降低了测压范围内煤体温度，使得此处的瓦斯压力与环境温度下的压力值存在较大差
异，因此需要借助成熟的理论进行不同温度下压力换算。这个问题得到的压力值，较为准
确。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。
但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上
述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括
在本发明的范围内。
实施例
首先，根据矿上给予的具体煤层瓦斯、水文地质资料，以及矿上要求，选择合适地
点，合适的设备、工艺进行瓦斯压力测定。测压地点要避开含有大量裂隙水的岩层，通过预
先打孔探测，发现钻孔渗水量较大，就放弃此处作为测压地点，另行选择其他地方实施测
压。原因是大量裂隙水会导致施工难度的增加，制冷量的损耗也较大，同时还会导致测压的
失败。
其次，测压地点的选择要避开岩层破碎区域，因为这些区域会因为冻结导致岩层
脱落，对施工人员造成一定伤害。
第三，若发现测压地点没有裂隙水，巷道较为完整，这是可以不采用冻结封堵裂隙
水工艺，直接采用常规的方法进行测压。
具体的测压地点的选择，还有根据矿上的对生产的基本要求，和具体的地质环境
来判断工艺的选择。
第一步，选择施工地点，确定施工参数
无论是在顶板、还是在底板岩层中布置测压孔、冻结孔，均要施工钻孔量最小的钻
孔。首先确定测压孔的孔口位置，钻孔方位角、深度等参数，然后以孔口为圆心，在岩层中施
工半径为1-2m的一系列平行于测压孔的冻结钻孔。根据岩层、设备功率等情况确定钻孔的
施工数量。冻结钻孔直径大约为60mm，测压孔直径为50mm，并且冻结孔不能穿越煤层，而测
压孔要进入煤层0.5m深度。
第二步，开启冻结封堵裂隙水工艺，观察冻结情况，然后确定下一步测压孔的实施
方案的实施
选择适用煤矿的防爆型的大功率制冷机和配套封孔设备。首先密封住冻结孔，然
后向每一个冻结孔注入低温盐水，待孔内与孔口附近出现冻结冰体时，再连续冻结1-2天，
使得测压钻孔周围的岩石中的裂隙水全部被冻结，当判断测压孔附近的整个范围内的煤体
和岩体全部被冻结后，是否有效对周围裂隙水起到有效的封堵，方可实施测压孔的施工。
第三步，施工测压钻孔，安装测压设备进行瓦斯压力测定
施工测压钻孔，当钻孔进入煤体0.5-1m深度后，停止钻进，撤出钻孔设备；安装传
统的快速测压设备，如胶囊+粘液方法，将安装好的设备放入测压钻孔，其他步骤和传统测
压相同，这里不一一累述。
第四步，测定测压孔内实际温度，根据温度之间定律进行瓦斯压力的换算
由于传统快速测压方法，也需待瓦斯吸附平衡、压力稳定后，才可停止测试，因此
需要几天时间。又因为冻结会使得测压处的煤体温度降低，在这种温度环境下测出的瓦斯
压力与实际环境下的压力存在较大差异，所以需要借助现有成熟的理论，反推实际环境温
度下的瓦斯压力。这样就需要测定煤层测压过程中温度变化情况，根据瓦斯压力与温度函
数关系，推导实际环境温度下的煤层瓦斯压力。