婁 振，魏國營,2,3

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003;3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

?

鉆屑指標(biāo)在確定本煤層鉆孔瓦斯抽采合理封孔深度中的應(yīng)用

婁 振1，魏國營1,2,3

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003;3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

為了提高本煤層鉆孔瓦斯抽采效率，基于合理封孔深度對瓦斯抽采的重要性，以馮營礦二1煤層為例，探討了鉆屑指標(biāo)的影響參數(shù)，從煤層巷道“三帶”角度分析了合理封孔深度的范圍?；阢@屑指標(biāo)與地應(yīng)力間的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析確定出馮營礦合理封孔深度為16m，并在現(xiàn)場布置封孔深度分別為12m，16m，18m，22m的鉆孔進(jìn)行抽采效果考察，結(jié)果表明：16m，18m，22m封孔深度的鉆孔抽采濃度明顯高于封孔深度為12m的鉆孔抽采濃度,16m封孔深度最為合理。該方法既可以保證瓦斯高效抽采，又可為其他礦井運(yùn)用該指標(biāo)確定本煤層合理封孔深度提供借鑒和參考。

鉆屑指標(biāo)；本煤層；封孔深度；瓦斯抽采

鉆孔封孔質(zhì)量的好壞是影響瓦斯高效抽采的一個(gè)重要因素，能否選取合理的鉆孔封孔深度又是考察封孔質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[1-3]。因此，封孔深度的合理性對于瓦斯抽采效果起到重要的作用。確定本煤層合理封孔深度的關(guān)鍵是確定煤層巷幫“三帶”的范圍[4-6]。為此，從鉆屑指標(biāo)的角度入手，通過分析鉆屑質(zhì)量和伴隨的動(dòng)力現(xiàn)象來進(jìn)行研究，進(jìn)而確定出合理的封孔深度，并通過現(xiàn)場對比試驗(yàn)來檢驗(yàn)瓦斯抽采效果。

1 鉆屑指標(biāo)理論分析

從理論上分析，決定鉆屑指標(biāo)大小的要素有：鉆頭直徑、鉆孔位置的瓦斯含量、地應(yīng)力的分布狀況以及煤的結(jié)構(gòu)破壞程度[7]。對于某一固定直徑的鉆頭來說，鉆屑質(zhì)量主要取決于后3個(gè)因素[8]。鉆孔鉆屑量主要由原始鉆屑量和煤體變形鉆屑量兩個(gè)部分組成，動(dòng)力現(xiàn)象也是伴隨在打鉆過程中的一個(gè)指標(biāo)。

1.1 原始鉆屑量

原始鉆屑量是指鉆孔半徑周圍出現(xiàn)破碎帶前的原始煤屑質(zhì)量。則有：

(1)

式中，S0為原始鉆屑量，kg/m；r0為鉆孔半徑，m；ρ0為原始煤體密度，kg/m3。

由公式(1)可知：在同一個(gè)煤幫上打鉆時(shí)，煤體密度ρ0可近似為固定值，同一直徑的鉆桿產(chǎn)生的鉆孔半徑r0也可近似為固定值。因此，原始鉆屑量S0處處相等，對鉆屑量的變化起的作用不大。

1.2 煤體變形鉆屑量

煤體變形鉆屑量S1是指鉆孔成形后，鉆孔內(nèi)壁煤體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形而改變的鉆屑量。其包括3部分[9]：鉆孔彈性變形產(chǎn)生的煤屑量Se1；孔壁周圍破碎帶內(nèi)煤體擴(kuò)容產(chǎn)生的煤屑量Sp；破碎區(qū)形成后，彈性區(qū)與破碎區(qū)邊界處因彈性卸載而產(chǎn)生的煤屑量Se2。

按等效應(yīng)力作用原理，能夠使多孔介質(zhì)遭到破壞的真實(shí)應(yīng)力為有效應(yīng)力σ=W-λP，則有

(2)

式中，W為總應(yīng)力，MPa；P為瓦斯壓力，MPa；λ為和煤內(nèi)部摩擦角與黏聚力有關(guān)的系數(shù)；E為煤的彈性模量，N/mm2；v為泊松比。

孔壁周圍破碎帶半徑：

(3)

式中，K為破碎帶煤體的三軸殘余強(qiáng)度系數(shù)；σ′0為r=1.5r0處煤體的殘余強(qiáng)度。

使用И·М·佩圖霍夫指導(dǎo)的公式計(jì)算松散系數(shù)：

η(r)=A/(1+Br)

(4)

鉆孔內(nèi)壁處的松散系數(shù)可近似為鉆屑的松散系數(shù)ηr0，破碎區(qū)與彈性區(qū)交界處煤的密度與原始密度相當(dāng)，其松散系數(shù)可近似為1。由此可得

(5)

B=(ηr0-1)/(R-ηr0r0)

(6)

則Sp為

(7)

則Se2為

(8)

煤體變形鉆屑量S1為

S1=Se1+Se2+Sp

(9)

由公式(2)～(9)可知：煤體變形鉆屑量S1受有效應(yīng)力σ的影響，對外表現(xiàn)為地應(yīng)力和瓦斯壓力兩種形式。根據(jù)有效應(yīng)力原理分析，瓦斯壓力對煤體的強(qiáng)度和變形作用并不是很大，因此，地應(yīng)力在改變煤體強(qiáng)度中起到關(guān)鍵性作用。在鉆進(jìn)過程中，地應(yīng)力的改變會(huì)使煤體發(fā)生彈塑性變形，使煤體的性質(zhì)發(fā)生改變，在施工過程中對外表現(xiàn)煤體強(qiáng)度變小，鉆屑量增加，鉆孔變形量變大?？梢哉J(rèn)為鉆屑量沿著鉆孔深度的變化規(guī)律與煤層應(yīng)力變化規(guī)律基本是一致的。

1.3 動(dòng)力現(xiàn)象

動(dòng)力現(xiàn)象可以反映在打鉆時(shí)煤體內(nèi)的應(yīng)力集中程度。當(dāng)鉆頭進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，鉆孔周圍的煤體發(fā)生不同程度的形變，從而導(dǎo)致夾鉆、頂鉆、塌孔等現(xiàn)象，并伴隨有不同響度的煤炮聲[10]。這一系列動(dòng)力現(xiàn)象越劇烈說明煤體內(nèi)應(yīng)力集中程度越高，應(yīng)力集中峰值點(diǎn)位置會(huì)出現(xiàn)在鉆屑量最大的位置。因此這些動(dòng)力現(xiàn)象也是反映應(yīng)力分布的一個(gè)重要指標(biāo)。

根據(jù)以上分析可知，在同一個(gè)煤幫上打鉆時(shí)，同一根鉆桿產(chǎn)生的原始鉆屑量指標(biāo)為定值；煤體變形鉆屑量指標(biāo)與煤層地應(yīng)力的變化基本一致；動(dòng)力現(xiàn)象同時(shí)反映出應(yīng)力集中程度。如圖1所示，S為鉆屑質(zhì)量，I為煤炮聲響強(qiáng)度，L為距巷道煤壁距離。煤層巷道以地應(yīng)力為主導(dǎo)因素影響巷道“三帶”分布[11]。因此，可根據(jù)鉆屑指標(biāo)來反映本煤層煤巷幫“三帶”分布范圍，進(jìn)而確定鉆孔的合理封孔深度。

1—原始鉆屑量；2—煤體變形鉆屑量；3—煤炮聲響強(qiáng)度；Ⅰ—卸壓區(qū)；Ⅱ—應(yīng)力集中區(qū)；Ⅲ—原始應(yīng)力區(qū)圖1 鉆屑指標(biāo)示意

2 鉆屑指標(biāo)確定本煤層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

馮營礦主采煤層為二疊系山西組二1煤，煤厚0～12.15m，平均4.21m，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)單一。瓦斯含量最大達(dá)20.58m3/t，瓦斯壓力最大達(dá)0.74MPa，屬于瓦斯突出礦井。試驗(yàn)24081(西)工作面煤層平均煤厚5.6m，煤層傾角平均14.0°，基本頂為細(xì)砂巖，直接頂為粉砂巖，老底為細(xì)砂巖，直接底為粉砂巖。該區(qū)段原始瓦斯含量9.07m3/t，瓦斯儲(chǔ)量2.413×106m3。該區(qū)段煤層厚度大，瓦斯含量高，實(shí)施預(yù)抽瓦斯措施來解決日益嚴(yán)峻的瓦斯問題。

2.2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)地點(diǎn)選在24081運(yùn)輸巷距離開切眼以里20～50m的區(qū)域，孔間距為2m，在施工區(qū)段布置采樣鉆孔6個(gè)，對每個(gè)鉆孔進(jìn)行編號(hào)，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)。采樣過程垂直煤壁打鉆孔，鉆桿直徑為42mm。采樣鉆孔距底板的距離為1.5m，孔間距為2m，孔深20m。

開鉆后每鉆進(jìn)1m壓風(fēng)鉆要空鉆幾十秒來盡可能地排盡該長度產(chǎn)生的鉆屑，使用彈簧秤對塑料編織袋里的鉆屑量稱重并記錄伴隨的動(dòng)力現(xiàn)象。測定結(jié)果見表1。

表1 各鉆孔鉆屑量記錄

注：表中“炮”為該深度出現(xiàn)夾鉆并有煤炮聲。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)建立鉆屑量隨鉆孔深度變化的曲線，見圖2。

圖2 鉆孔鉆屑量隨孔深的變化規(guī)律

從表1和圖2可以看出：數(shù)據(jù)從整體看呈現(xiàn)規(guī)律性變化，鉆屑量在鉆孔深度在0～12m區(qū)間內(nèi)隨深度增加雖然表現(xiàn)出小的波動(dòng)，但總體上呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，其值均在4.0kg/m以下，平均增幅為8%；在13～16m區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出迅猛增加，其值躍均至4.0kg/m以上，峰值出現(xiàn)在16m，其值在5.0kg/m左右，鉆屑量平均增幅達(dá)15%，并在該區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)夾鉆并伴隨煤炮聲的現(xiàn)象；在16～18m區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出降低趨勢，均降至4.0kg/m左右，降幅基本與13～16m區(qū)間內(nèi)的增幅相等；在18～20m區(qū)間鉆屑量變化趨于平緩。

根據(jù)以上規(guī)律可以判斷出鉆孔周圍煤體應(yīng)力變化趨勢，從煤壁到煤體13m左右煤體應(yīng)力低于煤體原始應(yīng)力，該范圍內(nèi)應(yīng)力得到釋放，同時(shí)表現(xiàn)為地應(yīng)力偏小，屬于卸壓區(qū)；在13～18m區(qū)間鉆屑量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在16m左右，在鉆進(jìn)至該峰值前后出現(xiàn)煤炮聲，這表明其煤體受力強(qiáng)度逐漸增大直至達(dá)到應(yīng)力峰值，集中應(yīng)力在向深部煤體方向逐漸降低，該區(qū)間為應(yīng)力集中區(qū)；在18～20m區(qū)間鉆屑量趨于平穩(wěn)，表明煤體仍然處在原始應(yīng)力的初始狀態(tài)。

2.3 確定封孔深度

本煤層合理的瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超出煤巷幫的卸壓區(qū)范圍，同時(shí)又應(yīng)小于巷幫應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。因此鉆孔的封孔深度一方面要達(dá)到一定長度，以避免空氣通過裂隙進(jìn)入抽采鉆孔影響瓦斯高效抽采；另一方面封孔深度又應(yīng)盡量縮短，以節(jié)省材料和避免抽采盲區(qū)的出現(xiàn)。結(jié)合鉆屑指標(biāo)分析結(jié)果，確定馮營礦本煤層鉆孔合理的封孔深度應(yīng)為16m左右。

3 抽采效果考察

試驗(yàn)使用相同的抽采方法、鉆孔長度與孔徑來考察4種不同的封孔深度瓦斯抽采效果，旨在驗(yàn)證最合理的封孔深度。為了最大限度減少地質(zhì)等因素影響，交錯(cuò)布置了不同的封孔深度的鉆孔。4種不同的封孔深度分別為12m(處于卸壓區(qū)內(nèi))、16m(處于應(yīng)力峰值之前)、18m(處于應(yīng)力峰值之后)、22m(處于原始應(yīng)力區(qū))。試驗(yàn)選在馮營煤礦24081運(yùn)輸巷進(jìn)行。在巷道下幫進(jìn)行打鉆、封孔、聯(lián)網(wǎng)，并對瓦斯抽采濃度進(jìn)行觀測，觀察周期為77d，單組封孔深度分別為12m，16m，18m，22m，總計(jì)封孔20個(gè)鉆孔，不同封孔深度示意見圖3，每組鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓妶D4。

由圖4可以看出:

圖3 不同封孔深度示意

圖4 鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€

(1)在同一時(shí)間條件下，封孔深度為16m，18m，22m的鉆孔瓦斯抽采濃度要明顯高于封孔深度為12m的鉆孔瓦斯?jié)舛?，說明12m的封孔深度位于卸壓帶內(nèi)，這與鉆屑指標(biāo)確定的0～13m處在卸壓區(qū)是一致的，而封孔深度16m和18m的鉆孔處于應(yīng)力集中帶區(qū)域，鉆孔的漏氣量明顯減少，從而保證高濃度抽采瓦斯。

(2)封孔深度為16m，18m，22m的鉆孔在30d內(nèi)的平均瓦斯?jié)舛染?0%以上，分別為57.8%，50%，55.8%，而封孔深度為12m的鉆孔在30d內(nèi)平均濃度僅為32.4%，說明封孔深度為12m不合理。

(3)封孔深度22m，18m和16m的鉆孔，瓦斯抽采濃度差較小。為了降低成本，滿足抽采效果的前提下，確定封孔深度16m更為合理。

綜上，通過瓦斯抽采效果驗(yàn)證，證明鉆屑指標(biāo)確定的封孔深度比較合理，為現(xiàn)場封孔起到了正確的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語

(1)運(yùn)用鉆屑指標(biāo)分析本煤層煤巷幫“三帶”分布范圍，進(jìn)而確定鉆孔的合理封孔深度。鉆屑指標(biāo)主要包括原始鉆屑量和煤體變形鉆屑量以及伴隨的動(dòng)力現(xiàn)象，同一根鉆桿產(chǎn)生的原始鉆屑量指標(biāo)為定值；煤體變形鉆屑量指標(biāo)與煤層地應(yīng)力的變化基本呈現(xiàn)出相同規(guī)律；動(dòng)力現(xiàn)象又能反映應(yīng)力集中程度。

(2)馮營礦24081工作面應(yīng)用鉆屑指標(biāo)確定的封孔深度為16m，并進(jìn)行其他封孔深度對比試驗(yàn)，實(shí)測結(jié)果證明該封孔深度是可靠的，能明顯提高該礦本煤層抽采鉆孔的預(yù)抽瓦斯?jié)舛取?/p>

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Reasonable Sealing Depth of Gas Drainage Hole Determined with Drilling Cutting Index

LOU Zhen1，WEI Guo-ying1，2，3

(1.Safety Science & Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2.Henan Province Gas Geological and Control Key Laboratory- Provincial Joint Construction State Key Laboratory Cultivation Base，Jiaozuo 454003，China；3.Henan Province Coal Safety Production Collaborative Innovation Center，Jiaozuo 454003，China)

In order to improve drilling hole gas drainage efficiency of the coal seam，based on the importance of an reasonable sealing depth of gas drainage hole，it taking two-one coal seam of Fengying coal mine as example，influencing parameters that influenced drilling cutting were discussed，the scope of reasonable sealing depth was analyzed from ‘three-zone’ of roadway in coal seam.Based on relationship between drilling cutting index and ground stress，the reasonable depth was 16m was determined by data analysis of Fengying coal mine，the gas drainage effect was compared from different sealing depth in site，such as 12m，16m，18m，22m.The results showed that gas drainage results was better with sealing depth 16m，18m，22m than sealing depth 12m，sealing depth 16m was the most reasonable.The method not only assured gas drainage efficiency，but also references for reasonable sealing depth of this coal seam.

drilling cutting；coal seam；hole sealing depth，gas drainage

2016-05-04

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.029

教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT1235)；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(162107000040)

婁 振(1989-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事瓦斯地質(zhì)理論及瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究。

婁 振，魏國營.鉆屑指標(biāo)在確定本煤層鉆孔瓦斯抽采合理封孔深度中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2016，21(6)：104-107，87.

TD712

A

1006-6225(2016)06-0104-04