李樹剛 包若羽 張?zhí)燔? 張超 張磊

摘要：為了確定本煤層瓦斯抽采鉆孔的合理密封深度，進(jìn)而改善本煤層瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，提出了瓦斯抽采鉆孔合理密封深度的綜合判定辦法。通過(guò)理論分析鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布和破壞情況，并利用ZKXG30K礦用鉆孔窺視儀直觀確定了抽采鉆孔內(nèi)部情況，根據(jù)數(shù)值模擬法和現(xiàn)場(chǎng)鉆屑法的實(shí)測(cè)結(jié)果，初步確定了井下工作面瓦斯抽采鉆孔的合理密封深度，最終結(jié)合五陽(yáng)礦53105工作面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用的驗(yàn)證，確定了五陽(yáng)礦53105工作面較理想的鉆孔密封深度為14 m.研究成果為本煤層瓦斯抽采鉆孔高效密封提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;鉆孔密封;合理密封深度;本煤層

中圖分類號(hào)：TD 821文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0201文章編號(hào)：1672-9315（2019）02-0183-06

0引言

瓦斯抽采對(duì)提高煤礦井下采掘效率、保障礦井生產(chǎn)安全有著至關(guān)重要的作用。大量事實(shí)證明，對(duì)高瓦斯礦井煤層進(jìn)行瓦斯預(yù)抽可以有效解決礦井巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題，并能消除或降低采掘工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性[1-4]。近年來(lái)，中國(guó)的瓦斯抽采技術(shù)已經(jīng)得到快速發(fā)展，但是在瓦斯抽采技術(shù)和工藝等方面仍然存在較多問(wèn)題，導(dǎo)致很多礦井瓦斯平均抽采率較難達(dá)標(biāo)[5-8]。在瓦斯抽采各環(huán)節(jié)中，鉆孔的密封深度對(duì)鉆孔密封質(zhì)量的影響有直接關(guān)系，最終影響著鉆孔的高效抽采。

鉆孔合理密封深度的確定一直是瓦斯抽采鉆孔各環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。巷道打鉆過(guò)程中煤巖體內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致煤巖體中應(yīng)力重新分布，圍巖應(yīng)力沿巷道徑向往煤層深部依次呈現(xiàn)出應(yīng)力降低區(qū)、峰后應(yīng)力升高區(qū)、峰前應(yīng)力升高區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)，而沿鉆孔徑向方向依次為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如圖1和圖2所示[9-11]。

假設(shè)鉆孔密封至孔內(nèi)應(yīng)力降低區(qū)即破碎區(qū)內(nèi)，孔內(nèi)瓦斯便有了一條從鉆孔周圍煤體裂隙至巷道的泄漏通道，進(jìn)而巷道內(nèi)空氣沿著這條漏氣通道在抽采負(fù)壓的作用下進(jìn)入抽采系統(tǒng)當(dāng)中，由此將會(huì)造成抽采系統(tǒng)總管瓦斯?jié)舛容^低的問(wèn)題。假設(shè)鉆孔密封至峰前應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)，即密封深度大于應(yīng)力峰值點(diǎn)深度時(shí)，應(yīng)力屏障便形成于應(yīng)力峰值點(diǎn)區(qū)域附近，應(yīng)力屏障則中斷了其兩側(cè)的瓦斯流場(chǎng)，與此同時(shí)，還會(huì)阻斷封孔末端到應(yīng)力集中峰值點(diǎn)間的瓦斯向鉆孔內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)而形成抽采盲區(qū)，而且密封過(guò)深也造成了人力物力的極大浪費(fèi)，這些也直接制約著煤礦的高效生產(chǎn)和安全管理[12-16]。因此，可以得出合理鉆孔密封深度應(yīng)必須超出卸壓破碎區(qū)的范圍，且又要?jiǎng)倓傂∮阢@孔煤壁應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度，即臨界彈性區(qū)處[17]。

針對(duì)此問(wèn)題，文中研究本煤層瓦斯抽采鉆孔合理密封深度，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，期望該研究可以進(jìn)一步完善本煤層瓦斯抽采鉆孔合理密封深度的判定方法。

本煤層瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)情況較為復(fù)雜，目前獲取鉆孔內(nèi)部情況最為直接的辦法為鉆孔窺視法。文中利用ZKXG30K礦用鉆孔窺視儀（圖3），對(duì)本煤層瓦斯抽采鉆孔內(nèi)部孔壁進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)試地點(diǎn)為山西五陽(yáng)煤礦3#煤層，孔內(nèi)觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4（a）中，觀測(cè)至孔內(nèi)3 m處，此時(shí)鉆孔內(nèi)壁光滑，裂隙發(fā)育不明顯，成孔質(zhì)量較高;圖4（b）中，觀測(cè)至孔內(nèi)6 m處，此時(shí)由于該地點(diǎn)處于應(yīng)力降低卸壓區(qū)，在采動(dòng)擾動(dòng)和地應(yīng)力的影響下，鉆孔進(jìn)入巷道破碎區(qū)內(nèi)，裂隙發(fā)育貫通;圖4（c）和（d）中，孔內(nèi)9～13 m處鉆孔產(chǎn)生嚴(yán)重變形，周圍裂隙增多，并出現(xiàn)較多碎煤塊，這是由于觀測(cè)點(diǎn)已進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)域，孔周煤體應(yīng)力較大且產(chǎn)生塑性變形，鉆孔極易發(fā)生塌孔;圖4（e）和（f）中，孔內(nèi)14 m處裂隙發(fā)育逐漸結(jié)束，鉆孔周圍煤體彈性變形逐漸減小，鉆孔結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，碎煤塊也開(kāi)始減少;圖4（g）中，觀測(cè)至孔內(nèi)15 m處，孔內(nèi)煤體幾乎沒(méi)有發(fā)生破碎，僅發(fā)現(xiàn)少量細(xì)煤粉，此處的鉆孔周圍煤體受到的采動(dòng)擾動(dòng)也逐步減弱。

2鉆孔合理密封深度分析

2.1鉆屑量法確定鉆孔合理密封深度

2.1.1基本原理

眾所周知，在打鉆過(guò)程中鉆屑量從孔口位置至深部的變化量與鉆孔方向孔周煤體所受應(yīng)力的變化是基本一致的[18-20]。鉆進(jìn)至應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，鉆孔周圍煤體在應(yīng)力的作用下發(fā)生變形和破碎，從而引發(fā)抱鉆、卡鉆、斷鉆、頂鉆等問(wèn)題，導(dǎo)致鉆孔極易發(fā)生塌孔。此時(shí)鉆孔排出的鉆屑量急劇增大，鉆屑粒徑也明顯增大[21]。這種動(dòng)力現(xiàn)象越劇烈，表明應(yīng)力集中程度越高，最大鉆屑量最大處為鉆孔周圍煤體應(yīng)力集中最大值的位置[22-24]。因此，可以通過(guò)研究鉆屑量的變化規(guī)律來(lái)分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)，并作為確定鉆孔合理密封深度的參考。

2.1.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

山西五陽(yáng)煤礦53103工作面和53105工作面位于53采區(qū)，該區(qū)煤層瓦斯含量為7 m3/t左右，煤層傾角和煤層厚度分別為2°～4°和6.2 m.該工作面通過(guò)本煤層近水平瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，抽采鉆孔直徑和間距分別為113 mm和2 m.

試驗(yàn)鉆孔位置與現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔位置保持一致，保證每個(gè)試驗(yàn)鉆孔兩側(cè)為現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔。分別在53103工作面和53105工作面設(shè)計(jì) 5個(gè)試驗(yàn)鉆孔，鉆孔深度在20 m以內(nèi)，鉆孔編號(hào)為1#～ 10#.采用功率為1.2 kW的手持式電鉆進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，詳細(xì)記錄每米鉆進(jìn)向外排出的鉆屑量，備注鉆進(jìn)過(guò)程鉆孔發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象，如頂鉆、卡鉆等。通過(guò)Origin軟件繪制曲線并擬合，獲取鉆屑量與鉆孔深度的規(guī)律曲線圖，如圖5和圖6所示。

根據(jù)上述鉆屑量與鉆孔深度的規(guī)律曲線，可以得出1）鉆進(jìn)至1～7 m的過(guò)程中，鉆屑量隨著鉆進(jìn)深度的增加表現(xiàn)出均勻增大;鉆進(jìn)至8～13 m的過(guò)程中，鉆屑量隨鉆進(jìn)深度的增加表現(xiàn)出急劇增大;鉆進(jìn)至14～15 m處時(shí)鉆屑量值到達(dá)峰值;

2）根據(jù)打鉆過(guò)程中鉆屑量與鉆孔方向孔周煤體所受應(yīng)力的變化呈基本一致這一規(guī)律，可以得出卸壓區(qū)范圍在鉆孔孔深0～7 m段，應(yīng)力升高區(qū)范圍在鉆孔孔深8～13 m段，應(yīng)力峰值在14 m左右孔深處，孔深14 m以后鉆孔周圍應(yīng)力降低，即進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū)域;

3）抽采鉆孔合理密封深度應(yīng)超過(guò)鉆孔卸壓破碎區(qū)域，又必須小于孔周煤體應(yīng)力峰值點(diǎn)處的深度，即剛好位于煤體彈塑性變形區(qū)域的臨界位置，根據(jù)上述結(jié)果，推斷出14 m為五陽(yáng)煤礦本煤層瓦斯抽采鉆孔的合理密封深度。

2.2鉆孔合理密封深度的確定

本煤層順層鉆孔平行布置于巷道一側(cè)，巷道長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抽采鉆孔直徑。煤體受原巖應(yīng)力作用，巷道在煤層中掘進(jìn)，抽采鉆孔在巷道一側(cè)水平布置，力學(xué)模型如圖7所示，利用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，分析模型巷道以及鉆孔的應(yīng)力情況。

在FLAC3D軟件中建立模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層數(shù)據(jù)模型采用參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)合有關(guān)工程實(shí)際情況，按照鉆孔直徑100 mm，長(zhǎng)度7 500 mm，巷道直徑6 000 mm，圓形巷道位于模型中心，抽采鉆孔位于圓形巷道的右側(cè)，鉆孔垂直于巷道布置。利用Null模型設(shè)置巷道，固定模型左側(cè)、右側(cè)、底部、前、后表面位移為0，載荷為10 MPa，計(jì)算巷道周圍應(yīng)力分布，如圖8所示，模型采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則判斷破壞，σx，σy和σz分別為鉆孔剖面xy軸方向及沿孔內(nèi)方向的應(yīng)力。

如圖9所示，鉆孔周圍應(yīng)力在巷道直徑2倍處即鉆孔孔內(nèi)13～14 m處迅速增加至最大，此處為鉆孔應(yīng)力集中區(qū)域。由于應(yīng)力集中區(qū)域處于鉆孔孔周煤體彈塑性臨界位置，產(chǎn)生塑性變形的煤體極易產(chǎn)生裂隙進(jìn)而演變?yōu)槌椴摄@孔的漏氣通道，據(jù)此判斷現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的合理密封區(qū)域應(yīng)該在孔內(nèi)13～14 m區(qū)域，基本與鉆屑法測(cè)試結(jié)果一致。

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

3.1工作面情況

山西五陽(yáng)煤礦3#煤層底板標(biāo)高為+481～+613 m，煤層傾角2°～4°，瓦斯含量為7 m3/t，原始煤層瓦斯壓力為0.55 MPa，該礦目前為高瓦斯礦井，測(cè)試工作面附近無(wú)地質(zhì)構(gòu)造。

3.2鉆孔合理密封深度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)施方案由前文可知，抽采鉆孔合理密封深度應(yīng)超過(guò)圖1053105工作面抽采鉆孔布置

Fig.10Boreholes layout of 53105

coal working face

鉆孔卸壓破碎區(qū)域，又必須小于孔周煤體應(yīng)力峰值點(diǎn)處的深度，五陽(yáng)礦53105工作面瓦斯抽采鉆孔合理密封深度應(yīng)在14 m左右。為了驗(yàn)證此密封深度的合理性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)12個(gè)抽采鉆孔，分別采用13，14和15 m 3種密封深度，每種密封深度試驗(yàn)4個(gè)鉆孔，采用CF水泥基膨脹固化封孔材料對(duì)現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔進(jìn)行密封。最終得到9個(gè)有效試驗(yàn)鉆孔，分別記為C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8和C9，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

3試驗(yàn)效果分析

從表2可以發(fā)現(xiàn)，封孔深度為14 m和15 m的試驗(yàn)鉆孔，其管路負(fù)壓與孔口負(fù)壓的差值較小，表明其密封效果整體較好。相同條件下比較瓦斯抽采純量可以發(fā)現(xiàn)，14 m密封深度的抽采鉆孔瓦斯抽采純量更大，這就說(shuō)明了15 m的密封深度可能導(dǎo)致出現(xiàn)抽采盲區(qū)，最終得到五陽(yáng)煤礦53105工作面的瓦斯抽采鉆孔密封深度為14 m較為合理。

4結(jié)論

1）利用ZKXG30K礦用鉆孔窺視儀直觀的觀測(cè)了鉆孔孔內(nèi)完整光滑及破碎情況，結(jié)合數(shù)值模擬法和鉆屑量法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，初步確定出試驗(yàn)區(qū)所在埋深的煤層合理密封深度;

2）采用CF水泥基膨脹固化封孔材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)密封試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)鉆孔負(fù)壓值、瓦斯?jié)舛群图兞康葏?shù)，得出五陽(yáng)礦53105工作面合理密封深度為14 m;

3）通過(guò)理論分析、鉆孔窺視儀現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬法、鉆屑量法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，得到了一種鉆孔合理密封深度的綜合判定辦法。

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