馬文偉

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 122113)

礦井瓦斯災(zāi)害是影響我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，尤其近年來，隨著煤層開采深度的加大，煤礦瓦斯安全形勢(shì)將更加嚴(yán)峻[1-5]。在防治煤與瓦斯突出的各項(xiàng)工作中，瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定是一切防治措施的基礎(chǔ)，而煤層瓦斯壓力測(cè)定又是瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定中的基礎(chǔ)，故準(zhǔn)確的測(cè)定煤層瓦斯壓力，對(duì)防治煤與瓦斯突出具有極其重要的意義[6-10]。

煤層瓦斯壓力是指煤層孔隙內(nèi)氣體分子自由熱運(yùn)動(dòng)撞擊所產(chǎn)生的作用力，此作用力在某一點(diǎn)上各向大小相等，方向與孔隙壁垂直[11]。在實(shí)際瓦斯壓力測(cè)定中，測(cè)壓鉆孔的施工方式有穿層測(cè)壓鉆孔和順層測(cè)壓鉆孔兩種，相較于順層鉆孔，利用穿層鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯壓力測(cè)定，由于巖石段鉆孔鉆進(jìn)時(shí)鉆孔成型較完整，鉆孔周邊裂隙較少，瓦斯的泄露擴(kuò)散通道減少，有利于鉆孔的封孔，同時(shí)鉆孔巖石段抗壓強(qiáng)度大，可作為保護(hù)巖柱，防止噴孔時(shí)大量煤體的同時(shí)噴出，減少損害，故利用穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，在準(zhǔn)確性和安全性上有很好的保障[12]。研究表明[13]，穿層鉆孔瓦斯壓力測(cè)定的準(zhǔn)確性不僅與封孔效果有關(guān)，與鉆孔的開孔位置、傾角、方位、鉆孔長(zhǎng)度等參數(shù)也具有密切關(guān)系。故研究穿層測(cè)壓鉆孔的參數(shù)設(shè)計(jì)方法具有重要的意義[14-16]。

目前，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)于測(cè)壓鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了不同層次的研究。桑聰[17]等人以高抽巷測(cè)定待抽煤層瓦斯壓力為原型，建立幾何模型，對(duì)考慮偽傾角情況下的下行穿層測(cè)壓鉆孔參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行研究，并推導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式。石慶禮[13]等以測(cè)壓巷道及鉆場(chǎng)與煤層的6種空間位置關(guān)系為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出各種空間關(guān)系條件下，施工上行孔和施工下行孔時(shí)，鉆孔位置、參數(shù)及參數(shù)選取的約束關(guān)系式。這些研究成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工的設(shè)計(jì)工作起到了一定的指導(dǎo)作用，但計(jì)算模型多變，空間關(guān)系較為復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中考慮因素較多，本文在前人的研究的基礎(chǔ)上，以鉆場(chǎng)與待測(cè)煤層的2種相對(duì)位置關(guān)系為基礎(chǔ)，研究上向測(cè)壓鉆孔與下向測(cè)壓鉆孔的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，形成簡(jiǎn)單的計(jì)算公式，適用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)快速的進(jìn)行測(cè)壓鉆孔的參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 測(cè)壓鉆孔參數(shù)計(jì)算模型建立

對(duì)于施工穿層鉆孔的鉆場(chǎng)，相對(duì)于測(cè)壓煤層，有兩種位置關(guān)系，一種為測(cè)壓鉆場(chǎng)位于煤層底板，通過施工上向穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，另外一種位置關(guān)系為測(cè)壓鉆場(chǎng)位于煤層頂板，通過施工下向穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定。根據(jù)相關(guān)地測(cè)資料報(bào)告，通?？梢源_定測(cè)壓地點(diǎn)的煤層傾角β，煤層傾向方位角γ'，鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層垂直高度h及煤層厚度m，鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)通常是要確定鉆孔的傾角α，鉆孔方位角γ及鉆孔的長(zhǎng)度L。為了模型計(jì)算方便，假設(shè)煤層賦存狀態(tài)穩(wěn)定，建立鉆孔參數(shù)計(jì)算模型。

1.1 上向穿層鉆孔參數(shù)計(jì)算模型

上向穿層鉆孔參數(shù)計(jì)算模型如圖1所示，由圖1(a)、(b)可見，在鉆場(chǎng)施工上向穿層鉆孔，鉆孔傾角為α，逆煤層傾向鉆孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，順煤層傾向鉆孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，鉆孔在煤層平面投影與煤層傾向所成銳夾角為φ，逆煤層傾向鉆孔見煤點(diǎn)為A點(diǎn)，順煤層傾向鉆孔見煤點(diǎn)為B點(diǎn)，分別過A點(diǎn)和B點(diǎn)作與煤層平面平行的起鉆點(diǎn)所在平面的垂線，交該平面于A′點(diǎn)、B′點(diǎn)，A與A′點(diǎn)距離和B與B′點(diǎn)距離即為鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層垂直高度h。圖1(b)為沿鉆孔走向的剖面圖，β′為煤層沿鉆孔施工方向的偽傾角。由圖1(b)所示幾何關(guān)系，可得：

圖1(c)中O1′A為鉆孔O1A在煤層平面上的投影，為計(jì)算β′，沿煤層傾向作輔助線AA″，沿鉛垂方向作輔助線AA′″，則∠AA″A′″即為煤層傾角β，∠O1′AA″為鉆孔在煤層平面投影與煤層傾向所成銳夾角，由幾何關(guān)系可知：

sinβ′=sinβ·cosφ

(6)

β′=arcsin(sinβ·cosφ)

(7)

sinβ′=sinβ·cosφ

(12)

β′=arcsin(sinβ·cosφ)

(13)

綜合以上分析，可得逆煤層傾向上向鉆孔長(zhǎng)度和順煤層傾向上向鉆孔長(zhǎng)度分別為：

1.2 下向穿層鉆孔計(jì)算模型建立

下向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算模型如圖2所示，由圖2(a)可見，在鉆場(chǎng)施工下向穿層鉆孔，鉆孔傾角為α，逆煤層傾向鉆孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，順煤層傾向鉆孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)4，鉆孔在煤層平面投影與煤層傾向所成銳夾角為φ，逆煤層傾向鉆孔見煤點(diǎn)為C點(diǎn)，順煤層傾向鉆孔見煤點(diǎn)為D點(diǎn)，分別過起鉆點(diǎn)O3點(diǎn)和O4點(diǎn)作與煤層平面的垂線，交煤層平面于O3′點(diǎn)、O4′點(diǎn)，O3與O3′點(diǎn)距離和O4與O4′點(diǎn)距離即為鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層垂直高度h。圖2(b)為沿鉆孔走向的剖面圖，β′為煤層沿鉆孔施工方向的偽傾角。由圖2(b)所示幾何關(guān)系，可得：

圖2 下向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算模型

依據(jù)圖2(c)(d)中的幾何關(guān)系，按照上向穿層鉆孔的分析思路，最終可得逆煤層傾向下向鉆孔長(zhǎng)度和順煤層傾向下向鉆孔長(zhǎng)度分別為：

綜合以上分析，傾斜煤層穿層測(cè)壓鉆孔參數(shù)計(jì)算如下：

式中，L1為逆煤層傾向上向穿層鉆孔孔長(zhǎng)；L2為順煤層傾向上向穿層鉆孔孔長(zhǎng)；L3為逆煤層傾向下向穿層鉆孔孔長(zhǎng)；L4為順煤層傾向下向穿層鉆孔孔長(zhǎng)；h鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層垂直高度；α為鉆孔的傾角；β為煤層傾角；φ為鉆孔在煤層平面投影與煤層傾向所成銳夾角。

2 算例分析

由式(20)、式(21)可知，穿層測(cè)壓鉆孔中參數(shù)的確定是一個(gè)相互聯(lián)系的過程，一般來講，在進(jìn)行鉆孔測(cè)壓時(shí)，根據(jù)地測(cè)勘探資料可以確定當(dāng)前待測(cè)壓區(qū)的煤層傾角β，鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層的垂直高度h及煤層傾向的方位角為γ′。

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》規(guī)定[12]，測(cè)壓鉆孔應(yīng)保證有足夠的封孔深度，使穿層鉆孔的見煤點(diǎn)位于巷道的卸壓圈之外，最小封孔深度不應(yīng)小于12m，同時(shí)上向測(cè)壓鉆孔的的鉆孔傾角不小于5°，實(shí)際施工中也不應(yīng)大于45°，否則會(huì)造成施工難度加大和封孔困難。

故進(jìn)行算例分析時(shí)，假設(shè)待測(cè)區(qū)煤層傾角β為5°，鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層的垂直高度h為15m，設(shè)置上向鉆孔傾角為5°～45°，下向鉆孔傾角為15°～90°，根據(jù)式(20)、式(21)，應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件對(duì)上向鉆孔及下向鉆孔參數(shù)關(guān)系進(jìn)行作圖，如圖3所示。

圖3 穿層鉆孔參數(shù)計(jì)算圖

可見，在煤層傾角、鉆孔起鉆點(diǎn)位置與煤層垂直高度確定的前提下，鉆孔施工長(zhǎng)度、鉆孔傾角、鉆孔在煤層平面投影與煤層傾向所形成的銳夾角之間有著密切的聯(lián)系。由圖3(a)、(b)可見，對(duì)于上向鉆孔，鉆孔傾角較小時(shí)，鉆孔施工長(zhǎng)度會(huì)較長(zhǎng)，鉆孔施工工程量較大，且不利于壓力的測(cè)定，故對(duì)于上向鉆孔的設(shè)計(jì)，可首先預(yù)估一個(gè)鉆孔長(zhǎng)度范圍，在鉆孔長(zhǎng)度范圍內(nèi)選擇合適施工的鉆孔傾角，最后確定鉆孔方位角，如圖4(a)所示，其中粗實(shí)線框圖部分即為以算例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)估鉆孔長(zhǎng)度35～70m范圍為界所形成的鉆孔參數(shù)選擇范圍。

對(duì)于下向鉆孔，由于工人在現(xiàn)場(chǎng)為了方便施工，鉆孔傾角容易設(shè)置偏大，因此其鉆孔長(zhǎng)度就會(huì)偏小，若鉆孔的見煤點(diǎn)在巷道卸壓圈之內(nèi)時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重影響到封孔效果和測(cè)壓精度，故對(duì)于下向鉆孔的設(shè)計(jì)，要以保證封孔質(zhì)量為基礎(chǔ)，可先確定鉆孔的施工長(zhǎng)度范圍，進(jìn)而確定合適的鉆孔施工傾角和方位角，如圖4(b)所示，其中粗實(shí)線框圖部分即為以算例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)估鉆孔長(zhǎng)度20～30m范圍為界所形成的鉆孔參數(shù)選擇范圍。

圖4 測(cè)壓鉆孔參數(shù)選擇方法示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析

為了證實(shí)文中提出的穿層測(cè)壓鉆孔參數(shù)計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和方法的適用性，以中煤新集能源股份有限公司某礦進(jìn)行的煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)項(xiàng)目為依托，對(duì)其煤層進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定。根據(jù)地測(cè)資料，煤層在相應(yīng)測(cè)壓地點(diǎn)的賦存狀況見表1。

表1 測(cè)壓位置煤層賦存狀態(tài)

根據(jù)地測(cè)資料及鉆場(chǎng)與煤層的方位，應(yīng)用上文所研究方法設(shè)計(jì)上向及下向穿層測(cè)壓鉆孔，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工結(jié)果對(duì)比見表2，鉆孔長(zhǎng)度相對(duì)誤差在10%左右。由于井下現(xiàn)場(chǎng)煤層埋藏賦存條件復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工條件多變，故理論計(jì)算值相對(duì)誤差控制在10%，能夠相對(duì)準(zhǔn)確的反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，該套鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法能夠有效的指導(dǎo)實(shí)際施工。

表2 計(jì)算結(jié)果與施工結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

1)以鉆場(chǎng)與煤層的兩種空間位置關(guān)系為基礎(chǔ)，將穿層測(cè)壓鉆孔分為逆煤層傾向上向穿層鉆孔、順煤層傾向上向穿層鉆孔、逆煤層傾向下向穿層鉆孔、順煤層傾向下向穿層鉆孔4種類型。

2)以煤層產(chǎn)狀為前提，測(cè)壓鉆場(chǎng)與煤層相對(duì)位置關(guān)系為基礎(chǔ)建立幾何模型，對(duì)穿層測(cè)壓鉆孔4種鉆孔類型進(jìn)行幾何建模解算，推導(dǎo)出各種情況下測(cè)壓鉆孔長(zhǎng)度、鉆孔傾角、鉆孔方位角關(guān)系的計(jì)算公式。

3)通過應(yīng)用Mathematic數(shù)學(xué)軟件分析計(jì)算公式，得到鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)可首先確定鉆孔長(zhǎng)度范圍保證封孔質(zhì)量，而后在選擇區(qū)域內(nèi)取得鉆孔傾角和方位角。

4)對(duì)比測(cè)壓鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際施工鉆孔值，理論計(jì)算值與實(shí)際值相對(duì)誤差在10%左右，能夠滿足工業(yè)施工需求，表明該方法具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和適用性。