本煤層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究

姜建峪，盧衛(wèi)永

(1.山煤集團(tuán)宏遠(yuǎn)煤礦，山西 晉中 032600;2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

抽采本煤層瓦斯是現(xiàn)今礦井預(yù)防瓦斯事故發(fā)生的重要手段之一，瓦斯抽采鉆孔的封孔技術(shù)是抽采本煤層瓦斯的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，而封孔深度又是影響封孔質(zhì)量的一個(gè)重要因素。雖然國內(nèi)外的專家學(xué)者對合理封孔深度進(jìn)行過很多的研究和試驗(yàn)，并取得了相應(yīng)成就，但是合理封孔深度的研究目前依然處在探索階段。筆者認(rèn)為在不同的煤層賦存及開采地質(zhì)條件、開采深度、煤巖力學(xué)性能參數(shù)的條件下，封孔的深度會有較大的不同。然而，目前很多礦井依然是根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的封孔深度［1］進(jìn)行封孔，是否適合本礦井的實(shí)際情況卻不得而知。如何確定適合礦井實(shí)際的、合理的封孔深度，以保證煤層瓦斯抽采的濃度和抽采效果，一直是一個(gè)困擾著很多采礦科研人員和采礦行業(yè)工作者的難題。因此，研究合理的封孔深度對提高瓦斯的抽采率，保證瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，降低工作面的瓦斯涌出量，防止煤與瓦斯突出，保證礦井安全、高效的生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。

1 封孔的基本原則

在長期的抽采實(shí)踐中，國內(nèi)確定了一項(xiàng)瓦斯抽采鉆孔的封孔基本原則:1)保證不吸入空氣。2)使封孔深度盡量縮短。這一封孔的基本原則一方面要求瓦斯抽采鉆孔的封孔深度必須足夠長，以此來避免空氣經(jīng)由裂隙被吸入鉆孔，保證鉆孔瓦斯抽采的濃度;另一方面要求封孔的深度盡量短，從而達(dá)到省工省料，創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的目的。

本文結(jié)合鶴煤集團(tuán)中泰礦業(yè)的實(shí)際情況，通過試驗(yàn)的方法，旨在探求一個(gè)合理的、適合該礦井實(shí)際的合理封孔深度，在能確保鉆孔不漏氣且省工省力的同時(shí)，又可以節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)合理。

2 試驗(yàn)地點(diǎn)概況及鉆孔布置

試驗(yàn)地點(diǎn)選在鶴煤集團(tuán)中泰礦業(yè)井下33071皮帶運(yùn)輸巷，巷道長300 m，高2.4 m、寬3.8 m。打鉆設(shè)備為MK－4型鉆機(jī)，配套鉆桿直徑95 mm，長度750 mm，沿33071皮帶運(yùn)輸巷向33071軌道運(yùn)輸巷打本煤層的順層平行預(yù)抽鉆孔，鉆孔間距3 m，距底板1.2 m，鉆孔方位角80°，鉆孔傾角 －1°～1°，單孔長度80 m。記距停采線50 m處的鉆孔為1#試驗(yàn)鉆孔，由此向切眼方向相鄰的鉆孔依次記作 2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#。

3 封孔方式簡介

本試驗(yàn)采用的是一種新型的囊袋式注漿封孔技術(shù) ，該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了主動支護(hù)鉆孔，而且可以任意角度向鉆孔內(nèi)注漿，從而封堵鉆孔周圍的裂隙，封孔效果較傳統(tǒng)方式的封孔效果好。囊袋式注漿封孔原理示意圖見圖1。

圖1 囊袋式注漿封孔原理示意圖

封孔的步驟如下:1)先將集氣管、封孔器以及瓦斯抽采管聯(lián)接并插入鉆孔，置于設(shè)計(jì)的封孔位置。2)用注漿設(shè)備通過PVC管內(nèi)插入的注漿管注漿，漿液使兩端囊袋膨脹，與鉆孔壁緊貼。3)當(dāng)囊袋注漿壓力達(dá)到1 MPa時(shí)，中間的單向閥自動打開，出漿，兩囊袋之間的鉆孔空間被漿液充滿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，結(jié)束注漿。

4 抽采效果對比

4.1 數(shù)據(jù)觀測記錄

試驗(yàn)鉆孔封好之后，就把這9個(gè)試驗(yàn)鉆孔作為一組聯(lián)入抽采管路開始抽采，該組鉆孔具有相同的抽采負(fù)壓13.5 kPa，封孔深度分別為 6 m，8 m，12 m。封孔深度示意圖見圖2。

圖2 封孔深度示意圖

在該串鉆孔中，相鄰的3個(gè)鉆孔的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)具有可比性，記錄各鉆孔分組及開始抽采的時(shí)間，用高濃度光學(xué)瓦斯測試儀測試1#～9#各個(gè)試驗(yàn)鉆孔的瓦斯?jié)舛龋块g隔4天觀測記錄1次，連續(xù)觀測77天，記錄各個(gè)抽采鉆孔對應(yīng)的瓦斯?jié)舛?。在此期間共收集數(shù)據(jù)126組，1#～9#試驗(yàn)鉆孔的實(shí)測瓦斯?jié)舛扔涗浨闆r見表1。

表1 1#～9#試驗(yàn)鉆孔的實(shí)測瓦斯?jié)舛扔涗洷?/p>

4.2 圖線繪制

由圖2可見，相鄰的3個(gè)鉆孔的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)最有可比性，該串鉆孔7組對比數(shù)據(jù)，用EXCEL軟件進(jìn)行處理，繪制出濃度隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖和對應(yīng)的擬合曲線圖，3種不同封孔深度的散點(diǎn)圖和擬合曲線圖見圖3和圖4。

圖3 鉆孔瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的擬合曲線對比圖

4.3 圖表分析

通過這7組不同封孔深度(6 m，8 m，12 m)鉆孔的瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化曲線，可以分析合理的封孔深度如下:

圖4 不同深度鉆孔濃度隨時(shí)間的擬合曲線對比圖

1)抽采時(shí)間相同的條件下，瓦斯?jié)舛扰c封孔深度的關(guān)系。

由圖3，圖4可知，無論是單個(gè)鉆孔的瓦斯?jié)舛冗€是封孔深度相同的平均瓦斯?jié)舛龋?］，顯而易見，封孔深度為8 m和12 m的鉆孔抽采瓦斯?jié)舛染哂诜饪咨疃葹? m的瓦斯?jié)舛?。可以得出，瓦斯鉆孔的封孔深度越深，封孔效果越好。

2)抽采時(shí)間相同的條件下，封孔深度與瓦斯?jié)舛人p趨勢的關(guān)系。

由圖3，圖4可知:封孔深度為6 m的鉆孔瓦斯?jié)舛人p速度比封孔深度8 m和12 m的瓦斯?jié)舛人p速度要快，也就是說，封孔深度為12 m和8 m的鉆孔瓦斯?jié)舛人p系數(shù)小于封孔深度為6 m的鉆孔瓦斯?jié)舛人p系數(shù)。所以，從瓦斯?jié)舛人p速度方面考慮，封孔深度為12 m和8 m比封孔深度為6 m更合理。

3)抽采時(shí)間相同的條件下，封孔深度，瓦斯?jié)舛燃八幍膽?yīng)力帶三者之間的關(guān)系。

巷道開挖后，從巷道壁向煤體內(nèi)部依次是卸壓帶，應(yīng)力集中帶，原巖應(yīng)力帶三帶［5］。在卸壓帶內(nèi)，由于受到巷道開挖的影響，煤巖體較破碎，裂隙、裂縫發(fā)育較充分;在應(yīng)力集中帶內(nèi)，煤巖體被壓實(shí)變密，經(jīng)煤體裂隙、裂縫的漏氣量會明顯減少，從而能保證鉆孔抽采到較高濃度的瓦斯。受抽采負(fù)壓的影響，當(dāng)封孔深度處于未超過卸壓帶時(shí)，巷道內(nèi)的空氣就會經(jīng)裂隙、裂縫被吸入鉆孔，鉆孔漏氣量就較大，瓦斯的濃度較低［4］。因此，在相同的條件下，合理的封孔深度應(yīng)處于卸壓帶之外，應(yīng)力集中帶以內(nèi)?？梢耘袛?，6 m的封孔深度位于巷道松動圈范圍之內(nèi)，封孔深度為8 m和12 m的鉆孔位于巷道松動圈范圍以外的應(yīng)力集中帶內(nèi)。所以，從封孔深度所處的應(yīng)力帶可以得出封孔深度為8 m和12 m比封孔深度為6 m更合理。

綜上分析，中泰礦業(yè)合理的封孔深度是8 m，在保證抽采效果的同時(shí)，還能節(jié)約管材，省錢省工又省力。

5 結(jié)論

1)運(yùn)用控制變量法和工業(yè)性試驗(yàn)法相結(jié)合，確定出了中泰礦業(yè)的合理封孔深度是8 m，可以實(shí)現(xiàn)封孔的兩個(gè)基本原則。

2)這種研究合理的封孔深度的方法具有普遍適用性和現(xiàn)實(shí)可操作性，能為大多數(shù)礦井的合理封孔深度的確定提供依據(jù)和支撐。

3)本文存在的不足是對比試驗(yàn)的組數(shù)少，如封孔深度為6 m，8 m，12 m的鉆孔個(gè)數(shù)可以取10～20個(gè)，可以再增加一些鉆孔數(shù)目，以保證有足夠的組數(shù)來進(jìn)行對比;對比的封孔深度的增加值太大，如可以設(shè)置研究范圍是4～20 m，每隔1 m(甚至是0.5 m)作為一個(gè)試驗(yàn)的研究對象，更能準(zhǔn)確確定出合理的封孔深度;瓦斯?jié)舛鹊臏y試時(shí)間短，可以延長至半年甚至更長;僅有瓦斯?jié)舛冗@一個(gè)衡量指標(biāo)，可以在試驗(yàn)鉆孔各安裝一個(gè)孔板流量計(jì)，用單孔流量指標(biāo)和瓦斯?jié)舛葋砭C合確定合理的封孔深度，更有說服力。

［1］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出細(xì)則［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009:36－37.

［2］張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001:89－91.

［3］孫玉寧.囊袋式注漿封孔裝置及其封孔方法:中國，200710054384.5［P］.2007－5－10.

［4］尚 群.趙莊礦3#煤層煤層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究［D］.焦作:河南理工大學(xué)，2010.

［5］錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010:112－113.