大斷面煤層巷道瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究

何 俊 董開元

（河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000）

隨著開采深度的增加，煤與瓦斯突出的治理難度逐漸增大，具體表現(xiàn)為瓦斯壓力、含量急劇增加，煤體透氣性減小，導(dǎo)致瓦斯突出強(qiáng)度大、頻率高、抽采困難等。抽采是瓦斯治理的關(guān)鍵，而確定合理的封孔深度是瓦斯抽采的一個主要技術(shù)環(huán)節(jié)，也是提高瓦斯抽采率的重要方法。

1 礦井概況

趙固二礦主要含煤地層為山西組和太原組，兩組煤層總厚度10.71 m，地層總厚172.26 m，含煤系數(shù)為6.22%。二1 煤層為本井田主要可采煤層，厚4.73～6.77m，平均6.16m。該煤層以塊煤為主，夾有少量粒狀煤，內(nèi)生裂隙發(fā)育，塊煤強(qiáng)度大，堅硬。受區(qū)域構(gòu)造控制，井田內(nèi)構(gòu)造特征以斷裂為主，局部發(fā)育小幅度次級褶曲，全井田有發(fā)育斷層47條。趙固二礦煤層埋藏較深，屬煤與瓦斯突出礦井。

2 確定瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度

2.1 巷道卸壓圈數(shù)值模擬

采掘作業(yè)破壞了煤層的原始應(yīng)力，使煤體發(fā)生破裂變形，形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力區(qū)，俗稱應(yīng)力 “三帶”。井下巷道圍巖卸壓圈范圍的確定是一個復(fù)雜的問題，數(shù)值模擬是對實際情況進(jìn)行簡化，其結(jié)果與實際情況有一些差別，但從中得到的一些結(jié)論有益于解決工程實際問題。所以，將圍巖體簡化為各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)，將巷道的圍巖應(yīng)力簡化為靜水壓力狀態(tài)，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對巷道卸壓圈的分布規(guī)律進(jìn)行研究。本次模擬實驗所建立模型的網(wǎng)格大小為44 m×40m×36m。具體參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

計算時對模型進(jìn)行簡化，只考慮模型在橫斷面X、Z 兩個方向上的響應(yīng)，不考慮巷道Y 方向的自由度。模擬計算分兩部分，第一部分是在重力及圍壓作用下模擬固結(jié)過程；第二部分是利用null空單元來模擬開挖過程。利用FLAC3D 處理，根據(jù)各路徑上屈服單元個數(shù)及各模型網(wǎng)格劃分大小情況，進(jìn)而判斷卸壓圈的范圍。趙固二礦煤層巷道圍巖垂直應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 煤層巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖

圖1中不同的顏色區(qū)域代表巷道內(nèi)的應(yīng)力分布情況，從圖1可以看出，巷道開挖后圍巖卸壓帶寬度為5m，從第5m 到第13m 為巷道的應(yīng)力集中帶，13m 以后的區(qū)域為原始應(yīng)力帶。

2.2 卸壓圈寬度現(xiàn)場試驗

不同區(qū)域煤體的力學(xué)狀態(tài)不同，導(dǎo)致不同區(qū)域的煤層透氣性、在相同破壞力作用下所產(chǎn)生的碎粒煤量也是不相同的。因此，利用向巷幫打鉆測量不同深度的煤屑量S 和煤屑解吸指標(biāo)Δh2（煤屑量S和煤屑解吸指標(biāo)Δh2的變化趨勢是一致的），根據(jù)其變化趨勢推算出煤層巷道3個應(yīng)力區(qū)的范圍。不同區(qū)域的鉆屑量S、Δh2關(guān)系如圖2所示。

在11021工作面下巷道1390～1920m 處選擇8個地點進(jìn)行試驗，盡量避開斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造帶，與硐室間距20 m以上，相鄰試驗點間距8～10m。每個地點用鉆桿直徑為75mm 的鉆機(jī)施工順煤層鉆孔，單孔深度為15～20 m。鉆孔施工過程中，每進(jìn)尺1m，用彈簧秤測定該1m 進(jìn)尺的鉆屑量S。實測鉆屑量S 與鉆孔深度關(guān)系見表2。從第3m 開始，每鉆進(jìn)2m，用MD-2型煤鉆屑瓦斯解吸儀測取鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與鉆孔深度關(guān)系見表3。

圖2 不同區(qū)域的鉆屑量S、Δh2關(guān)系圖

表2 鉆屑量S 與鉆孔深度關(guān)系表

根據(jù)表2 和表3 情況，選擇有代表性的1＃、2＃、4＃鉆孔實測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計回歸繪制出鉆孔鉆屑量S 和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2隨孔深的變化情況，如圖3和圖4所示。

表3 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與鉆孔深度關(guān)系表

圖3 鉆屑量與孔深關(guān)系圖

從圖3可知，1＃、2＃和4＃孔的鉆屑量S 與孔深關(guān)系曲線能較好地反映出巷道周圍煤體的3個應(yīng)力區(qū)的范圍，卸壓區(qū)為1～5m，應(yīng)力集中區(qū)為5～12m，原始應(yīng)力區(qū)為12m 以后，鉆屑量最大值出現(xiàn)在鉆孔深度為9m 左右的位置。

由于鉆屑量S 和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2反映對應(yīng)物理參數(shù)的敏感性存在著差異，從圖4 可以看出，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2不能明顯反映出巷道周圍煤體的3個應(yīng)力區(qū)的范圍，分析其原因可能是煤體瓦斯放散速度太快、煤體瓦斯分布不均勻、煤體含水等。

圖4 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)與孔深關(guān)系圖

抽采鉆孔封孔深度的基本原則是避免抽采時吸入空氣又要封孔深度盡量縮短。要求抽采瓦斯鉆孔的封孔深度必須足夠長，以避免空氣通過裂隙被吸入抽采鉆孔，保證抽采鉆孔瓦斯的抽采濃度和抽采量，又要求封孔深度盡量縮短，以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，煤層巷道 “三帶”范圍是動態(tài)變化的，隨著工作面的回采影響而不斷擴(kuò)大。為了保證抽采鉆孔后期的抽采效果，封孔深度應(yīng)超過應(yīng)力集中帶。結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，確定合理的封孔深度為13m。

3 抽采效果驗證

瓦斯抽采鉆孔的封孔效果不好，會導(dǎo)致抽采鉆孔的瓦斯抽采負(fù)壓和抽采濃度偏小。所以，可以利用這兩個參數(shù)進(jìn)行該試驗的抽采效果驗證。

本次驗證試驗地點在11021工作面下巷道9號瓦斯抽采鉆場。選擇9個相鄰的抽采鉆孔，封孔深度分別為10m、13m、15m，每組各3個，分別測取不同封孔深度鉆孔的瓦斯抽采負(fù)壓和抽采濃度，實測數(shù)據(jù)見表4和表5。

表4 瓦斯抽采負(fù)壓與封孔深度關(guān)系表 Pa

由表4和表5可以看出，在同一時段內(nèi)，封孔深度為10m 鉆孔的瓦斯抽采負(fù)壓和抽采濃度明顯低于封孔深度為13m、15m 的鉆孔，而封孔深度為13m、15m 鉆孔的瓦斯抽采負(fù)壓基本相同。到第4d時，每個鉆孔的瓦斯抽采負(fù)壓突然增大，這是由于抽采系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的。不同封孔深度鉆孔的瓦斯抽采濃度不符合理論規(guī)律，原因可能是試驗時間為鉆孔瓦斯抽采初期，封孔深度為10m 的鉆孔內(nèi)裂隙比較發(fā)育，初期有利于瓦斯的溢出，封孔深度為15m 的鉆孔已經(jīng)封過了裂隙發(fā)育的區(qū)域，較封孔深度13m 的鉆孔抽采初期更不易于瓦斯的溢出。

經(jīng)過一個月后，再次對試驗鉆孔進(jìn)行抽采瓦斯?jié)舛鹊臏y量，實測數(shù)據(jù)見表6。

表5 瓦斯抽采濃度與封孔深度關(guān)系表 %

表6 瓦斯抽采濃度與封孔深度關(guān)系表

由表6可知，封孔深度為10m 鉆孔的瓦斯抽采濃度明顯小于封孔深度為13m 鉆孔的瓦斯抽采濃度，說明封孔深度為10m 的瓦斯抽采鉆孔封孔效果不好，結(jié)果得到驗證。

4 結(jié)論

利用FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，得出巷道開挖后圍巖卸壓區(qū)和應(yīng)力區(qū)的分布情況，確定出巷道圍巖垂直應(yīng)力降低區(qū)的范圍為0～5 m，應(yīng)力集中帶的范圍為5～13m。通過現(xiàn)場試驗得出，巷道開挖后的原始應(yīng)力區(qū)域應(yīng)該是從巷道壁往里10～13 m以后的區(qū)域。

通過不同封孔深度抽采鉆孔的抽采效果比較得出：封孔深度應(yīng)超過應(yīng)力集中帶，這樣能保證封孔超過應(yīng)力集中帶里裂隙的深度；隨著工作面的開采擾動，巷道 “三帶”的范圍也會向煤壁深處推進(jìn)，為了保證在抽采后期的抽采效果，封孔深度也應(yīng)該超過應(yīng)力集中帶。所以，試驗區(qū)合理的封孔深度范圍應(yīng)不低于13m。

［1］ 王兆豐，楊利平等.高瓦斯油氣共生易自燃厚煤層巷道松動圈范圍確定 ［J］.煤礦安全，2007（2）

［2］ 夏峰，薄景山等.基于FLAC3D 的矩形硐室圍巖松動圈確定 ［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2010 （4）

［3］ 劉國泉.關(guān)于應(yīng)用鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)判定突出危險性若干問題的討論 ［J］.煤礦安全，1993（2）

［4］ 桂祥友，徐佑林.煤礦鉆屑量與瓦斯解吸指標(biāo)的測定影響因素研究 ［J］.中國煤炭，2008 （12）

［5］ 劉剛，宋宏偉，段現(xiàn)軍.矩形巷道松動圈回歸公式［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2001（6）

［6］ 陳建忠，代志旭.瓦斯抽采鉆孔合理封孔長度確定方法 ［J］.煤礦安全，2012 （8）