車集礦2705工作面合理封孔深度研究

王志明

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000）

車集礦2705工作面合理封孔深度研究

王志明

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000）

為研究車集礦2705工作面的合理封孔深度，采用了理論分析、統(tǒng)計(jì)擬合分析并結(jié)合工業(yè)試驗(yàn)的方法。通過對(duì)煤體塑性區(qū)范圍的理論分析以及根據(jù)煤巖體內(nèi)應(yīng)力與煤層透氣性的關(guān)系，理論上確定了塑性區(qū)的范圍以及最淺封孔深度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行賦權(quán)重處理，得到一個(gè)綜合值“s”。對(duì)“s”值以及鉆進(jìn)深度進(jìn)行曲線估計(jì)，進(jìn)一步分析得出煤體的塑性區(qū)深度范圍，最終可以確定該工作面本煤層鉆孔的合理封孔深度為6~10 m。

封孔深度；塑性區(qū)；瓦斯抽采；工業(yè)試驗(yàn)；曲線估計(jì)

近年來，隨著煤礦的不斷開采，煤礦的開采深度逐年加深，由此引發(fā)了一系列的安全問題，其中瓦斯問題是尤為嚴(yán)峻的一個(gè)方面。瓦斯抽采是治理瓦斯的一項(xiàng)根本性措施，其目的在于減少瓦斯涌出量、防止煤與瓦斯事故的發(fā)生、開采潔凈能源等［1］。然而，瓦斯鉆孔的封孔深度直接影響著瓦斯抽采的效果［2］。如果封孔的深度過長，不僅造成大量浪費(fèi)，而且還會(huì)在封孔段附近留下抽采的盲區(qū)，影響抽采的質(zhì)量；如果封孔的深度過短，則會(huì)造成巷道中的空氣進(jìn)入煤體裂隙或者通過煤體內(nèi)的通道吸入鉆孔進(jìn)而降低抽采的濃度［3］。由此可見，合理的封孔深度對(duì)于提高瓦斯抽采效率十分重要。

圖1 封孔深度合理時(shí)，孔口處瓦斯流動(dòng)圖

圖2 封孔深度淺時(shí)，孔口處瓦斯流動(dòng)圖

圖3 封孔深度過深，孔口處瓦斯流動(dòng)圖

1 封孔深度理論分析

1.1 建立瓦斯流動(dòng)模型

在封孔段附近，瓦斯的空間流向可以近似地看做單向流動(dòng)、徑向流動(dòng)和球向流動(dòng)的綜合，由此建立起此區(qū)域瓦斯流動(dòng)的3種特殊模型，見圖1~3。

圖1表示封孔長度合理時(shí)瓦斯流動(dòng)情況（無漏氣、無抽采盲區(qū)）。圖2表示存在漏氣的情況。此時(shí)封孔段所處的煤層透氣性比較大，致使采掘空間的空氣在抽采負(fù)壓的驅(qū)動(dòng)下沿巷幫煤體裂隙進(jìn)入抽采管路［4］。此時(shí)問題在于確定最短封孔長度。圖3表示存在抽采盲區(qū)的情況。此時(shí)封孔深度比較長，導(dǎo)致在煤體的淺部出現(xiàn)抽采盲區(qū)。此時(shí)問題在于要確定最大的封孔深度。

因此，可以初步確定，抽放孔的封孔深度要大于巷道圍巖透氣性較大的區(qū)域，但是也不可以過長，封孔段末端不要超出塑性區(qū)范圍，否則可能會(huì)產(chǎn)生一定的抽采盲區(qū)，給日后的采煤工作帶來隱患。

1.2 根據(jù)圍巖體地應(yīng)力狀態(tài)確定封孔范圍

井下煤層巷道的開挖導(dǎo)致該巷道兩幫煤體內(nèi)的應(yīng)力重新分布。靠近巷道壁的煤體首先發(fā)生破裂，隨著破壞的發(fā)展，煤體的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，直到處于彈性狀態(tài)。根據(jù)煤體所處的應(yīng)力狀態(tài)，煤層巷道兩側(cè)主要可以劃分為：破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)［5］。巷道兩側(cè)支承壓力分布見圖4。

圖4 巷道兩側(cè)支承壓力分布圖

切向應(yīng)力：

假設(shè)巷道所處的原巖應(yīng)力場(chǎng)為靜水應(yīng)力場(chǎng)，即側(cè)壓系數(shù)為1，巷道開挖后塑性區(qū)最大半徑R可以求得：

其中，σt為巷道圍巖切向應(yīng)力，MPa；R為圍巖塑性區(qū)半徑，m；γ為巖石的平均容重，kN/m3；H為巷道的埋深，m；r1為圓形巷道半徑，m；r為極限平衡區(qū)內(nèi)所研究點(diǎn)半徑，m；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，（°）；C為圍巖的黏聚力，MPa。

破裂區(qū)煤巖體遭到破壞，氣流通道形成，因此，封孔段避免在破裂區(qū)。而圍巖塑性區(qū)巖石的特點(diǎn)是：該區(qū)域的煤體在自身重力、構(gòu)造應(yīng)力和支承應(yīng)力的相互作用下被壓實(shí)，煤體內(nèi)的原生裂隙、孔隙減少煤層透氣性降低瓦斯流動(dòng)困難，瓦斯放散速度小。因此，最大封孔深度不應(yīng)超過支承壓力峰值深度，即該深度不應(yīng)超過塑性區(qū)半徑。由（1）、（2）式可以求得理論上合理的封孔范圍是：r2～R。

1.3 根據(jù)煤層滲透性確定最淺封孔深度

在瓦斯壓力不變時(shí)，隨著地應(yīng)力的增加，煤巖的透氣性快速下降。當(dāng)?shù)貞?yīng)力增至6～7 MPa時(shí)，煤巖體的滲透性下降得十分緩慢。當(dāng)?shù)貞?yīng)力大于或等于10 MPa時(shí)，煤巖體幾乎沒有氣體可以滲透過去。因此，可以根據(jù)此確定封孔的最小深度。在圍巖的極限平衡區(qū)切向應(yīng)力是主導(dǎo)應(yīng)力，因此，只考慮切向應(yīng)力，即當(dāng)σt=10 MPa時(shí)，所對(duì)應(yīng)煤巖體的深度，此處不漏氣。假定此時(shí)的深度是rx，則rx應(yīng)該滿足（3）式：

應(yīng)注意的是rx＜r2。所以，按煤層滲透性邊界確定的封孔深度略淺，需要進(jìn)一步的工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。而按照破裂區(qū)邊界確定最淺深度一定滿足要求。

2 工業(yè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本次試驗(yàn)在車集礦2705工作面運(yùn)輸平巷進(jìn)行。該工作面位于27采區(qū)下山以南，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層較穩(wěn)定，煤層厚度0．5～2．98 m，平均厚度2．65 m，煤層傾角4°～16°，平均12°。工作面南北走向長1 438～1 442 m，東西寬55～138 m。該巷道采用聚氨酯封孔法。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在2705運(yùn)輸平巷距離入口100～150 m的靠近采面一幫的區(qū)段，該區(qū)段內(nèi)瓦斯抽采鉆孔為順層水平鉆孔，鉆孔直徑93 mm，成孔標(biāo)準(zhǔn)為80 m，孔間距為3 m，鉆孔成孔后立即用聚胺脂封孔后聯(lián)入抽采管路。在試驗(yàn)區(qū)段共布置采樣鉆孔12個(gè)，采樣鉆孔直徑42 mm，鉆孔編號(hào)分別為1#、2#…11#、12#。采樣鉆孔距底板的距離為1．5 m，孔間距為3 m，孔深12 m。鉆屑取樣孔布置見圖5。

圖5 鉆屑取樣孔布置示意圖

2.2 鉆屑法確定封孔深度原理

大量的實(shí)踐表明，隨著鉆孔在煤層內(nèi)鉆進(jìn)深度的不斷加深，鉆頭端部依次經(jīng)過圍巖的破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)等。不同區(qū)域所受應(yīng)力、圍巖破壞狀態(tài)、透氣性的變化會(huì)導(dǎo)致每鉆進(jìn)1 m排出的鉆屑量有規(guī)律地增加，并且出現(xiàn)一定的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象?？梢岳眠@一規(guī)律大致確定圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，并且可以根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)而確定合理的封孔深度。

在車集礦進(jìn)行的瓦斯封孔實(shí)踐過程中，記錄鉆孔鉆進(jìn)過程中的鉆屑量、動(dòng)力現(xiàn)象，在由此獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和研究。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

定義：a={1=“出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象”或者0=“不出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象”}，通過對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象的賦值，實(shí)現(xiàn)了記錄結(jié)果的可計(jì)算性。定義這個(gè)綜合指標(biāo)s：s=鉆屑量×1+a，該指標(biāo)考慮了兩個(gè)參數(shù)的影響。整理后的數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同鉆進(jìn)深度下的s和s值表

利用SPSS19.0軟件對(duì)整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析，經(jīng)多次對(duì)sˉ和鉆進(jìn)深度兩個(gè)變量按照擬合三次曲線進(jìn)行擬合，得出函數(shù)：sˉ＝3.277-1.045x+0.321x2-1.018x3。

擬合曲線見圖6，參數(shù)估計(jì)表見表2。

圖6 s值-鉆進(jìn)深度擬合曲線圖

結(jié)合圍巖內(nèi)部應(yīng)力的變化，當(dāng)鉆入圍巖的塑性區(qū)時(shí)產(chǎn)生的鉆屑會(huì)明顯增多，結(jié)合曲線可以理解為：進(jìn)入塑性區(qū)的那一點(diǎn)剛好是曲線的一個(gè)拐點(diǎn)。因此，對(duì)擬合方程因變量sˉ求對(duì)x的導(dǎo)數(shù)得：=0.642-0.108x，令=0，得出x=5.944。從圖6中可以看到sˉ最高值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是x=10，從而可以確定該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是圍巖最大切向應(yīng)力，即塑性區(qū)最大半徑。從工業(yè)試驗(yàn)可以得出，巷道圍巖塑性區(qū)范圍是：5.944~10 m，則該煤層瓦斯抽采鉆孔的封孔深度可以確定為：6~10 m。

表2 參數(shù)估計(jì)表

3 小結(jié)

1）通過分析封孔段處瓦斯流動(dòng)情況，得知確定合理封孔深度的關(guān)鍵在于確定最長和最短封孔深度。

2）通過理論分析以及對(duì)工業(yè)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，得出圍巖塑性區(qū)范圍為6~10 m，即為該礦本煤層順層鉆孔的合理封孔深度。

3）研究存在的問題：根據(jù)煤巖內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)確定了塑性區(qū)的范圍，而根據(jù)煤巖體的透氣性與應(yīng)力的關(guān)系可以確定最短的封孔深度，但是兩種方法所得結(jié)果具有差異，并未對(duì)此進(jìn)行深入的研究。

［1］程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（2）:128-129.

［2］姜建峪，盧衛(wèi)永.本煤層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究［J］.山西焦煤科技，2013，37（11）：24.

［3］李博章，孫重興.瓦斯抽放鉆孔合理封孔深度的確定［J］.江西煤炭科技，2012，2（2）:109-111.

［4］楊繼東.順層鉆孔封孔深度確定及封孔工藝改進(jìn)［J］.中州煤炭，2014（8）：60.

［5］錢鳴高.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010:59，197.

［6］王璐.SPSS統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)、應(yīng)用與實(shí)踐［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010:204-208.

Study on Reasonable Sealing Depth of 2705 Working Face in Cheji Coal Mine

Wang Zhi-ming

In order to research the reasonable sealing depth of 2705 working face in Cheji coal mine，the methods including theoretical analysis，curve fitting and the industrial test are adopted.By theoretical analyzing the plastic zone of coal and according to the relationship between stress in coal and permeability of coal seam，the plastic area and the shortest sealing depth can be ensured theoretically.Combines with the industrial test，the data that came from the test are assigned a weight，then the synthetic parameter s is acquired.By making a curve estimation of s value and the sealing depth，the plastic zone depth range can be further ensured，finally the reasonable sealing depth in the coal seam is ensured as 6~10 m.

Sealing depth；Plastic zone；Gas drainage；Industrial test；Curve estimation

TD713+.3

B

1672-0652（2014）12-0021-04

2014-10-25

王志明（1990—），男，河南太康人，2014級(jí)在讀碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯抽采方面的研究（E-mail）2694568227@qq.com