本煤層瓦斯抽采鉆孔合理密封深度確定

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)合五陽礦53105工作面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用的驗(yàn)證，確定了五陽礦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迒栴}，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，中國的瓦斯抽采技術(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，可以通過研究鉆屑量的變化規(guī)律來分析煤體內(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)過程鉆孔發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象，如頂鉆、卡鉆等。通過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)，得出五陽礦53105工作面合理密封深度為14 m;

3）通過理論分析、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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