傾斜煤層穿層測壓鉆孔設(shè)計參數(shù)計算方法研究

馬文偉

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 122113)

礦井瓦斯災(zāi)害是影響我國煤礦安全生產(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，煤礦瓦斯安全形勢將更加嚴(yán)峻[1-5]。在防治煤與瓦斯突出的各項工作中，瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定是一切防治措施的基礎(chǔ)，而煤層瓦斯壓力測定又是瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定中的基礎(chǔ)，故準(zhǔn)確的測定煤層瓦斯壓力，對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)氣體分子自由熱運動撞擊所產(chǎn)生的作用力，此作用力在某一點上各向大小相等，方向與孔隙壁垂直[11]。在實際瓦斯壓力測定中，測壓鉆孔的施工方式有穿層測壓鉆孔和順層測壓鉆孔兩種，相較于順層鉆孔，利用穿層鉆孔進行煤層瓦斯壓力測定，由于巖石段鉆孔鉆進時鉆孔成型較完整，鉆孔周邊裂隙較少，瓦斯的泄露擴散通道減少，有利于鉆孔的封孔，同時鉆孔巖石段抗壓強度大，可作為保護巖柱，防止噴孔時大量煤體的同時噴出，減少損害，故利用穿層鉆孔進行瓦斯壓力測定，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、鉆孔長度等參數(shù)也具有密切關(guān)系。故研究穿層測壓鉆孔的參數(shù)設(shè)計方法具有重要的意義[14-16]。

目前，國內(nèi)外的專家學(xué)者對于測壓鉆孔的設(shè)計參數(shù)進行了不同層次的研究。桑聰[17]等人以高抽巷測定待抽煤層瓦斯壓力為原型，建立幾何模型，對考慮偽傾角情況下的下行穿層測壓鉆孔參數(shù)的計算方法進行研究，并推導(dǎo)出相應(yīng)的計算公式。石慶禮[13]等以測壓巷道及鉆場與煤層的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，鉆孔位置、參數(shù)及參數(shù)選取的約束關(guān)系式。這些研究成果對現(xiàn)場鉆孔施工的設(shè)計工作起到了一定的指導(dǎo)作用，但計算模型多變，空間關(guān)系較為復(fù)雜，在現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計中考慮因素較多，本文在前人的研究的基礎(chǔ)上，以鉆場與待測煤層的2種相對位置關(guān)系為基礎(chǔ)，研究上向測壓鉆孔與下向測壓鉆孔的參數(shù)設(shè)計計算方法，形成簡單的計算公式，適用于煤礦現(xiàn)場快速的進行測壓鉆孔的參數(shù)設(shè)計。

1 測壓鉆孔參數(shù)計算模型建立

對于施工穿層鉆孔的鉆場，相對于測壓煤層，有兩種位置關(guān)系，一種為測壓鉆場位于煤層底板，通過施工上向穿層鉆孔進行瓦斯壓力測定，另外一種位置關(guān)系為測壓鉆場位于煤層頂板，通過施工下向穿層鉆孔進行瓦斯壓力測定。根據(jù)相關(guān)地測資料報告，通常可以確定測壓地點的煤層傾角β，煤層傾向方位角γ'，鉆孔起鉆點位置與煤層垂直高度h及煤層厚度m，鉆孔參數(shù)設(shè)計通常是要確定鉆孔的傾角α，鉆孔方位角γ及鉆孔的長度L。為了模型計算方便，假設(shè)煤層賦存狀態(tài)穩(wěn)定，建立鉆孔參數(shù)計算模型。

1.1 上向穿層鉆孔參數(shù)計算模型

上向穿層鉆孔參數(shù)計算模型如圖1所示，由圖1(a)、(b)可見，在鉆場施工上向穿層鉆孔，鉆孔傾角為α，逆煤層傾向鉆孔長度為L1，順煤層傾向鉆孔長度為L2，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為A點，順煤層傾向鉆孔見煤點為B點，分別過A點和B點作與煤層平面平行的起鉆點所在平面的垂線，交該平面于A′點、B′點，A與A′點距離和B與B′點距離即為鉆孔起鉆點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度和順煤層傾向上向鉆孔長度分別為：

1.2 下向穿層鉆孔計算模型建立

下向鉆孔參數(shù)設(shè)計計算模型如圖2所示，由圖2(a)可見，在鉆場施工下向穿層鉆孔，鉆孔傾角為α，逆煤層傾向鉆孔長度為L3，順煤層傾向鉆孔長度為L4，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為C點，順煤層傾向鉆孔見煤點為D點，分別過起鉆點O3點和O4點作與煤層平面的垂線，交煤層平面于O3′點、O4′點，O3與O3′點距離和O4與O4′點距離即為鉆孔起鉆點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)計計算模型

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度和順煤層傾向下向鉆孔長度分別為：

綜合以上分析，傾斜煤層穿層測壓鉆孔參數(shù)計算如下：

式中，L1為逆煤層傾向上向穿層鉆孔孔長；L2為順煤層傾向上向穿層鉆孔孔長；L3為逆煤層傾向下向穿層鉆孔孔長；L4為順煤層傾向下向穿層鉆孔孔長；h鉆孔起鉆點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，穿層測壓鉆孔中參數(shù)的確定是一個相互聯(lián)系的過程，一般來講，在進行鉆孔測壓時，根據(jù)地測勘探資料可以確定當(dāng)前待測壓區(qū)的煤層傾角β，鉆孔起鉆點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定方法》規(guī)定[12]，測壓鉆孔應(yīng)保證有足夠的封孔深度，使穿層鉆孔的見煤點位于巷道的卸壓圈之外，最小封孔深度不應(yīng)小于12m，同時上向測壓鉆孔的的鉆孔傾角不小于5°，實際施工中也不應(yīng)大于45°，否則會造成施工難度加大和封孔困難。

故進行算例分析時，假設(shè)待測區(qū)煤層傾角β為5°，鉆孔起鉆點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)軟件對上向鉆孔及下向鉆孔參數(shù)關(guān)系進行作圖，如圖3所示。

圖3 穿層鉆孔參數(shù)計算圖

可見，在煤層傾角、鉆孔起鉆點位置與煤層垂直高度確定的前提下，鉆孔施工長度、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，對于上向鉆孔，鉆孔傾角較小時，鉆孔施工長度會較長，鉆孔施工工程量較大，且不利于壓力的測定，故對于上向鉆孔的設(shè)計，可首先預(yù)估一個鉆孔長度范圍，在鉆孔長度范圍內(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，其中粗實線框圖部分即為以算例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)估鉆孔長度35～70m范圍為界所形成的鉆孔參數(shù)選擇范圍。

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

圖4 測壓鉆孔參數(shù)選擇方法示意圖

3 現(xiàn)場實例分析

為了證實文中提出的穿層測壓鉆孔參數(shù)計算公式的準(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行的煤層突出危險性區(qū)域預(yù)測項目為依托，對其煤層進行瓦斯壓力測定。根據(jù)地測資料，煤層在相應(yīng)測壓地點的賦存狀況見表1。

表1 測壓位置煤層賦存狀態(tài)

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

表2 計算結(jié)果與施工結(jié)果對比

4 結(jié) 語

1)以鉆場與煤層的兩種空間位置關(guān)系為基礎(chǔ)，將穿層測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，測壓鉆場與煤層相對位置關(guān)系為基礎(chǔ)建立幾何模型，對穿層測壓鉆孔4種鉆孔類型進行幾何建模解算，推導(dǎo)出各種情況下測壓鉆孔長度、鉆孔傾角、鉆孔方位角關(guān)系的計算公式。

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

4)對比測壓鉆孔設(shè)計參數(shù)與實際施工鉆孔值，理論計算值與實際值相對誤差在10%左右，能夠滿足工業(yè)施工需求，表明該方法具有較強的準(zhǔn)確性和適用性。