高瓦斯孤島工作面預(yù)抽鉆孔封孔工藝優(yōu)化研究

黃學(xué)滿

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重慶 402260)

0 引言

井下鉆孔瓦斯抽采是高瓦斯和突出礦井防治瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，為實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)必須要保證瓦斯抽采效果。瓦斯抽采鉆孔封孔是瓦斯抽采工程的重要環(huán)節(jié)，鉆孔封孔質(zhì)量的好壞直接影響著瓦斯抽采效果。山西天地王坡煤礦在井下開(kāi)采過(guò)程中，3210工作面開(kāi)采前，順槽兩側(cè)均為采空區(qū)，形成高瓦斯孤島工作面。在采前預(yù)抽鉆孔施工過(guò)程中，受應(yīng)力集中作用，成孔質(zhì)量差，抽采鉆孔采用一般封孔工藝時(shí)，封孔質(zhì)量不理想，抽采效果差。而影響封孔質(zhì)量的主要因素是封孔深度的合理選擇。根據(jù)礦山巖層控制理論，煤體的開(kāi)挖使圍巖中的原巖應(yīng)力受到擾動(dòng)而重新分布，同時(shí)周?chē)后w因受力狀態(tài)變化而產(chǎn)生不同程度的變形，從而形成了原生和次生共存的復(fù)合裂隙[1-4]。瓦斯鉆孔的漏氣通道主要就為這種煤體內(nèi)的復(fù)合裂隙，其形成和分布與鉆孔周?chē)簬r體的圍巖應(yīng)力分布緊密相關(guān)。孤島工作面因相鄰工作面均為采空區(qū)，礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，煤體的應(yīng)力分布與普通工作面有所不同。因此，為提高孤島工作面的預(yù)抽瓦斯效果，需在分析順槽圍巖應(yīng)力特征的基礎(chǔ)上，確定煤體內(nèi)主要裂隙通道的分布范圍，即預(yù)抽鉆孔合理的封堵深度，并進(jìn)一步優(yōu)化封孔工藝。

針對(duì)孤島工作面復(fù)雜的圍巖應(yīng)力特征，本文擬采用數(shù)值模擬與鉆屑指標(biāo)法綜合分析順槽圍巖的應(yīng)力與變形特征，進(jìn)而確定合理的封孔深度，并基于此優(yōu)化封孔工藝，提高抽采效果，以期為類(lèi)似地質(zhì)條件的工作面預(yù)抽瓦斯及封孔工藝研究提供技術(shù)參考。

1 本煤層鉆孔封堵原理

孤島工作面由于兩側(cè)均已采空，導(dǎo)致兩側(cè)順槽的圍巖應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移[5]。工作面順槽的應(yīng)力集中程度高，造成預(yù)抽鉆孔變形、破碎嚴(yán)重，甚至塌孔[6-8]。因此，為保證封孔質(zhì)量，預(yù)抽鉆孔的封孔段必須超過(guò)應(yīng)力集中程度最嚴(yán)重的區(qū)域[9-10]。

根據(jù)鉆孔圍巖裂隙演化原理[11-12]，抽采鉆孔周?chē)严秷?chǎng)包括巷道松動(dòng)裂隙和鉆孔施工發(fā)育的裂隙兩部分。這些裂隙分布于從鉆孔開(kāi)孔處至鉆孔底部的周?chē)后w，構(gòu)成了外界空氣進(jìn)入鉆孔的主要通道，是導(dǎo)致鉆孔漏氣、抽采濃度低的根本原因。抽采鉆孔封孔的目的就是切斷鉆孔周?chē)c外界空氣溝通的裂隙通道，保證鉆孔的氣密性。因此抽采鉆孔的封孔段要達(dá)到巷道圍巖的松動(dòng)范圍以外，封孔深度要超過(guò)應(yīng)力峰值點(diǎn)[13]，如圖1所示。

圖1 鉆孔裂隙帶分布及順層鉆孔封孔示意

2 孤島工作面基本情況

山西天地王坡煤礦3210工作面回采3號(hào)煤層，埋深約520 m，煤層平均厚度為4.9 m，走向長(zhǎng)度2 179 m，開(kāi)切眼長(zhǎng)度160 m。工作面瓦斯含量約8.85 m3/t，兩側(cè)工作面均已采空，為高瓦斯孤島工作面。布置有回風(fēng)順槽、瓦斯專(zhuān)用巷、運(yùn)輸順槽，均呈矩形，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，兩側(cè)均留設(shè)20 m保護(hù)煤柱。

煤層老頂為中砂巖，平均厚8.89 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，夾薄層泥巖，平均厚4 m；偽頂為炭質(zhì)泥巖隨采掘脫落，平均厚0.3 m；直接底為泥巖，平均厚2.10 m；老底為中砂巖，平均厚3.20 m，局部煤體和圍巖極其松軟破碎。

3 合理封孔深度的確定

3.1 巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬3.1.1 模擬方案

運(yùn)用計(jì)算機(jī)FLAC3D軟件模擬孤島工作面的應(yīng)力分布特征?？紤]到工作面兩側(cè)的煤柱與采空區(qū)，整個(gè)模型尺寸為619.5 m×100 m×120 m，3210孤島工作面尺寸為160 m×100 m×6 m，3208工作面采空區(qū)尺寸為180 m×100 m×6 m，3212工作面采空區(qū)的尺寸為180 m×100 m×6 m，3210工作面回風(fēng)順槽的右側(cè)上方直接頂砂質(zhì)泥巖中設(shè)置3210瓦斯專(zhuān)用巷。模型定義為Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，網(wǎng)格采用矩形網(wǎng)格，模型網(wǎng)格×節(jié)點(diǎn)數(shù)量為158 720×170 625。其中，模型X，Y方向上單元格尺寸均為5 m×5 m，Z方向上煤層的單元格尺寸為1 m，其余巖層的單元格尺寸為2 m，建立的模型如圖2所示。模型的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 3210孤島工作面數(shù)值模型

表1 模型采用的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)(從上至下順序)

將模型上覆巖層的重量以垂直應(yīng)力的方式均勻施加于模型上方，模擬巷道埋深為520 m的應(yīng)力條件。初始垂直應(yīng)力為13 MPa，選取側(cè)壓系數(shù)為0.5，則初始水平應(yīng)力為6.5 MPa；模型固定左右下邊界，將上邊界定義為自由界面；模型中初始應(yīng)力平衡后模型進(jìn)行運(yùn)算調(diào)試。

首先模擬開(kāi)挖3108工作面形成采空區(qū)，待模型收斂后再開(kāi)挖3212工作面形成采空區(qū)，應(yīng)力分布平衡后再先后開(kāi)挖3210運(yùn)輸順槽和3210回風(fēng)順槽，巷道開(kāi)挖過(guò)程中將錨桿、錨索施加到已開(kāi)挖的巷道中。數(shù)值模擬運(yùn)行并結(jié)束后，采用Tecplot后處理軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行多角度切片出圖。

3.1.2 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

3210運(yùn)輸順槽和3210回風(fēng)順槽開(kāi)挖后模型的應(yīng)力分布如圖3所示。從圖中可以看出，隨著3208采空區(qū)和3212采空區(qū)的形成，3210工作面成為孤島工作面，工作面兩側(cè)與采空區(qū)相鄰的區(qū)域均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，模型左側(cè)最大應(yīng)力值為20 MPa，出現(xiàn)在3210運(yùn)輸順槽的右側(cè)12.5 m煤體位置，應(yīng)力集中系數(shù)為1.54；模型右側(cè)最大應(yīng)力值為20.5 MPa，出現(xiàn)在3210回風(fēng)順槽左側(cè)12.5 m煤體位置，應(yīng)力集中系數(shù)為1.58。

圖3 3210孤島工作面煤巖應(yīng)力分布云圖

3210運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽圍巖垂直應(yīng)力分布特征如圖4所示。從圖中可知，兩條順槽向工作面煤體延伸的方向上，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)現(xiàn)象，自順槽向煤體分別為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中應(yīng)力集中區(qū)分為峰前應(yīng)力升高區(qū)和峰后應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)[14]。距順槽煤壁3 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的煤體在應(yīng)力重新分布的過(guò)程中，經(jīng)歷遠(yuǎn)大于其極限強(qiáng)度的峰值應(yīng)力而發(fā)生了塑性破壞，出現(xiàn)了大量的破碎裂隙，產(chǎn)生了卸壓效應(yīng)；距順槽煤壁3～35 m范圍內(nèi)為應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的煤體處于彈塑性變形狀態(tài)，仍具備一定的承壓能力，應(yīng)力峰值點(diǎn)位于12.5 m左右；距順槽煤壁35 m以外范圍內(nèi)為原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域距開(kāi)挖區(qū)域較遠(yuǎn)，受到的開(kāi)采擾動(dòng)程度較小，其應(yīng)力約為原始應(yīng)力。從各應(yīng)力分區(qū)的范圍來(lái)看，孤島工作面的應(yīng)力集中區(qū)范圍明顯大于普通工作面的應(yīng)力集中區(qū)范圍，表明孤島工作面兩側(cè)的煤體開(kāi)挖對(duì)該工作面的應(yīng)力狀態(tài)影響較大。

(a)3210運(yùn)輸順槽圍巖應(yīng)力分布云圖

(b)3210回風(fēng)順槽圍巖應(yīng)力分布云圖

綜上所述，3210孤島工作面巷幫0～3 m圍巖易發(fā)生變形和破碎，封孔難以取得密封效果，因此有效封孔段應(yīng)越過(guò)距煤壁3 m范圍。該工作面的合理封孔深度應(yīng)超過(guò)應(yīng)力峰值點(diǎn)12.5 m的深度。此外，受孤島工作面明顯的應(yīng)力集中作用，在距煤壁35 m范圍內(nèi)的鉆孔施工較為困難，鉆孔易發(fā)生垮塌或者顯著變形。

3.2 鉆孔鉆屑指標(biāo)測(cè)定分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬分析法確定的封孔深度的合理性，采用指標(biāo)測(cè)定法對(duì)運(yùn)輸順槽進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。為避免單一指標(biāo)的測(cè)定誤差較大，選取鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1兩個(gè)指標(biāo)綜合分析合理的封孔深度。3210運(yùn)輸順槽煤體賦存穩(wěn)定，本次試驗(yàn)共布置4個(gè)測(cè)定鉆孔，其測(cè)定結(jié)果可以代表該區(qū)域的鉆孔特點(diǎn)。

3.2.1 鉆屑量S法測(cè)定

在巷道煤幫施工鉆孔，開(kāi)孔傾角為1°～2°，在孔口處采集鉆出的煤渣，并用彈簧秤對(duì)鉆孔每鉆進(jìn)1 m排出的鉆屑量進(jìn)行稱(chēng)重，共計(jì)測(cè)定20 m，鉆屑量S隨鉆孔鉆進(jìn)深度的空間變化特征如圖5所示。

圖5 鉆孔鉆屑量S的空間變化特征

從圖中可以看出，4個(gè)試驗(yàn)鉆孔每米鉆屑量變化趨勢(shì)基本相同，自距煤壁1 m開(kāi)始先升后降，然后趨于穩(wěn)定，這也與數(shù)值模擬得到的煤體應(yīng)力分布特征相符合。其中1#，4#鉆孔鉆屑量S峰值位于距煤壁12 m，隨后在12～14 m時(shí)逐漸下降，在14～20 m時(shí)逐漸穩(wěn)定；2#，3#鉆孔鉆屑量S峰值位于11 m，在11～14 m時(shí)逐漸下降，14～20 m時(shí)逐漸穩(wěn)定。通過(guò)鉆屑量S的變化趨勢(shì)確定距煤壁14 m處的煤體處于應(yīng)力集中程度較高區(qū)域。

3.2.2鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1法測(cè)定

在鉆屑量S測(cè)定過(guò)程中，同時(shí)測(cè)定了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1，其空間變化特征如圖6所示。

圖6 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的空間變化特征

從圖中可以看出，4個(gè)試驗(yàn)鉆孔的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1隨著鉆孔深度的推移逐漸增大，在孔深12 m處達(dá)到峰值，隨后逐漸減小，并有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的變化趨勢(shì)表明鉆孔孔深13 m處煤體處于應(yīng)力集中程度較高區(qū)域。

4 封孔工藝優(yōu)化及效果驗(yàn)證

4.1 封孔深度的確定

根據(jù)數(shù)值模擬分析和鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果，選取3種方法測(cè)定的最大值，3210孤島工作面抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超過(guò)14 m?？紤]現(xiàn)場(chǎng)抽采管路連接的可操作性，確定3210孤島工作面抽采鉆孔的封孔深度為距煤壁15 m。

4.2 封孔工藝優(yōu)化方案

王坡煤礦3210孤島工作面原采用“兩堵一注”封孔工藝，如圖7所示?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪坠に囋O(shè)計(jì)總封孔深度11 m，注漿段長(zhǎng)度為8 m，有效封孔段長(zhǎng)度10 m。注漿段兩端采用封孔囊袋起堵板作用，封孔囊袋封堵兩端后再向兩個(gè)封孔囊袋之間注入封孔材料。

圖7 原“兩堵一注”封孔工藝示意

考慮到距幫壁3 m范圍內(nèi)的煤體破壞嚴(yán)重，形成漏氣通道的裂隙較發(fā)育，為保證注漿材料與煤壁的緊密結(jié)合，將封孔段與孔口的距離優(yōu)化為5 m。同時(shí)考慮距煤壁5 m范圍內(nèi)的鉆孔孔壁會(huì)長(zhǎng)時(shí)間暴露并自然排放瓦斯，多個(gè)鉆孔同時(shí)施工會(huì)造成巷道瓦斯自然排放量和速度過(guò)大，增加風(fēng)排壓力，所以在孔口2 m處再增加一支封孔囊袋，從而將原有封孔工藝優(yōu)化為“三堵一注”封孔工藝，如圖8所示。優(yōu)化后的“三堵一注”封孔工藝總封孔深度為15 m，有效封孔段10 m，注漿段8 m。

圖8 “三堵一注”封孔工藝示意

4.3 試驗(yàn)鉆孔參數(shù)

在3210孤島工作面的運(yùn)輸順槽施工試驗(yàn)鉆孔，鉆孔開(kāi)孔高度距巷道底板1.4 m，方位夾角90°，傾角為煤層傾角+1°。兩種封孔工藝分別布置10個(gè)鉆孔，鉆孔間距為2.5 m，鉆孔組間距為10 m。鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為80 m。

4.4 試驗(yàn)效果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案在3210運(yùn)輸順槽中施工試驗(yàn)鉆孔。試驗(yàn)鉆孔分為兩組，每組20個(gè)鉆孔，其中A組采用原“兩堵一注”封孔工藝封孔，B組采用優(yōu)化后“三堵一注”封孔工藝封孔。在兩組鉆孔接抽后，對(duì)每組鉆孔的抽采甲烷體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。兩組鉆孔平均甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)鉆孔抽采效果對(duì)比

從圖中可以看出，兩組試驗(yàn)鉆孔的初始平均甲烷體積分?jǐn)?shù)均較高，其中A組鉆孔初始平均甲烷體積分?jǐn)?shù)為61.7%，B組鉆孔為80.3%；隨著時(shí)間的推移，受鉆孔周?chē)后w瓦斯解吸、運(yùn)移過(guò)程的不均衡性，兩組試驗(yàn)鉆孔的甲烷體積分?jǐn)?shù)下降并呈現(xiàn)波動(dòng)，而后趨于穩(wěn)定。從兩組數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，在60 d的測(cè)定期內(nèi)，B組試驗(yàn)鉆孔的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)為47.19%，A組試驗(yàn)鉆孔的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)為31.28%，B組試驗(yàn)鉆孔的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)較A組高15.90%，表明優(yōu)化后的“三堵一注”封孔工藝的鉆孔封孔效果明顯優(yōu)于“兩堵一注”封孔工藝。

5 結(jié)論

(1)瓦斯抽采鉆孔的封孔深度與巷道煤體的應(yīng)力分布息息相關(guān)，通過(guò)數(shù)值分析或者實(shí)測(cè)的方法獲得巷道煤體不同應(yīng)力狀態(tài)的分區(qū)范圍，可以指導(dǎo)抽采鉆孔合理封孔深度的確定。

(2)孤島工作面受兩側(cè)煤體開(kāi)挖的采動(dòng)影響，巷道周?chē)后w內(nèi)的應(yīng)力集中程度顯著高于普通工作面，從而影響工作面抽采鉆孔封孔深度的確定，因此需針對(duì)孤島工作面開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的研究確定合理的抽采鉆孔封孔深度。

(3)采用數(shù)值模擬與鉆屑指標(biāo)測(cè)定法綜合確定王坡煤礦3210孤島工作面優(yōu)化后的“三堵一注”封孔工藝封孔效果明顯優(yōu)于“兩堵一注”封孔工藝，表明這種確定合理封孔深度的方法是科學(xué)有效的，兩種方法相互驗(yàn)證，可以規(guī)避單一方法或指標(biāo)的不可靠性。