底板巷穿層鉆孔合理封孔段位置的研究與確定

曾學(xué)禮 魯義 尹紅球

（1.湖南煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410018；2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3.湖南省煤業(yè)集團(tuán)嘉禾礦業(yè)股份有限公司，湖南 郴州 424500；4.湖南科技大學(xué)南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

利用鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采是煤與瓦斯突出災(zāi)害治理和瓦斯清潔能源利用的重要手段之一[1-2]。瓦斯抽采效果與很多因素有關(guān)，其中抽采鉆孔封孔段位置對(duì)抽采效果具有重要影響[3]。封孔位置不合理，將會(huì)導(dǎo)致抽采效果不理想或者增加不必要的工程量[4]。因此確定合理的封孔段位置是提高瓦斯抽采濃度、確保煤層安全開(kāi)采的關(guān)鍵因素之一。

1 概況

嘉禾礦業(yè)有限公司浦溪井為突出礦井，位于嘉禾縣東北部。礦井共含煤七層，從上至下依次為II煤、III煤、IV煤、V煤、V2煤、VI煤和VII煤，其中V煤賦存穩(wěn)定，為礦井主采煤層，II煤和VI煤為局部可采煤層。Ⅴ煤位于斗嶺組中段的中部，煤厚0～13m，平均2.42m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層形態(tài)為層狀或似層狀，連續(xù)性較好，但厚度變化幅度大，煤層硬度極低，極易碎成粉末狀，其堅(jiān)固性系數(shù)僅為0.2左右。煤層透氣性系數(shù)為0.5994 m2/MPa2·d，煤層瓦斯含量為10.55m3/t，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.1416d-1，煤層瓦斯壓力為0.99MPa。目前礦井采用底板巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽。為了確定合理的封孔段位置，試驗(yàn)地點(diǎn)選在2254底板巷。

2 穿層鉆孔封孔位置數(shù)值模擬

2.1 物理模型的建立

根據(jù)2254底抽巷的實(shí)際情況建立物理模型，通過(guò)軟件對(duì)穿層鉆孔的封孔位置進(jìn)行模擬。2254底板巷為錨噴巷道，標(biāo)高-100m，巖性為細(xì)砂巖。利用Comsol Multiphysic軟件建立物理模型，如圖1所示。該模型尺寸為50m×50m，半圓拱形巷道位于模型中部，模型下邊界為固定約束邊界，左右邊界為輥邊界，上部邊界施加均布載荷模擬上覆巖層壓力。煤巖層類別從上至下依次為砂巖、Ⅴ煤、砂巖、細(xì)砂巖、泥巖和Ⅵ煤。

圖1 物理模型

2.2 煤巖物理模型

模擬的底板巷圍巖材料性質(zhì)如表1所示。

表1 煤巖物理模型參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

底板巷道在開(kāi)挖過(guò)程中打破了原先的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移變化，由巷道壁向深部巖體依次形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。若在卸壓區(qū)內(nèi)進(jìn)行封孔操作，由于大量裂隙的存在會(huì)使得封孔質(zhì)量不佳。因此為了提高封孔質(zhì)量，減小地應(yīng)力對(duì)圍巖的影響，封孔段必須越過(guò)卸壓區(qū)，布置在巷道垂直方向上的應(yīng)力集中區(qū)或原始應(yīng)力區(qū)內(nèi)[5]。

圖2 巷道周圍應(yīng)力分布圖

由圖2所示的應(yīng)力分布云圖可以看出，巷道周邊的圍巖應(yīng)力基本對(duì)稱分布，巷道周圍水平方向上的應(yīng)力大于原始應(yīng)力，而垂直方向上的應(yīng)力低于原始應(yīng)力，即底板巷左右兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道垂直方向上出現(xiàn)應(yīng)力卸壓現(xiàn)象。為更好地研究穿層鉆孔周邊巖體應(yīng)力的變化情況，在模型中巷頂中部及偏右的方向上布置四組應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置方式為每3m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。四組監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別是：（1）巷道中點(diǎn)；（2）巷道中點(diǎn)偏右0.5m；（3）巷道中點(diǎn)偏右1.0m；（4）巷道中點(diǎn)偏右1.3m。

圖3 應(yīng)力比值圖

如圖3所示，縱坐標(biāo)表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力與監(jiān)測(cè)點(diǎn)原巖應(yīng)力的比值。由曲線可以得知：四條曲線在距離巷頂6m時(shí)，開(kāi)始接近；距離巷頂9m時(shí)基本重合；當(dāng)距離巷頂18m時(shí)，應(yīng)力比值逼近1:1，此時(shí)巖層中底板巷巷頂?shù)膽?yīng)力基本等同于原巖應(yīng)力。由曲線的走向可基本確定距離巷頂9～21m時(shí)為原巖應(yīng)力區(qū)或接近原巖應(yīng)力區(qū)。

綜合以上情況，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)底板巷與煤層底板之間的垂直距離為15m，故最終確定穿層鉆孔封孔段布置在垂直距離底板巷巷頂9～15m的區(qū)域內(nèi)。由于穿層鉆孔抽采瓦斯時(shí)會(huì)預(yù)設(shè)多個(gè)傾斜鉆孔，為了保證封孔質(zhì)量，這些鉆孔封孔段在垂直方向上的投影也應(yīng)在距巷頂?shù)拇怪本嚯x為9～15m的范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了確定合理的封孔段位置，通過(guò)對(duì)比分析應(yīng)用不同封孔段位置的鉆孔瓦斯抽采效果，進(jìn)而確定合理的封孔段位置。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在2254底板巷，設(shè)置三組試驗(yàn)鉆孔，每組施工5個(gè)鉆孔。第一組、第二組和第三組鉆孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度分別為7m、11m和13m，封孔長(zhǎng)度為6m。各組鉆孔施工的具體參數(shù)如表2所示。

表2 鉆孔施工參數(shù)表

按照上述的鉆孔布置方案施工鉆孔并密封，并將各組的5個(gè)鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采，連續(xù)觀測(cè)60d得到各組鉆孔的瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)后，繪制出各組的抽采濃度隨時(shí)間的變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，3個(gè)試驗(yàn)組的瓦斯?jié)舛扔胁煌兓?。第一組的變化分為三個(gè)階段：第一階段，瓦斯?jié)舛戎饾u升高；第二階段，瓦斯?jié)舛认冉档秃筅呌谄骄?；第三階段，瓦斯?jié)舛冉档头容^大。第二組和第三組的瓦斯?jié)舛茸兓卜譃槿齻€(gè)階段：第一階段，瓦斯?jié)舛戎饾u升高；第二階段，瓦斯?jié)舛染徛档?；第三階段，瓦斯?jié)舛茸兓饾u趨于平緩。第二組和第三組的瓦斯抽采濃度均較高，且差別較小，抽采效果均較好。第一組的抽采濃度低于第二組和第三組，且瓦斯?jié)舛茸兓容^大，抽采效果較差。因此從經(jīng)濟(jì)方面和抽采效果考慮，鉆孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度為11m時(shí)，既能保證抽采效果，又能節(jié)約施工成本。

圖4 各組抽采鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

5 結(jié)論

（1）通過(guò)Comsol Multiphysic軟件模擬巷道周圍的應(yīng)力分布，從而確定2254底板巷穿層鉆孔封孔段布置在垂直距離底板巷巷頂9～15m的區(qū)域內(nèi)。為了保證封孔質(zhì)量，傾斜鉆孔封孔段在垂直方向上的投影也應(yīng)在距巷頂?shù)拇怪本嚯x為9～15m的范圍內(nèi)。

（2）通過(guò)分析應(yīng)用不同封孔段位置抽采鉆孔的抽采效果可知，2254底板巷穿層鉆孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度為11m時(shí)，既能保證抽采效果，又能節(jié)約施工成本。