蔣家河煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔參數(shù)優(yōu)化

梁則虎，王 巖

(1.陜西泰盛能源工程有限公司，陜西 咸陽 713500；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 瓦斯研究分院，遼寧 沈陽 113122)

0 引言

我國礦產(chǎn)資源豐富，但煤層瓦斯賦存條件復(fù)雜[1]。對于瓦斯災(zāi)害的防治，由于井下鉆孔具有成本低、施工簡便等特點目前廣泛應(yīng)用瓦斯抽采鉆孔治理瓦斯，已成為煤礦瓦斯治理的主要手段[2-3]。單純改變平巷風(fēng)量的大小對礦井的經(jīng)濟需求以及技術(shù)層面要求很高，因此，礦井的瓦斯抽采工作是整個煤礦順利回采的重中之重[4]。對于瓦斯災(zāi)害特別嚴重的礦井，瓦斯抽采難度更大，礦井工作人員的人身安全以及礦山的順利開采均遭遇重大的挑戰(zhàn)[5]。蔣家河煤礦在瓦斯抽采過程中，由于鉆孔存在漏風(fēng)，部分鉆孔周圍出現(xiàn)了發(fā)火現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔暫停抽采，甚至?xí)?dǎo)致鉆孔報廢。漏風(fēng)同樣會導(dǎo)致瓦斯抽采管路中濃度較低，若濃度在瓦斯爆炸極限內(nèi)，遇到明火，管路內(nèi)可能發(fā)生瓦斯爆炸等事故，給井下人員帶來巨大的安全隱患[6-8]。為防止鉆孔自然發(fā)火，以蔣家河煤礦鉆孔發(fā)火問題為研究對象，分析順層瓦斯抽采鉆孔周圍應(yīng)力分布特征、鉆孔周圍煤自然發(fā)火條件等，運用軟件模擬不同封孔參數(shù)下漏風(fēng)流分布規(guī)律，優(yōu)化封孔參數(shù)，減小鉆孔漏風(fēng)，以防止鉆孔周圍煤體自燃。

1 自然發(fā)火條件分析

1.1 基于鉆屑法的巷道周圍應(yīng)力分布試驗

1.1.1 測試孔布置

在煤巷施工開挖之前，地下煤層處于三軸應(yīng)力平衡狀態(tài)。開挖后，原有三軸應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞。巷道圍巖應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布。巷道圍巖應(yīng)力重新分布后，沿巷道徑向不同深度煤體依次為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[9]，如圖1所示。在蔣家河煤礦211機巷外段距停采線200 m范圍，向煤巷外幫打順層鉆孔取鉆屑用來測試巷道周圍應(yīng)力分布。鉆孔布置時盡可能地保證在軟分層中進行測試工作。測試孔的布置方式如圖2所示。

圖1 巷道周圍應(yīng)力分布示意Fig.1 Stress distribution around roadway

圖2 測試孔布置示意Fig.2 Layout of test boreholes

1.1.2 測試結(jié)果

在211機巷下幫靠近停采線位置打94 mm鉆孔5個，現(xiàn)場取屑稱重用10 kg、50 kg彈簧秤2臺，塑料水桶2個。邊長為1 m左右的正方形編織袋1張，最后得到鉆屑量曲線如圖3所示。從鉆屑量曲線圖以及現(xiàn)場實測圍巖應(yīng)力分布和松動圈理論分析，可得出0～7 m為破碎區(qū)，8～19 m為塑性區(qū)，20～28 m為彈性區(qū)。鉆屑量最大值出現(xiàn)在20 m前后，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距巷道約20 m處。

圖3 鉆屑量隨鉆進深度變化曲線Fig.3 Variation curve of drilling cuttings with drilling depth

1.2 抽采鉆孔周圍煤體自然發(fā)火條件分析

鉆孔封孔后，由于巷道周圍破碎區(qū)泄漏，鉆孔周圍環(huán)形漏氣圈泄漏，封孔材料泄漏，抽采管路泄漏等，鉆孔在抽采過程中存在漏風(fēng)現(xiàn)象[10-12〗。在蔣家河煤礦211工作面機巷瓦斯抽采鉆孔出現(xiàn)自然發(fā)火現(xiàn)象，蔣家河煤礦煤層堅固性系數(shù)為0.11～0.40，硬度較低。由于巷道開挖后集中應(yīng)力的影響，鉆機打完鉆孔后，鉆孔周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)存在破碎的煤屑堆積。井下巷道的開挖導(dǎo)致兩幫煤巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，大量裂隙生成，透氣性極大提高。由于鉆孔抽采負壓的持續(xù)存在，巷道與鉆孔內(nèi)的壓差很大，若封孔參數(shù)不當(dāng)，風(fēng)流會沿著鉆孔封孔段周圍的裂隙流入鉆孔，為鉆孔周圍破碎煤體提供氧氣。從鉆孔軸向來看，由巷道向鉆孔內(nèi)部，由于煤體所受壓力的增大，導(dǎo)致煤體透氣性系數(shù)發(fā)生變化。因此若鉆孔存在漏風(fēng)，在封孔段周圍存在某一點，具有良好的蓄熱條件。由于鉆孔抽采的需要，若鉆孔周圍存在漏風(fēng)，同時抽采時間大于煤的自然發(fā)火期，就會導(dǎo)致鉆孔周圍煤體發(fā)生自燃。

綜上分析，由于蔣家河煤礦所選擇的封孔參數(shù)不當(dāng)，在抽采鉆孔周圍存在漏風(fēng)條件，在持續(xù)一段時間后，出現(xiàn)鉆孔自然發(fā)火現(xiàn)象。因此瓦斯抽采鉆孔自然發(fā)火防治技術(shù)研究的核心在于優(yōu)化封孔參數(shù)，確定合適的封孔參數(shù)，減小鉆孔周圍漏風(fēng)。破壞煤自燃條件，防止鉆孔自燃。

2 鉆孔周圍漏風(fēng)流分布數(shù)值模擬

采用COMSOL軟件，以蔣家河煤礦211工作面為研究對象，對鉆孔周圍的漏風(fēng)運移規(guī)律進行數(shù)值模擬。

2.1 封孔參數(shù)對漏風(fēng)速度的影響

2.1.1 漏風(fēng)分布

蔣家河煤礦目前采用囊袋式兩堵一注封孔方法封孔。設(shè)置封孔深度為10 m、封孔長度為8 m，將此封孔參數(shù)帶入模型，結(jié)果如圖4所示，其橫縱坐標(biāo)均為煤壁長度。當(dāng)封孔深度為10 m，封孔長度為8 m時，由于瓦斯抽采的影響，鉆孔封孔段周圍從1.8～10.6 m內(nèi)漏風(fēng)速度均在自燃氧化帶范圍內(nèi)。同時，由于布孔間距問題，可以看出在封孔段周圍各鉆孔漏風(fēng)相互影響，封孔段8～10 m范圍內(nèi)，均存在自然發(fā)火的可能，巷道周圍破碎區(qū)構(gòu)成了漏風(fēng)流的主要通道。當(dāng)封孔深度為15 m、17 m，封孔長度為8 m時，鉆孔周圍的漏風(fēng)情況如圖5、6所示。當(dāng)封孔深度增加至15 m時，鉆孔封孔段里端仍有約0.1 m范圍內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速處于自燃氧化帶，存在自燃危險。增大封孔深度，經(jīng)模擬得，當(dāng)封孔深度17 m，封孔長度8 m時，鉆孔周圍漏風(fēng)風(fēng)速均小于0.001 7 m/s，全部處于自燃氧化帶風(fēng)速范圍以下，從風(fēng)速角度，不存在自燃風(fēng)險，從理論上可抑制鉆孔自然發(fā)火。

圖4 封孔深度10 m、長度8 m時漏風(fēng)分布Fig.4 Air leakage distribution when sealing depth is 10 m and length is 8 m

圖5 封孔深度15 m、長度8 m時漏風(fēng)分布Fig.5 Air leakage distribution when sealing depth is 15 m and length is 8 m

2.1.2 觀測線風(fēng)速分布

為研究封孔長度對漏風(fēng)情況的影響，模擬封孔時考慮封8 m長度和全孔深封孔兩種情況。在模型中間鉆孔下方0.2 m處平行鉆孔設(shè)置觀測線，觀測線自巷道壁面開始向煤體中延伸29 m，封孔深度10 m、封孔長度為8 m及10 m時，封孔深度15 m、封孔長度為8 m及15 m時，觀測線上風(fēng)速分別如圖7、8所示。通過分析風(fēng)速圖可以得到，不同封孔長度改變了巷道周圍風(fēng)流漏入鉆孔途徑，封孔長度可以影響封孔段外端風(fēng)速分布，但對里端風(fēng)速分布影響不大，而封孔深度對漏風(fēng)情況影響十分顯著。

2.2 封孔參數(shù)

當(dāng)封孔深度為17 m、封孔長度為8 m時，計算鉆孔周圍塑性區(qū)范圍約0.2 m。在鉆孔施工后，在鉆孔周圍約0.2 m范圍內(nèi)存在破碎煤體，在鉆孔下方0.2 m、0.1 m分別設(shè)置觀測線，觀測封孔段兩端觀測線處風(fēng)速大小，將數(shù)據(jù)整理見表1。當(dāng)封孔深度為17 m、封孔長度為8 m時，抽采負壓20 kPa時，鉆孔周圍漏風(fēng)速度均在自燃氧化帶范圍以下。在此基礎(chǔ)上提高鉆孔抽采負壓，當(dāng)負壓提高至30 kPa時，只有封孔段里外端0.1 m范圍內(nèi)漏風(fēng)速度剛剛進入自燃氧化帶風(fēng)速范圍內(nèi)；當(dāng)抽采負壓提高至50 kPa時，封孔段里外端0.1～0.2 m內(nèi)漏風(fēng)速度均處于自燃氧化帶范圍內(nèi)，存在自燃風(fēng)險。從安全角度考慮，為防止鉆孔發(fā)火，抽采負壓可提高至25 kPa以上，但最大值不應(yīng)超過30 kPa。由模擬結(jié)果可得，封孔深度參數(shù)為17 m，封孔長度選擇8 m，抽采負壓最大值不應(yīng)超過30 kPa。

圖6 封孔深度17 m、長度8 m時漏風(fēng)分布Fig.6 Air leakage distribution when sealing depth is 17 m and length is 8 m

圖7 封孔深度10 m、封孔長度8 m及10 m時觀測線風(fēng)速分布Fig.7 Wind speed distribution when sealing depth is 10m and length is 8 m or 10 m

圖8 封孔深度15 m、封孔長度8 m及15 m時觀測線風(fēng)速分布Fig.8 Wind speed distribution when sealing depth is 15 m and length is 8 m or 15 m

表1 封孔深度17 m、封孔長度8 m時封孔段里外段觀測線處風(fēng)速

3 合理封孔參數(shù)現(xiàn)場試驗

3.1工作面概況

蔣家河井田位于陜西省關(guān)中西北部，彬長礦區(qū)南部，行政區(qū)劃隸屬于咸陽市彬州市韓家鎮(zhèn)管轄。ZF211工作面位于二采區(qū)三條大巷的北側(cè)，工作面埋深約440.0～582.5 m。經(jīng)專家組評審蔣家河煤礦ZF211工作面為弱沖擊危險性，4號煤層自燃等級為Ⅱ類自燃煤層。

3.2 現(xiàn)場試驗實施

將優(yōu)化后的封孔參數(shù)在211工作面試驗，鉆孔采用囊袋式兩堵一注封孔。選擇連續(xù)6個控制4號煤層的鉆孔進行封孔參數(shù)試驗，其中封孔參數(shù)見表2。封孔過后，將鉆孔連入抽采網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)觀測抽采數(shù)據(jù)，單孔瓦斯抽采流量隨時間幾乎不變，抽采過程中如果巷道中風(fēng)流漏入鉆孔，單孔抽出的瓦斯?jié)舛葘⒋蠓认陆?，因此單孔瓦斯?jié)舛瓤梢院芎玫胤从炽@孔漏風(fēng)情況。

表2 試驗鉆孔封孔參數(shù)

3.3 試驗結(jié)果

如圖9所示，當(dāng)封孔深度為10 m時，鉆孔抽采濃度不高，鉆孔漏風(fēng)嚴重；同時，單孔瓦斯抽采濃度隨封孔深度增大而變大。其中封孔深度15 m和17 m時，單孔瓦斯抽采濃度平均達到60%以上，封孔深度17 m時單孔瓦斯抽采濃度略優(yōu)于15 m，同時封孔長度對單孔瓦斯抽采濃度影響不大。在工作面試驗鉆孔區(qū)域周圍，礦井按原封孔參數(shù)進行封孔的鉆孔連入抽采系統(tǒng)時間與試驗鉆孔基本相同，抽采約100 d，試驗鉆孔1、2號鉆孔內(nèi)CO濃度達到162×10-6，81×10-6，3、4號鉆孔CO濃度達到81×10-6、63×10-6。而礦井施工封孔的鉆孔CO濃度高達780×10-6、815×10-6。封孔深度17 m的實驗鉆孔始終未檢測出CO存在。因此，通過優(yōu)化封孔參數(shù)，鉆孔自然發(fā)火問題得以解決，同時瓦斯抽采濃度較原設(shè)計有提高，經(jīng)優(yōu)化封孔參數(shù)后，可解決鉆孔自然發(fā)火問題，可按計劃完成降低瓦斯含量、瓦斯壓力，實現(xiàn)瓦斯抽采任務(wù)。

圖9 試驗鉆孔瓦斯抽采濃度對比Fig.9 Comparision of gas extraction concentration in test boreholes

4 結(jié)論

(1)基于鉆屑法對巷道圍巖應(yīng)力分布進行試驗研究，得出距巷道0～7 m范圍內(nèi)煤體為破碎區(qū)，8～19 m范圍為塑性區(qū)，20～28 m為彈性區(qū)。鉆屑量最大值出現(xiàn)在20 m左右，距巷道20 m處煤體所受應(yīng)力最大。

(2)建立巷道周圍鉆孔漏風(fēng)模型，對不同封孔參數(shù)下漏風(fēng)流分布情況進行模擬研究，確定封孔深度為17 m，封孔長度為8 m，抽采負壓最大值不應(yīng)超過30 kPa。

(3)在211工作面順層鉆孔進行封孔參數(shù)試驗，得出單孔瓦斯抽采濃度隨封孔深度的增大而增大，封孔長度對單孔瓦斯抽采濃度影響不明顯。當(dāng)封孔深度達到17 m時，單孔瓦斯抽采濃度達到70%，經(jīng)抽采100 d后未檢測出CO存在，實現(xiàn)了鉆孔自然發(fā)火的防治。