寺家莊礦抽采鉆孔合理封孔長度的確定

康添惠

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 昔陽 045399）

山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司（簡稱寺家莊礦）為煤與瓦斯突出礦井。為了防治礦井的煤與瓦斯突出，根據(jù)《防突規(guī)定》的要求，必須在煤層內(nèi)施工抽采鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。因此，如何提高鉆孔內(nèi)瓦斯抽采的抽采率，成為制約寺家莊礦生產(chǎn)效率的難題。目前，寺家莊礦瓦斯抽采濃度普遍偏低，消突時(shí)間過長。究其原因，主要是由于封孔深度達(dá)不到要求，不能將瓦斯抽放管密封到實(shí)體煤中，存在漏氣、竄氣等問題，使封孔的合理長度成為影響瓦斯抽采率的眾多因素中的關(guān)鍵因素。本文利用理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，確定合理的封孔深度。

1 寺家莊礦工作面前方煤體應(yīng)力帶的分布規(guī)律

由于受工作面掘進(jìn)的影響，煤層內(nèi)的原巖應(yīng)力分布平衡被打破，并達(dá)到一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在應(yīng)力轉(zhuǎn)變及運(yùn)移的過程中，首先在煤壁附近存在一個(gè)較高的應(yīng)力集中區(qū)，隨著應(yīng)力值達(dá)到煤的強(qiáng)度屈服極限后，這部分煤體受此影響發(fā)生屈服變形，則應(yīng)力集中區(qū)將向煤層內(nèi)部運(yùn)移，從而在工作面內(nèi)層內(nèi)形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[1-2]。工作面煤體前方的“三帶”，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面前方煤體應(yīng)力帶分布示意圖

為了分析煤巖體在巷道開掘后應(yīng)力帶的力學(xué)分布規(guī)律，根據(jù)極限動(dòng)力平衡理論，作如下假設(shè)[3]：①在煤壁的應(yīng)力極限區(qū)內(nèi)，煤體為均質(zhì)、各項(xiàng)同性的連續(xù)介質(zhì)體；②煤層內(nèi)的剪應(yīng)力和切應(yīng)力隨著巷道周邊的距離的增加而增加，直至達(dá)到峰值應(yīng)力處。

依據(jù)上述條件，根據(jù)極限動(dòng)力平衡理論，在煤體從頂?shù)装彘g擠出時(shí)，應(yīng)力極限平衡區(qū)煤層界面應(yīng)力應(yīng)滿足應(yīng)力極限平衡條件[4]。煤層界面附近某個(gè)區(qū)域內(nèi)的煤體應(yīng)力應(yīng)滿足應(yīng)力微分平衡方程。所以，在不計(jì)體積的條件下，極限應(yīng)力平衡區(qū)內(nèi)煤層界面應(yīng)力公式為：

求解上式有：

式中：σx、σy、τxy——煤體內(nèi)的正應(yīng)力及切應(yīng)力；θ，c——煤層或軟分層界面的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力，

寺家莊礦15號(hào)煤層煤的內(nèi)摩擦角為θ0=20°，黏結(jié)力為c0=0.04MPa；

A——側(cè)壓系數(shù)，取0.27；

M——煤層的厚度，寺家莊礦煤的厚度為5.63m。

在極限應(yīng)力區(qū)界面內(nèi)，由于煤體的屈服變形，形成了卸壓區(qū)[5]，卸壓區(qū)的寬度為x0，則煤壁寬度為x=x0時(shí)，σy=γH，又煤層內(nèi)集中應(yīng)力最高點(diǎn)所處區(qū)域?yàn)闃O限平衡區(qū)[6]，距煤壁為x1，則x=x1時(shí)，σy=KγH，其中K為應(yīng)力集中系數(shù)，取值為0.6，γ為上覆巖層的密度，取值為2.5 t/m3。結(jié)合前式則可計(jì)算出應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x1和卸壓區(qū)寬度x0：

假定在卸壓區(qū)中煤體的破壞條件服從莫爾強(qiáng)度理論[7]，其抗拉強(qiáng)度，代入上式，則有：

式中：f——煤層界面的摩擦系數(shù)，f=tgθ；

σt——煤層或軟分層的抗拉強(qiáng)度。

寺家莊礦現(xiàn)掘進(jìn)的15203工作面順槽位于15號(hào)煤層，15號(hào)煤層的厚度為5.63m，工作面凈高為3.7m，頂板為灰白色細(xì)砂巖和黑灰色砂質(zhì)泥巖，底板為灰黑色泥巖及砂質(zhì)泥巖，上覆巖層厚度為540m，計(jì)算得極限平衡區(qū)寬度x1和卸壓區(qū)寬度x0為x0=3m，x1=9.5m。

由此可知，在寺家莊礦的鉆孔封孔過程中，封孔深度要超過極限平衡區(qū)寬度9.5m，才能取得較好的抽采效果。

2 寺家莊礦工作面抽采鉆孔的封孔深度的現(xiàn)場考察

為了考察寺家莊瓦斯抽采鉆孔的合理封孔長度，選擇寺家莊15203掘進(jìn)工作面作為現(xiàn)場考察的地點(diǎn)，在工作面煤壁上施工相同間距的抽采鉆孔。鉆孔施工完成后，分別在鉆孔內(nèi)下入不同的長度的PVC抽放管，并用新型的聚氨酯材料對(duì)其封孔。封孔工藝，如圖2所示。

圖2 封孔工藝流程圖

現(xiàn)場共施長度為115m的鉆孔四組，每組分別按封孔長度為9m、12m、18m、24m封孔。通過觀測這些不同封封孔長度的鉆孔的抽采參數(shù)，考察不同封孔長度的抽采效果。圖3即為封孔抽采20d內(nèi)不同封孔長度的鉆孔的抽采參數(shù)分析。

圖3 不同封孔長度的鉆孔的瓦斯抽采效果分析

每組分別選取10個(gè)鉆孔作為考察對(duì)象，抽采20d后，封孔9m孔累計(jì)抽采量6138m3，封孔12m孔累計(jì)抽采量11599m3，封孔18m孔累計(jì)抽采量16162m3，封孔24m孔累計(jì)抽采量17622m3。根據(jù)以上結(jié)果，在封孔的24m范圍內(nèi)封孔深度越深，瓦斯抽采效果越好。

3 不同封孔深度的經(jīng)濟(jì)性比較

鉆孔的封孔要消耗大量的PVC抽放管和新型聚氨酯封孔材料，由成本核算，其中每封1m孔需消耗聚氨酯成本大約50元，每輸送1mPVC抽放管大約需消耗掉35元。隨著封孔深度的加深，封孔成本也隨之增加。不同封孔長度的鉆孔抽采效果與成本分析，如圖4所示。

圖4 不同封孔長度的鉆孔抽采效果與成本分析

由圖可知，隨著封孔深度的增加抽采效果越來越好，封孔深度與抽采量的關(guān)系為：Y=-64.48x2+2863x－14089，但是隨著封孔深度的增加，增加了聚氨酯的消耗量，同時(shí)也增加了封孔管的消耗，封孔深度與抽采量的關(guān)系為：y=85x，根據(jù)最優(yōu)化原則，在盡量優(yōu)化抽采量的同時(shí)降低材料的消耗成本，得出了最優(yōu)的封孔深度為22m。

4 結(jié)論與討論

通過理論分析，得出寺家莊礦的抽采鉆孔封孔深度要大于9.5m。結(jié)合寺家莊礦的現(xiàn)場考察結(jié)果，確定了寺家莊礦的采掘工作前方的合理封孔深度為22m。這和理論分析的結(jié)果相差很大，分析其產(chǎn)生原因可能是因?yàn)樵囼?yàn)地點(diǎn)在掘進(jìn)過程中已經(jīng)施工過超前預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽鉆孔要求煤巷兩幫的保護(hù)范圍為15m，則煤壁15m范圍內(nèi)存在殘存鉆孔，這些殘孔直接影響了煤壁內(nèi)煤體的完整性，給封孔后的抽采帶來不利的影響。

本文只是對(duì)封孔深度對(duì)瓦斯抽采的影響作了初步的分析，更深入的分析還有待于進(jìn)一步的研究。

[1]齊黎明，林伯泉，支曉偉.上山掘進(jìn)時(shí)卸壓區(qū)應(yīng)力及防突長度分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（03）.

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