本煤層新型囊袋式封孔深度的確定

摘要：決定井下順層瓦斯抽采效果的一個(gè)重要參數(shù)是封孔深度，文章結(jié)合巖體力學(xué)中深埋圓形硐室的二次應(yīng)力狀態(tài)呈彈、塑性分布和礦山壓力中巷道兩側(cè)切向應(yīng)力的分布，計(jì)算出巷道周圍煤體中支承壓力峰值位置和減壓區(qū)邊界，從而得出合理的封孔深度。文章以山西常村礦為研究對象，計(jì)算出合理封孔深度為8～12 m，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，用鉆屑量法驗(yàn)證理論計(jì)算，證明了理論的合理性。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；封孔深度；塑性區(qū)；支承壓力；鉆屑法

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2014）21-0158-03

1研究概述

鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是最主要的防治煤與瓦斯突出的措施，瓦斯抽采封孔深度是該措施的一項(xiàng)重要參數(shù)，其合理與否直接關(guān)系到防突效果和防突成本。但從國內(nèi)許多礦井的的瓦斯抽采設(shè)計(jì)來看，封孔深度的設(shè)定大多有兩種方法：

①以經(jīng)驗(yàn)為主，認(rèn)為封孔越深，抽采效果越好，其實(shí)不然。

②以現(xiàn)場測定為主，這種方法有一定的準(zhǔn)確性，但測定過程比較復(fù)雜，對測定過程中儀器、操作有較高的要求。

因此，從理論上確定瓦斯抽采封孔深度對提高抽采效果、快速消除煤層突出危險(xiǎn)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章以常村煤礦2101區(qū)段運(yùn)輸巷和一側(cè)的煤體為研究對象，根據(jù)運(yùn)輸巷開挖后在煤體中形成的塑性圈和支承壓力，得出合理封孔深度為減壓區(qū)邊界至支承壓力峰值段，并現(xiàn)場用鉆屑法加以驗(yàn)證，驗(yàn)證其合理性。

2理論計(jì)算確定封孔深度

巷道開挖成型后，巷道兩幫無法避免的會發(fā)生一定的變形，此時(shí)必須及時(shí)對巷道兩幫及頂板進(jìn)行支護(hù)，以免發(fā)生頂板及兩幫的冒落。支護(hù)后，圍巖壓力與支護(hù)力相互作用，經(jīng)過一段將再次穩(wěn)定，圍巖中的應(yīng)力也將重新分布，水平方向分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)（如圖1所示），應(yīng)力降低區(qū)也將是主要的瓦斯釋放帶。

如圖1所示，若封孔深度較淺，封孔段處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，鉆孔內(nèi)的瓦斯將會沿著封孔段鉆孔周圍煤體的裂隙和裂縫向外泄漏，而外界空氣將會沿著裂隙和裂縫吸入抽采管路，從而達(dá)不到抽采效果；若封孔深度較深，超出巷幫應(yīng)力集中峰值點(diǎn)的深度，封孔段處于原始應(yīng)力區(qū)，不僅會造成封孔材料的浪費(fèi)，而且會形成應(yīng)力降低區(qū)邊界至封孔段末端一帶內(nèi)煤體內(nèi)的瓦斯抽不出，從而形成抽采盲區(qū)。因此，瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度的范圍必須超過巷道松動區(qū)范圍，但同時(shí)又要小于或等于巷道煤壁應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。

2.1封孔深度最大值的確定

假設(shè)巷道所處的原巖應(yīng)力場為靜水應(yīng)力場。巷道開挖后塑性區(qū)內(nèi)的靜力平衡方程為：

r+σr-σt=0（1）

起塑條件為：

σt=σr+（2）

式（1），（2）中，σr，σt為塑性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，N；

C，φ為巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，N；

r為塑性區(qū)內(nèi)所研究點(diǎn)的半徑，mm。

將式（2）代入式（1），化簡得：

σr+C cotφ=Ar（3）

若r=r1（巷道半徑），σr=0，則A=C cotφ=/r1

可得：

σr=C cotφ[（）-1]（4）

σt=C cotφ[（）-1]（5）

按以上兩式，可做出巷道一側(cè)煤體中的切向應(yīng)力分布圖及巷道水平軸上周圍各巖體單元體所處的應(yīng)力狀態(tài)，如圖2所示。

由于假設(shè)巷道所處的原巖應(yīng)力場為靜水平應(yīng)力場，因此，在半徑R處（塑性區(qū)邊界）應(yīng)符合σr+σt=2γH，由

C cotφ

（

）

-1+C cotφ（

）

-1

得R=r1[]（6）

代入相關(guān)數(shù)據(jù)即可求得最大封孔深度。

1.2封孔深度最小值的確定

由圖1和圖2知，當(dāng)σr=γH時(shí)，r2為減壓區(qū)的邊界，由

C cotφ

（

）

-1=γH

得r2=r=r1[（+1）（）]（7）

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得減壓區(qū)的邊界，即最小封孔深度。

以山西常村煤礦2101區(qū)段運(yùn)輸巷為研究對象，其一側(cè)3#煤層所需相關(guān)參數(shù)見表1。

把相關(guān)物理參數(shù)帶入式（6）、（7），即可解得：R=12.24 m，r2=7.96 m。根據(jù)實(shí)際情況，確定常村煤礦合理封孔深度為8~12 m。

2鉆屑量法驗(yàn)證封孔深度的合理性

鉆屑量法是用煤電鉆或風(fēng)煤鉆（根據(jù)礦方條件，這里使用風(fēng)煤鉆）垂直巷道順著煤層打直徑為42 mm的鉆孔，根據(jù)鉆孔中排出的鉆屑量變化規(guī)律及其伴隨的動力現(xiàn)象來分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。鉆屑量法分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布的理論基礎(chǔ)是：

①鉆屑量與煤體內(nèi)的應(yīng)力分布有一定的函數(shù)變化關(guān)系。

②鉆進(jìn)過程中的動力現(xiàn)象反映出了煤體內(nèi)的應(yīng)力集中程度。當(dāng)鉆頭鉆到應(yīng)力升高區(qū)時(shí)，鉆孔周圍的煤體發(fā)生變形甚至破碎，從而導(dǎo)致塌孔、堵孔、抱鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故，并伴隨有煤炮聲，同時(shí)鉆屑量也異常增多，鉆屑粒度明顯增大。

在打鉆過程中，在專用表格中準(zhǔn)確記錄各鉆孔每米鉆屑量，并詳細(xì)觀察記錄進(jìn)行每米鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)的動力現(xiàn)象，將得到的鉆孔鉆屑量與鉆孔深度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到平均鉆屑量與鉆孔深度的散點(diǎn)圖和擬合曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在0~7 m段，鉆屑量變化不大，8~12 m段，鉆屑量急劇增加，并在12 m左右達(dá)到頂峰，然后開始下降。由此可推斷：鉆屑量測試的應(yīng)力降低區(qū)為<7 m段，應(yīng)力升高區(qū)為8~12 m段，應(yīng)力峰值在11~12 m左右。

從鉆屑量的變化分析可知，試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算得出的數(shù)據(jù)基本相符。因此，本文認(rèn)為常村煤礦2101采區(qū)的合理封孔深度為8~12 m。

3結(jié)語

①本文結(jié)合巖石力學(xué)和礦山壓力計(jì)算出本煤層合理的封孔深度，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了理論的合理性。通過理論計(jì)算得出的結(jié)果我們可以看出影響封孔深度的因素主要有巷道的等效半徑和其一側(cè)瓦斯抽采煤層煤體的物理力學(xué)參數(shù)。

②常村煤礦2101工作面煤層厚度平均為5.66 m，區(qū)段運(yùn)輸巷凈高為3.4 m，因此區(qū)段運(yùn)輸巷為全煤巷，所以計(jì)算支承壓力時(shí)只考慮在煤層中的傳播情況。但很多區(qū)段運(yùn)輸巷是半煤巖巷，支承壓力的傳播要經(jīng)由巖層進(jìn)入煤層，而巖層和煤層的物理力學(xué)性質(zhì)有一定的差異，此外，兩者的結(jié)合面也會對支承壓力和塑性圈的大小產(chǎn)生一定影響，希望其他學(xué)者和同行能夠加以補(bǔ)充。

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