全煤巷道順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究

黃致鵬，魏國營,2,3

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

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全煤巷道順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究

黃致鵬1，魏國營1,2,3

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

[摘要]為了提高亭南礦順層鉆孔抽采瓦斯的效率，基于合理封孔深度的重要性，采用FLAC3D模擬煤巷開挖后圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布情況，并用Tecplot軟件提取巷幫煤巖垂直應(yīng)力數(shù)值，擬合后得到距巷幫不同深度的應(yīng)力分布曲線。根據(jù)鉆屑法、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，確定出全煤巷道3個(gè)應(yīng)力分區(qū)的范圍。通過抽采效果驗(yàn)證，證明順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度是應(yīng)該超出巷幫的卸壓帶或塑性區(qū)范圍，但同時(shí)又應(yīng)小于應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。最終確定亭南礦順層瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度為9m。

[關(guān)鍵詞]順層鉆孔；抽采瓦斯；合理封孔深度；鉆屑量；鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有65%的回采面順層瓦斯抽采鉆孔的預(yù)抽瓦斯?jié)舛刃∮?0%[1]。瓦斯抽采主要靠打鉆和封孔來完成，而封孔是瓦斯抽采的重要環(huán)節(jié)，其中封孔深度對瓦斯抽采具有重要影響。因此，確定瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度是保證瓦斯抽采效果的關(guān)鍵，而分析巷道“三帶”分布范圍則是確定封孔深度的關(guān)鍵[2-4]。

前人研究表明，若封孔深度較短且處在卸壓區(qū)內(nèi)，在孔口負(fù)壓的作用下，鉆孔可通過巷道掘出后形成的松動(dòng)圈內(nèi)的宏觀裂隙與巷道空間形成回路從而出現(xiàn)連通漏氣，這就會(huì)導(dǎo)致巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸薅椴晒苈穬?nèi)瓦斯純量大幅降低[5-6]。若封孔深度較長，不僅會(huì)浪費(fèi)封孔材料，還會(huì)導(dǎo)致從松動(dòng)區(qū)邊界到封孔段末端一帶的煤體瓦斯抽不出，從而形成抽采盲區(qū)，為礦井以后的生產(chǎn)、管理留下安全隱患[7]。若封孔段超過巷幫應(yīng)力集中峰值點(diǎn)的深度，則峰值點(diǎn)區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)應(yīng)力屏障，從而阻隔兩側(cè)煤體瓦斯的流動(dòng)，形成不利于瓦斯抽采和煤體卸壓的狀況[8]。所以，確定鉆孔合理封孔深度的原則就是既要最大程度地抽出煤層中的瓦斯，又要有利于瓦斯抽采及煤層卸壓[9-11]。即瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度是應(yīng)該超出巷道兩幫的卸壓帶或塑性區(qū)范圍，但同時(shí)又要小于巷幫應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。

1礦井概況

亭南煤礦地處陜西省彬長礦區(qū)中部，井田東西長11.3km，南北寬5.1km，面積約33.85km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0Mt/a。井田內(nèi)唯一可采煤層為4號煤層，位于含煤巖系的最下部，平均厚度8.29m，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。受區(qū)域構(gòu)造影響，井田范圍內(nèi)構(gòu)造特征以褶曲為主，斷層稀少。含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大，傾角2～3°。亭南煤礦屬高瓦斯礦井，其相對瓦斯涌出量17.43m3/t，絕對瓦斯涌出量81.96m3/min。4號煤層平均瓦斯含量4.62m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.22～0.73m2/(MPa2·d)。礦井采用本煤層采前預(yù)抽、隅角埋管抽采、高抽巷結(jié)合高位鉆孔抽采等瓦斯綜合治理方案來解決日益嚴(yán)峻的瓦斯問題。

2順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度的確定

2.1巷幫應(yīng)力分區(qū)數(shù)值模擬研究

根據(jù)亭南煤礦4號煤層的地質(zhì)條件建立FLAC3D數(shù)值模擬模型。4號煤層選擇矩形巷道，巷道高×寬=3.0m×3.6m。考慮巷道圍巖變形影響范圍，并留有一定的邊界影響區(qū)域，模型尺寸確定為長(x)×寬(y)×高(z)=10m×40m×30m，劃分23200個(gè)單元，共26978個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型上部邊界為應(yīng)力邊界，施加載荷大小為上覆巖層自重；前后左右邊界均施加水平約束，即水平位移為零；底部邊界固定，水平垂直位移均為零。煤巖體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。模型中采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室測定，見表1。

表1　煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

煤巷開挖后圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布情況分別見圖1、圖2。采用Tecplot軟件后處理提取巷幫煤巖垂直應(yīng)力數(shù)值，擬合后得到距巷幫不同深度的應(yīng)力分布曲線，見圖3。由圖1可知，巷道開挖后圍巖由三向受力狀態(tài)變?yōu)槎蚴芰顟B(tài)，導(dǎo)致煤巷頂、底板和兩幫都出現(xiàn)了不同程度的塑性破壞，此時(shí)煤巷兩幫在塑性區(qū)范圍的煤體會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，塑性區(qū)內(nèi)頂板巖層受力平衡狀態(tài)遭到破壞，圍巖發(fā)生位移變形，尋求新的應(yīng)力平衡，在頂板上方形成了暫時(shí)平衡的巖石松動(dòng)圈。由圖2和圖3可知，在煤巷的兩幫、頂板和底板一定范圍內(nèi)，均出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)域，煤巷兩幫0～6.1m為垂直應(yīng)力降低區(qū)域，6.1～18.2m為垂直應(yīng)力集中區(qū)域，在8.9m的位置達(dá)到了應(yīng)力峰值。

圖1　圍巖塑性區(qū)分布

圖2　圍巖垂直應(yīng)力分布

圖3　距巷幫不同深度的應(yīng)力分布曲線

2.22種方法確定合理封孔深度

不同深度煤體的應(yīng)力狀態(tài)不同，則不同深度的煤層透氣性在相同破壞力作用下所產(chǎn)生的煤屑量也不同[12]。因此，通過向巷幫打鉆的方法，測量不同深度的鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1，根據(jù)其變化趨勢可推算出巷幫3個(gè)應(yīng)力分區(qū)的范圍。不同區(qū)域的鉆屑量S，K1與鉆孔深度關(guān)系總體變化趨勢大致相同，見圖4。

圖4　S，K1隨鉆孔深度變化趨勢

在304工作面回風(fēng)巷道距切眼600m處選擇8個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)測點(diǎn)用直徑為42mm的麻花鉆桿鉆機(jī)施工順煤層鉆孔，單孔深度為12m。開鉆后每鉆進(jìn)1m，風(fēng)鉆要空鉆幾十秒，盡可能地排出鉆屑，使用彈簧秤對塑料編織袋里的鉆屑稱重；每鉆進(jìn)2m時(shí)，用篩子迅速篩分出1～3mm粒徑的煤粉，立即放入WTC型瓦斯突出參數(shù)儀進(jìn)行測試。鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1測試結(jié)果與鉆孔深度關(guān)系分別見表2和表3。

表2　鉆屑量S測定結(jié)果　kg/m

表3　鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1測定結(jié)果　mL/(g·min1/2)

根據(jù)表2和表3，分別建立S和K1隨孔深變化的回歸線，見圖5和圖6。

圖5　S與鉆孔深度關(guān)系

圖6　K1與鉆孔深度關(guān)系

從圖5可以看出，雖然個(gè)別點(diǎn)數(shù)據(jù)異常，但整體呈現(xiàn)規(guī)律性，1～6m鉆屑量S緩慢增加，這是因?yàn)樾秹簠^(qū)內(nèi)的煤體應(yīng)力低于煤體的原始應(yīng)力，此區(qū)域煤體充分卸壓導(dǎo)致鉆屑量偏小，但不會(huì)出現(xiàn)個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)激增的現(xiàn)象；6～9m鉆屑量的增加幅度略大于1～6m鉆屑量，當(dāng)打鉆深度達(dá)到9m時(shí)鉆屑量達(dá)到了峰值；9～12m鉆屑量數(shù)據(jù)點(diǎn)浮動(dòng)較明顯，且整體呈現(xiàn)下降趨勢，但 9～12m的鉆屑量數(shù)據(jù)的最小值也比1～6m鉆屑量要大。因此，可以判定0～6m為卸壓區(qū)域，5～9m為應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力升高區(qū)，9～12m為應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力下降區(qū)，出現(xiàn)應(yīng)力峰值的位置約為9～10m。

由于鉆屑量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)反映對應(yīng)的物理參數(shù)的敏感性存在一定差異，圖6和表2中的各個(gè)鉆孔的K1值隨孔深的變化，并未發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的規(guī)律，無法判斷出“三帶”位置。許多孔深較深位置測得的K1數(shù)據(jù)甚至比孔深較淺位置還小，考慮主要是因?yàn)榭咨钶^深位置測得的鉆屑量混有上一段已解吸過的鉆屑，且孔深較深的位置的鉆屑量排出孔口需要更長的時(shí)間，這段時(shí)間鉆屑仍會(huì)解吸，最終導(dǎo)致測試的結(jié)果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

合理的瓦斯抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超出巷幫的卸壓帶或塑性區(qū)范圍，同時(shí)又應(yīng)小于巷幫應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。因此鉆孔的封孔深度一方面必須足夠長，以避免空氣通過裂隙進(jìn)入抽采鉆孔，從而保證瓦斯的抽采純量；另一方面封孔深度又應(yīng)盡量縮短，以節(jié)省材料和避免抽采盲區(qū)的出現(xiàn)。亭南煤礦304工作面的原有封孔深度為8m，但整體瓦斯抽采濃度并不高，需進(jìn)一步提高瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，確定亭南礦順層鉆孔合理的封孔深度應(yīng)為9m左右。

3合理封孔深度現(xiàn)場驗(yàn)證

本次試驗(yàn)首先沿304工作面運(yùn)輸巷距開切眼720m處施工第1個(gè)本煤層順層平行預(yù)抽鉆孔，每間隔7m施工下一個(gè)預(yù)抽鉆孔，共計(jì)施工9個(gè)鉆孔，依次編號C1，C2，…，C9。鉆孔參數(shù)均為方位角270°，傾角3°，長度50m。每3個(gè)一組，封孔深度分別為8m，9m，10m，封孔材料均選用聚氨酯。然后將9個(gè)鉆孔作為一組進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采，抽采負(fù)壓為16kPa，用高濃度瓦斯光學(xué)測試儀每隔3d對C1～C9鉆孔的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)記錄好各個(gè)鉆孔隨抽采時(shí)間變化的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，見表4。對3個(gè)封孔深度相同的抽采鉆孔在同一時(shí)間的瓦斯?jié)舛惹笃骄?，不同封孔深度的平均瓦斯抽采濃度隨抽采時(shí)間變化見圖7。

從表4和圖7可以看出：

(1)同一抽采時(shí)間條件下，封孔深度為9m，10m的鉆孔瓦斯抽采平均濃度均比封孔深度為8m的平均抽采濃度要高，說明封孔深度的提高對瓦斯抽采效果具有顯著影響。

表4　鉆孔瓦斯抽采濃度測定　%

圖7　不同封孔深度的平均瓦斯抽采濃度與抽采天數(shù)關(guān)系

(2)封孔深度為8m，9m和10m的抽采鉆孔濃度衰減系數(shù)分別為0.010，0.015和0.016；后兩者的濃度衰減系數(shù)相差不大，但與前者差值較大，說明隨著抽采時(shí)間的變化，三者衰減到同一抽采濃度，封孔深度為9m，10m的抽采鉆孔所需要的時(shí)間更長，能夠在較長時(shí)間段內(nèi)保持較高的瓦斯?jié)舛?。因此封孔深度?m，10m均比封孔深度為8m要合理。

(3)封孔深度為8m，9m和10m的鉆孔抽采40d后的平均瓦斯抽采濃度分別為30.4%，38.1%，39.3%，后兩者與前者的濃度差值分別為7.7%，8.9%，后兩者的濃度差值為1.2%；三者的封孔深度雖都處于應(yīng)力集中帶內(nèi)，也均超過了卸壓區(qū)的范圍，但抽采濃度并未隨著封孔深度的增加而顯著增加，這很可能是由于10m的封孔深度已超出了應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度，導(dǎo)致卸壓區(qū)末端與應(yīng)力峰值點(diǎn)之間由于應(yīng)力過于集中使得該段煤體的透氣性下降，進(jìn)而形成屏障，阻隔了該區(qū)域煤體瓦斯的流動(dòng)、運(yùn)移和卸壓。因此，合理封孔深度并不能一味地追求抽采濃度高，而應(yīng)盡可能地接近應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度，且不要超過這一深度。

因此，通過瓦斯抽采效果驗(yàn)證，證明數(shù)值模擬和鉆屑法確定合理封孔深度誤差在合理范圍內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場封孔需要，最終確定304工作面的順層瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度為9m。

4結(jié)論

(1)運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬，得出煤巷開挖后圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力分布情況，初步判定煤巷兩幫0～6.1m為垂直應(yīng)力降低區(qū)域，6.1～18.2m為垂直應(yīng)力集中區(qū)域，在8.9m的位置達(dá)到了應(yīng)力峰值。通過鉆屑法現(xiàn)場試驗(yàn)，煤巷開挖后出現(xiàn)應(yīng)力峰值的位置約為9～10m。

(2)瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度應(yīng)該超出巷道兩幫的卸壓帶或塑性區(qū)范圍，但同時(shí)又要小于巷幫應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度。綜合數(shù)值模擬和鉆屑法現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，通過不同封孔深度抽采鉆孔的抽采效果驗(yàn)證，最終確定亭南礦順層瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度為9m。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Reasonable Sealing Length of Gas Extraction Borehole in Full Coal Roadway

HUANG Zhi-peng1，WEI Guo-ying1,2,3

(1.College of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control (Henan Polytechnic University),Jiaozuo 454003，China；3.The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan，Jiaozuo 454003，China)

Abstract：In order to improve the efficiency of bedding gas drainage borehole of Tingnanmine，based on the importance of rational sealing depth，using numerical simulation software FLAC3Dsimulates plastic zones and the vertical stress distribution case after coal roadway excavation.And using the Tecplot software to extract of the roadway coal and rock vertical stress values，and finally get the stress distribution curve away from roadway at different depths after fitting. According to drilling bits amount，cuttings gas desorption indexmethod field data，to determine the scope of the seam roadway three stress partition. Through the effect of extraction proof bedding reasonable sealing gas drainage drilling depth should be beyond the scope of relief with or plastic zone of two sides roadway，but also less than the peak stress point roadway depth. So the rational borehole sealing depth of Tingnanmine is 9m.

Key words：hole drilled along seam；gas drainage；rational sealing depth；drilling bits amount；cuttings gas desorption index

[中圖分類號]TD712

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)01-0101-04

[作者簡介]黃致鵬(1991-)，男，河南信陽人，在讀碩士研究生，主要從事瓦斯地質(zhì)理論及瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究。

[基金項(xiàng)目]國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05040-005)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1235)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2010-71)。

[收稿日期]2015-07-01

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.027

[引用格式]黃致鵬，魏國營.全煤巷道順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究[J].煤礦開采，2016，21(1)：101-104，100.