黃陵二號煤礦順層預(yù)抽鉆孔合理封孔深度探討

黨利鵬

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵二號煤礦位于黃陵礦區(qū)西北部，是國家“八五”重點建設(shè)項目，屬于煤油氣共生礦區(qū)。該礦主采2#煤層，該煤層位于延安組第一段的中上部，層位穩(wěn)定，全區(qū)分布。二號井煤層厚度0.05～6.75 m，平均3.91 m，全井田大部可采，均為厚度穩(wěn)定的中厚-厚煤層，屬不自燃～易自燃煤層。井田面積為375.6 km2，礦井生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a，井田西北部受煤層埋藏深度的影響，形成瓦斯的相對富集區(qū)域和瓦斯異常區(qū)域，瓦斯含量1.29～5.70 m3/t，瓦斯含量由東向西逐漸升高，屬高瓦斯礦井。近年來，隨著礦井開采活動的進(jìn)行，礦井瓦斯涌出量逐年增大，同時出現(xiàn)了圍巖油氣異常涌出現(xiàn)象，其中底板油型氣涌出尤為嚴(yán)重，2011年至今共計有3個盤區(qū)發(fā)生5次油型氣涌出，最大一次涌出量3.5×105m3，給礦井生產(chǎn)造成巨大威脅。黃陵礦區(qū)油型氣賦存極不均衡，掘進(jìn)期間單元內(nèi)最大油型氣涌出量達(dá)到3.5×105m3；采煤工作面回采期間發(fā)生的油型氣涌出量最高達(dá)到6×104m3。井下部分涌出區(qū)域測得油型氣壓力最大為1.02 MPa。瓦斯問題已嚴(yán)重影響了礦井安全高效生產(chǎn)。井下瓦斯預(yù)抽是治理煤礦瓦斯的根本措施之一，合理封孔深度是保障瓦斯抽采效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。現(xiàn)以現(xiàn)場考察和數(shù)值分析為手段，探討黃陵二號煤礦順層預(yù)抽鉆孔合理封孔深度。

1 合理封孔深度確定原則

1.1 合理封孔深度的核心

黃陵二號煤礦2#煤層瓦斯抽采鉆孔的合理封孔深度的核心問題是確定巷道在開挖、鉆進(jìn)擾動下松動圈的范圍及其應(yīng)力集中區(qū)的峰值點位置。在卸壓區(qū)內(nèi)，煤體被壓酥，較松軟破碎，裂隙發(fā)育，漏氣通道增加；進(jìn)而煤體內(nèi)應(yīng)力不斷釋放，煤體滲透率和透氣性進(jìn)一步增大，易造成鉆孔漏氣，抽采效果不理想，因此在現(xiàn)場封孔深度應(yīng)考慮松動圈的范圍。針對順層預(yù)抽鉆孔合理封孔深度的分析研究，擬采用數(shù)值分析方法和現(xiàn)場鉆屑法共同確定黃陵二號煤礦2#煤層順層預(yù)抽鉆孔合理封孔深度。

1.2 合理封孔深度確定原則

應(yīng)超越巷道應(yīng)力降低區(qū)：巷道應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的煤體已經(jīng)遭到一定程度的破壞，應(yīng)力降低區(qū)屬于裂隙發(fā)育區(qū)，有些學(xué)者把應(yīng)力降低區(qū)稱之為瓦斯散放帶，封孔深度如果小于應(yīng)力降低區(qū)的深度，這些裂隙會成為鉆孔的漏氣通道，空氣經(jīng)繞開封孔段而進(jìn)入鉆孔，造成鉆孔瓦斯抽采濃度下降。

不應(yīng)超越巷道應(yīng)力峰值區(qū)：鉆孔在巷道應(yīng)力峰值附近最容易發(fā)生塌孔和變形，峰值區(qū)內(nèi)不僅封孔困難，而且由于封孔深度的增加還會造成封孔成本的升高。

應(yīng)避開“邊掘邊抽”鉆孔影響：“邊掘邊抽”鉆孔和突出煤層的防突鉆孔一般控制煤層巷道兩幫一定范圍，其方向與本煤層鉆孔呈交叉狀，本煤層封孔深度應(yīng)避開其影響范圍，否則鉆孔相互交叉或接近，會導(dǎo)致封孔效果下降。

有效注漿段：注漿段應(yīng)避開巷道應(yīng)力降低區(qū)和邊掘邊抽鉆孔控制的范圍，因為這些區(qū)域注漿不僅漿液損耗大，而且易于漏漿。

2 數(shù)值分析法確定合理封孔深度

2.1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

以黃陵二號煤礦205輔運(yùn)巷九號聯(lián)絡(luò)巷和十號聯(lián)絡(luò)巷之間的區(qū)域為研究對象。輔運(yùn)巷總長度4 585 m，巷道凈寬5.2 m，凈高4 m，凈斷面20.8 m，工作面煤層平均厚度為3.3 m。模擬巷道頂板離地面高度651.56 m。初始垂直應(yīng)力為自重應(yīng)力。巖石的容重取25 kN/m3，根據(jù)自重應(yīng)力公式求出對應(yīng)垂直應(yīng)力約為16.289 MPa，施加在模型的上部邊界；水平應(yīng)力取各向等值，最終模擬巷道圍巖應(yīng)力分布、應(yīng)變與塑性區(qū)范圍。數(shù)值計算所需巖石力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 工作面巖石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬分析

幾何計算模型底部邊界采用固支，圍巖上方邊界施加垂直地應(yīng)力(16.289 MPa)載荷，左右邊界鉸支。整個模型是以X軸方向長40 m，以Y軸方向長25.16 m的矩形。圍巖塑性區(qū)和圍巖垂直應(yīng)力分布模擬計算結(jié)果如圖1～2所示。

圖1為圍巖塑性區(qū)分布圖。從圖1中可以看出，巷道開挖以后，巖層的圍巖應(yīng)力平衡被打破，圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力分布不均，進(jìn)而產(chǎn)生了不同的塑性變形。圍巖塑性區(qū)主要集中在巷道兩幫煤層中，煤層的硬度及彈性模量相對煤層頂?shù)装遢^??；頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)較小。掘進(jìn)后巷幫塑性區(qū)范圍大約為0～7.83 m，應(yīng)力降低區(qū)范圍約8 m左右。

圖1 圍巖塑性區(qū)分布

圖2為巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，巷道受掘進(jìn)擾動以后，原始圍巖應(yīng)力平衡遭到了破壞，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力在巷道頂、底板和兩幫均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)[1-2]；在巷道兩幫由于應(yīng)力的轉(zhuǎn)移及重新分布，導(dǎo)致在距離巷幫7.83～16.42 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中區(qū)，距離巷幫15 m左右垂直應(yīng)力達(dá)到峰值。

圖2 圍巖垂直應(yīng)力分布

綜上所述，黃陵二號煤礦應(yīng)力降低區(qū)8 m左右，應(yīng)力峰值區(qū)位置距離巷幫15 m左右。結(jié)合合理封孔深度確定原則分析可知，黃陵二號煤礦順層瓦斯預(yù)抽鉆孔封孔合理封孔深度為8～15 m。

3 鉆屑法確定合理封孔深度

3.1 試驗方案設(shè)計

煤層鉆孔的鉆屑量與沿鉆孔方向煤體內(nèi)的應(yīng)力大小成正比關(guān)系，鉆屑量越大，煤體應(yīng)力越大，鉆屑量越小，煤體應(yīng)力越小[3]。所以，通過從鉆屑量的變化規(guī)律分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律。試驗采樣鉆孔與預(yù)抽鉆孔位于同一水平，并且位于相鄰2個抽采鉆孔連線的中點位置。在試驗區(qū)段共布置4個采樣鉆孔，編號分別為1#、2#、3#、4#。采樣過程使用長度為1.5 m的螺紋聯(lián)接麻花鉆桿垂直煤壁打鉆孔，采樣鉆孔距底板距離1.5 m，孔間距3 m，孔深18 m。采樣鉆孔的布置如圖3所示。

圖3 采樣鉆孔布置示意圖

3.2 煤屑采集步驟及方法

鉆屑量法是根據(jù)打鉆過程中鉆孔內(nèi)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)，通過鉆屑法試驗，分析巷道應(yīng)力峰值的位置[4-5]。因此煤屑的采集對試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要。試驗設(shè)備主要包括麻花鉆桿，剪開的編織袋，剪刀，塑料桶，彈簧臺秤，鉗子，鐵絲，卷尺等。在打鉆采樣的過程中，用專用的表格準(zhǔn)確登記各鉆孔每米產(chǎn)生的煤屑量，詳細(xì)觀察并標(biāo)記進(jìn)行每米鉆進(jìn)時鉆孔內(nèi)所出現(xiàn)的動力現(xiàn)象。煤屑具體采集步驟如下：①先用皮尺按設(shè)計在煤壁上標(biāo)出采樣鉆孔的位置，距抽采鉆孔的水平距離為 1.5 m，距離巷道底板的距離為 1.5 m，用白灰做好標(biāo)記；②以所標(biāo)記的位置為中心，在設(shè)計位置處剪出一定大小的圓形區(qū)域，然后把準(zhǔn)備好的袋子在巷道幫底鋪好，為接收煤屑做好準(zhǔn)備；③按照要求開始打鉆孔，每鉆進(jìn) 1.5 m的深度時，煤電鉆要空轉(zhuǎn)1 min，盡量排出鉆孔內(nèi)的鉆屑，然后一人取出編織袋接取鉆屑，另外一人平鋪一個新的編織袋后繼續(xù)鉆進(jìn)；④將接收到的鉆屑全部倒進(jìn)準(zhǔn)備好的塑料桶內(nèi)，用彈簧秤稱量3次，取3次重量的平均值作為鉆屑量的最終測量結(jié)果。

此外，由于巷道煤壁附近的煤體被壓酥，煤體松軟破碎，因此本次試驗以距煤壁300 mm的位置作為鉆屑量法計量深度的起點位置。

3.3 試驗結(jié)果分析

由于鉆屑法主要是利用鉆屑量的變化規(guī)律分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，因此對于判斷應(yīng)力降低區(qū)范圍存在一定的難度。因此筆者在此只討論煤體應(yīng)力集中區(qū)峰值應(yīng)力所在位置。圖4為鉆孔每1.5 m鉆屑量隨孔深變化曲線。從圖中可以看出，鉆屑量隨鉆孔深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢，具有明顯的階段性特征。鉆屑量在 0～11 m這段逐漸增加，11～13.5 m鉆屑量增加較快，最大峰值位置13 m左右鉆屑量出現(xiàn)峰值，在13～15 m鉆屑量逐漸減少。由于鉆屑量隨孔深變化規(guī)律與煤體應(yīng)力分布一致，所以可以得出煤體應(yīng)力在13 m左右達(dá)到應(yīng)力峰值，后逐漸降低，該結(jié)果符合開挖巷道周圍煤體應(yīng)力分布規(guī)律。

圖4 鉆孔每1.5 m鉆屑量隨孔深變化曲線

綜上所述，采用鉆屑法可得到黃陵二號煤礦應(yīng)力峰值區(qū)位置距離巷幫15 m左右。結(jié)合合理封孔深度確定原則分析可知，黃陵二號煤礦順層瓦斯預(yù)抽鉆孔封孔合理封孔深度應(yīng)不超過13 m。

4 合理封孔深度的驗證

圖5 瓦斯?jié)舛人p曲線

通過對205輔運(yùn)巷區(qū)域巖體參數(shù)的選取，運(yùn)用數(shù)值分析方法對巷道周邊圍巖的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，確定205輔運(yùn)巷區(qū)域合理封孔深度為8～15 m；同時運(yùn)用鉆屑法，測得 207膠帶巷應(yīng)力峰值位于巷幫13 m，封孔深度13 m。為了驗證合理封孔深度的適用性，在黃陵二號煤礦205輔運(yùn)巷8～9聯(lián)巷開展了不同封孔深度的本煤層鉆孔封孔試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)封孔深度<13 m時，瓦斯抽采濃度隨著抽采時間的增加逐漸降低，瓦斯?jié)舛人p特征明顯，表明抽采鉆孔質(zhì)量較差，漏氣現(xiàn)象明顯；當(dāng)封孔深度≥13 m時，瓦斯抽采濃度隨抽采時間的增加存在一定的波動，但瓦斯?jié)舛葻o明顯的衰減特征，濃度始終保持在50%左右，表明鉆孔封孔質(zhì)量較好。綜上所述，黃陵二號煤礦順層瓦斯預(yù)抽鉆孔封孔合理封孔深度應(yīng)為13 m。

5 結(jié)語

為解決黃陵二號煤礦瓦斯抽采效率低問題，采用數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，獲得了黃陵二號煤礦順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度。研究結(jié)果表明，為保障黃陵二號煤礦瓦斯抽采效率，順層瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度為13 m。