鉆孔新型封孔方法與封孔深度研究

蘇三星，李 博，李 哲

(1.河南能源化工集團(tuán)鶴煤公司 八礦，河南 鶴壁 451000； 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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000)

目前我國(guó)礦井瓦斯抽采大部分鉆孔漏氣嚴(yán)重，抽采管路中瓦斯?jié)舛认陆笛杆俣后w瓦斯并未被有效抽出。瓦斯抽采不僅是預(yù)防煤與瓦斯突出的主要方法[1]，瓦斯的有效利用對(duì)環(huán)境保護(hù)也有著重要的意義[2]。合理的封孔參數(shù)是封孔質(zhì)量的關(guān)鍵，目的是保證對(duì)煤巖層原生與巷道圍巖卸壓變形產(chǎn)生的次生裂隙的密封。鉆孔圍巖破裂規(guī)律基本與巷道相同，鉆孔軸向上每點(diǎn)的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力趨近于該點(diǎn)巷道側(cè)壁應(yīng)力。為分析方便，將煤巷輪廓視為圓形截面，圖1是巷道與鉆孔疊加應(yīng)力分布圖。

隨著鉆孔鉆進(jìn)深度的不同，在巷道集中應(yīng)力區(qū)內(nèi)，鉆孔周圍徑向應(yīng)力產(chǎn)生先增大然后再減小的過程，徑向應(yīng)力向深部逐漸增加，兩種應(yīng)力共同作用造成鉆孔軸向方向沿孔深形成不同的平衡半徑。根據(jù)巷道壁向深部延伸的距離可以分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。破碎區(qū)受到巷道采動(dòng)直接卸壓影響，破裂嚴(yán)重，基本不承載應(yīng)力；塑性區(qū)內(nèi)裂隙較為發(fā)育，形成了眾多漏氣通道，因此，封孔位置盡量錯(cuò)過兩個(gè)影響劇烈區(qū)域[3]。

1 鉆孔圍巖裂隙影響范圍研究

1.1 裂隙發(fā)育數(shù)值模擬

為了分析裂隙影響范圍，確定合理的封孔深度，以鶴壁煤業(yè)八礦3202工作面為研究對(duì)象，應(yīng)用RFPA2D數(shù)值模擬軟件，分析巷道及鉆孔掘進(jìn)過程中圍巖煤體的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力變化，以及裂隙發(fā)育的范圍和過程[4]，得出巷道和鉆孔的采動(dòng)影響范圍，巷道與鉆孔共同影響下的裂隙區(qū)域。為了減小模擬結(jié)果的誤差，模型采用約十倍卸壓范圍大小尺寸，設(shè)定模型處于靜水壓力狀態(tài)，模擬埋深為500 m時(shí)的壓力狀態(tài)。根據(jù)埋深煤層上覆巖層的重量為13 MPa，所以模擬時(shí)水平和垂直方向各施加13 MPa應(yīng)力，對(duì)邊界采用雙向等壓均布載荷加載。本次模擬建立兩個(gè)正方形模型，分別模擬拱形巷道及鉆孔共同采動(dòng)應(yīng)力影響范圍和鉆孔單獨(dú)施工卸壓區(qū)域，模型尺寸為40 m×40 m，一共分為250 000個(gè)單元格，每個(gè)單元格80 mm×80 mm。數(shù)值模型見圖2。所需的力學(xué)參數(shù)如表1。

圖1 巷道與鉆孔疊加應(yīng)力分布

圖2 力學(xué)數(shù)值模型

力學(xué)參數(shù)3202巷道煤體均質(zhì)度/m2.5彈性模量均值E0/MPa1 520抗壓強(qiáng)度均值σ0/MPa5泊松比μ0.28內(nèi)摩擦角φ/(°)28容重/(N·mm-3 )1.4×10-5壓拉比10

1.2 模擬結(jié)果分析

巷道以及抽采孔的施工模擬中分為兩部分進(jìn)行，最終分析共同開挖的模擬結(jié)果，如圖3-6所示。

圖3 巷道施工完成后聲發(fā)射

圖4 巷道施工完成后切向應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布

為了分析巷道及鉆孔開挖對(duì)煤體圍巖應(yīng)力的影響，選擇鉆孔直徑的軸向截面分析巷道兩側(cè)的應(yīng)力。如圖7和圖8所示。

圖7-8中系列1是原巖應(yīng)力，系列2、3分別為巷道和抽采孔施工后應(yīng)力變化，橫坐標(biāo)表示單元體個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示應(yīng)力大小。圖中表明，由于巷道的開挖和抽放孔的鉆進(jìn)，破壞了原始應(yīng)力場(chǎng)，周邊圍巖中應(yīng)力發(fā)生變化。從巷道及抽采孔施工后各自聲發(fā)射可以看出，巷道周圍應(yīng)力變化明顯區(qū)域范圍不大，抽采孔開挖并沒有增加巷道卸壓區(qū)域，僅是在鉆孔周圍有較為突出的應(yīng)力降低，影響區(qū)域很小。

由圖7-8能夠看出，由于巷道及鉆孔的施工，兩個(gè)主應(yīng)力都發(fā)生明顯變化，最小主應(yīng)力的變化最大。在巷道壁面外側(cè)相距8m左右的范圍內(nèi)還有明顯的應(yīng)力擾動(dòng)，應(yīng)力的劇烈影響范圍可達(dá)到16.5 m，再往圍巖深處延伸，應(yīng)力基本恢復(fù)至原巖應(yīng)力?？傻贸鱿锏乐車秹簠^(qū)域的大小主要受巷道施工的影響。

圖5 巷道及抽采孔施工完成后聲發(fā)射

圖6 巷道及抽采孔施工完成后應(yīng)力分布

2 蠕變效應(yīng)影響下裂隙發(fā)育范圍

煤體屬于強(qiáng)度較低的松軟巖石，在采掘?qū)嶋H中，巖石本身會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生一定的變形位移，此時(shí)，巷道及鉆孔周圍的應(yīng)力不發(fā)生改變，這種應(yīng)力保持不變但是應(yīng)變隨時(shí)間改變的過程被稱之為蠕變[5]。

圖7 最小水平主應(yīng)力

圖8 最大水平主應(yīng)力

2.1 彈性區(qū)應(yīng)力及發(fā)育范圍

由于彈性區(qū)應(yīng)力是與塑性區(qū)半徑有關(guān)的變量公式，因此，分析彈性區(qū)應(yīng)力時(shí)選擇Poynting-Thomson模型，彈性方程為：

(1)

彈塑性區(qū)交界面應(yīng)力為常數(shù)，令所求的點(diǎn)r=ar2(t),a為比例系數(shù)，r2(t)為隨時(shí)間而變的塑性區(qū)半徑。隨塑性區(qū)半徑變化的點(diǎn)，應(yīng)力狀態(tài)不隨時(shí)間變化，因此上式中應(yīng)力速率為零，且平均應(yīng)變及平均應(yīng)變速率均為零，再令τG0=ηretG∞，ηret=τG0/G∞(延遲時(shí)間),則上式可以化為：

(2)

在軸對(duì)稱條件下，彈性區(qū)體積變形為0，則有：

(3)

式中：εm是平均應(yīng)變；u為位移，通過解上式可以得到：

(4)

令式(3)中r=r2(t),有：

(5)

將式(5)帶入式(2)，考慮σr=σr2=q(1-sinφ)-Ccosφ,得到：

(6)

(7)

將上式分別代入(2)、(4)、(5)，得到彈性區(qū)應(yīng)力和位移：

(8)

此時(shí)，r的數(shù)值大于r2。

2.2 塑性區(qū)應(yīng)力及發(fā)育范圍

根據(jù)摩爾-庫倫塑性條件,將塑性區(qū)靜力平衡方程化為：

(9)

(10)

由(10)得：

(11)

兩邊積分后得：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

圍巖的性質(zhì)決定了，彈性區(qū)和塑性區(qū)接合面應(yīng)力為常數(shù)，不隨塑性區(qū)范圍和支護(hù)抗力變化，則支護(hù)抗力計(jì)算為：

將塑性圈外壁徑向和切向應(yīng)力代入塑型圈半徑并合并求解得出：

(17)

設(shè)塑性區(qū)應(yīng)變?yōu)?，則塑性區(qū)位移：

(18)

當(dāng)r=r2(t)，上式可化為：

(19)

此時(shí)公式中r的數(shù)值小于r2。當(dāng)r=r2，推出隨時(shí)間變化的塑性區(qū)范圍：

(20)

支護(hù)抗力與塑性區(qū)變形呈現(xiàn)反比例關(guān)系，考慮最不利情況，選擇無支護(hù)抗力的存在，則：

r2=

(21)

式中，考慮原巖應(yīng)力q，為下文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)做理論準(zhǔn)備。選擇八礦3202工作面運(yùn)輸巷實(shí)際數(shù)據(jù)，埋深500 m的應(yīng)力13 MPa，強(qiáng)度減弱系數(shù)為δ=0.37，Kp是1.5倍的原巖應(yīng)力，k為松弛時(shí)間，約是1 h，巷道寬度選擇為4.2 m，帶入上式，得到支護(hù)力為零的情況下巷道周圍塑性區(qū)隨時(shí)間變化的關(guān)系。如圖9。

圖9 塑性區(qū)寬度隨時(shí)間的變化

圖9顯示，巷道初期形成時(shí)間內(nèi)，塑性區(qū)范圍擴(kuò)展迅速；在100 d以后，開始發(fā)展緩慢，經(jīng)過100～150 d的緩慢發(fā)展期，塑性區(qū)范圍基本趨于穩(wěn)定，大致發(fā)育時(shí)間在200 d左右。從巷道圍巖壁面開始，塑性區(qū)范圍為6.9 m左右。對(duì)于受巷道影響的鉆孔，單純從塑性破壞區(qū)而言，封孔距離至少應(yīng)在6.9 m以上。

圖10 彈性區(qū)寬度隨時(shí)間的變化

同時(shí),可以得到巷道周圍彈性區(qū)范圍，如圖10。彈性區(qū)發(fā)展時(shí)間跟塑性區(qū)一樣，呈現(xiàn)一個(gè)快速發(fā)展再逐漸變緩的趨勢(shì)，最終范圍大約是17.7 m左右。對(duì)于受巷道影響的鉆孔，單純從彈塑性區(qū)域而言，最佳封孔長(zhǎng)度距離至少應(yīng)在10.8 m。

結(jié)合前文對(duì)鶴壁八礦實(shí)際裂隙影響區(qū)域的數(shù)值模擬，可以確定合適的封孔深度，封孔起始位置：鉆孔孔口向里6.9 m以上，合理的最長(zhǎng)封孔長(zhǎng)度為10.8 m，再增加封孔長(zhǎng)度無益。

3 現(xiàn)場(chǎng)封孔試驗(yàn)

3.1 封孔裝置介紹

基于原徑向膨脹封孔技術(shù)[6]，做了部分改進(jìn)。封孔裝置包括瓦斯抽采管和瓦斯抽采花管，瓦斯抽采花管后端與瓦斯抽采管前端連接，瓦斯抽采管外段設(shè)有圓環(huán)形的前固定擋板、前移動(dòng)擋板、后移動(dòng)擋板和后固定擋板，前固定擋板和前移動(dòng)擋板之間設(shè)有前橡膠變形筒體，后移動(dòng)擋板和后固定擋板之間設(shè)有后橡膠變形筒體，前、后移動(dòng)擋板前面設(shè)有后橡膠墊，瓦斯抽采管外部在前橡膠墊和后橡膠墊之間設(shè)有封孔混合液包，前橡膠墊的外邊沿向后折彎形成盤狀結(jié)構(gòu)，后橡膠墊的外邊沿向前折彎形成盤狀結(jié)構(gòu)，便于將徑向強(qiáng)力膨脹抽采封孔裝置固定到鉆孔內(nèi)。在前固定擋板和后固定擋板的阻擋下，前移動(dòng)擋板和后移動(dòng)擋板分別推動(dòng)前橡膠變形筒體和后橡膠變形筒體產(chǎn)生徑向變形，推動(dòng)封孔液向裂隙滲透，對(duì)鉆孔壁裂隙起到良好的封堵作用。如圖11。

圖11 封孔裝置示意

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在鶴煤八礦3202工作面運(yùn)輸巷，該區(qū)域平均煤厚6.8 m，煤層傾角23～26°；煤層底板標(biāo)高-320～-480 m，地面標(biāo)高為+138.8 m，埋藏深度458.8～618.8 m。垂直煤層透氣性系數(shù)為3.60～7.15 m2/(MPa2·d)，瓦斯含量為6～10 m3/t。

抽采鉆孔均為本煤層順層鉆孔，由工作面運(yùn)輸巷向煤體打鉆。鉆孔開孔處位于巷道上幫，垂直于巷道幫，坡度為23～26°，鉆場(chǎng)處煤體未受采動(dòng)影響，鉆孔間距3 m。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在3202工作面進(jìn)行封孔技術(shù)對(duì)比試驗(yàn)。共實(shí)施試驗(yàn)鉆孔12個(gè)，封孔試驗(yàn)持續(xù)觀測(cè)時(shí)間40 d，觀測(cè)參數(shù)為混合抽采流量和抽采濃度。為了便于與原來使用的聚氨酯和水泥漿聯(lián)合封孔對(duì)比，選擇平均抽采濃度和平均抽采純量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果對(duì)比如圖12和圖13。

由圖12、13可以看出，徑向膨脹法與原有聚氨酯封孔法相比，雖然兩種工藝整體的平均抽采濃度都隨著時(shí)間呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，但是，采用徑向膨脹法的抽采濃度、抽采純量整體比聚氨酯高，平均單孔抽采濃度提高了72%，抽采純量增加了59.7%?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，徑向膨脹密封工藝的鉆孔抽采濃度與原聚氨酷封孔相比有較大幅度提高，長(zhǎng)效性顯著。

圖12 兩種封孔方法平均抽采濃度統(tǒng)計(jì)

圖13 兩種封孔方法平均抽采純量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

1) 通過對(duì)巷道及鉆孔圍巖特性應(yīng)力分布理論分析，結(jié)合數(shù)值模擬研究，確認(rèn)巷道周圍裂隙發(fā)育區(qū)主要受巷道采動(dòng)影響，綜合考慮鶴壁八礦3202煤巷的實(shí)際數(shù)據(jù)，巷道彈塑性區(qū)以及圍巖變形的蠕變效應(yīng)對(duì)圍巖裂隙發(fā)育區(qū)域的影響，確定封孔起始位置6.9 m，合理的最長(zhǎng)封孔長(zhǎng)度為10.8 m，再增加封孔長(zhǎng)度無益。

2) 選擇平均單孔瓦斯抽采濃度，平均單孔瓦斯抽采純流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比兩種封孔工藝下瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化，確定徑向膨脹法平均單孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純流量與原封孔技術(shù)相比，分別提高了72%和59.7%，取得了良好的封孔效果。