祁南煤礦72煤層順層鉆孔的有效封孔深度研究

文/楊 ?。ɑ幢钡V業(yè)<集團(tuán)>有限責(zé)任公司技術(shù)中心 ）

一、現(xiàn)狀

礦井瓦斯是漫長(zhǎng)地質(zhì)成煤過程中的一種伴生氣體，是造成煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸等災(zāi)害的主要因素，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。煤層瓦斯抽采是消除煤層突出危險(xiǎn)性的直接有效的手段。

淮北礦區(qū)煤質(zhì)松軟，突出煤層地應(yīng)力大、瓦斯壓力大、瓦斯含量高。為消除煤層的突出危險(xiǎn)，順層鉆孔間距通常為2～3m。這樣密集的順層鉆孔不但用于預(yù)抽煤層瓦斯，還用于排出煤粉降低地應(yīng)力。但低滲透性、封孔不合理等因素導(dǎo)致順層鉆孔的抽采效率不太理想，突出表現(xiàn)在瓦斯抽采流量衰減快、濃度低。在鉆孔的服務(wù)期限內(nèi)，鉆孔抽采的瓦斯雖然能夠滿足消除突出危險(xiǎn)的要求，但煤層的殘余瓦斯含量仍然較大，從瓦斯資源開采與利用和煤炭安全開采的角度來說，這些大量施工的順層鉆孔并沒有完全發(fā)揮抽采瓦斯的作用。

順層鉆孔直接進(jìn)入煤層，理應(yīng)獲得高濃度瓦斯，而獲得大量高濃度瓦斯的前提在于有效的封孔?，F(xiàn)今的“兩堵一注”“兩堵兩注”方法在淮北礦區(qū)廣泛應(yīng)用，取得了一定的效果，但也存在一些問題，主要體現(xiàn)在封孔深度上。有的礦井封孔深度達(dá)25m 以上，有的在15m 左右，如何確定順層鉆孔的有效封孔深度，實(shí)現(xiàn)抽采有效性和封孔經(jīng)濟(jì)性的平衡，是迫切需要解決的問題。

本文從淮北礦區(qū)祁南煤礦72煤層的實(shí)際條件出發(fā)，通過理論計(jì)算、鉆孔施工過程的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合巷道瓦斯排放要求，綜合分析確定有效的封孔深度，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。

二、順層鉆孔有效封孔范圍分析

順層鉆孔在煤層巷道內(nèi)施工，煤層巷道導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，進(jìn)而引起巷周煤體裂隙系統(tǒng)、滲透性能的變化。沿徑向不同深度依次處于應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，各區(qū)的滲透性能表現(xiàn)出不同的特征。巷道周圍煤巖體裂隙演化特征及滲透率分布規(guī)律如圖1 所示。

圖1 巷道裂隙及載荷—滲透率分布示意圖

巷道表層小范圍煤體經(jīng)歷過集中應(yīng)力的破壞，僅以殘余強(qiáng)度支撐上部巖體重量，此為破碎區(qū)。該區(qū)域煤體卸荷裂隙極度發(fā)育，靠近巷道使裂隙有充足的膨脹擴(kuò)容空間，裂隙連通性好、開度大，巷道軸向滲透性能與環(huán)向滲透性能處于一個(gè)數(shù)量級(jí)，可全方位滲流，從氣體流動(dòng)角度看破碎區(qū)屬于高度滲流區(qū)。塑性區(qū)內(nèi)煤體承受的應(yīng)力逐漸增加，原本集中應(yīng)力造成的大量煤體裂隙重新壓縮，裂隙連通性和開度減弱，滲透性能逐步降低，但仍高于原始煤體；集中應(yīng)力峰值后的煤體未遭到破壞，雖然發(fā)育有一定數(shù)量的微觀、細(xì)觀裂隙，但是高圍壓約束使得煤體滲透性逐漸降低，并在塑性區(qū)內(nèi)一定范圍（在塑性區(qū)與彈性區(qū)交界）達(dá)到最小值，形成滲流屏蔽區(qū)。經(jīng)過塑性區(qū)后彈性區(qū)（粘彈性區(qū)）的應(yīng)力逐漸降低到原巖應(yīng)力狀態(tài)，其滲透性也逐漸恢復(fù)到原巖狀態(tài)。

從各區(qū)的裂隙發(fā)育和滲透率特征來看，一個(gè)合理的瓦斯抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于巷道圍巖塑性區(qū)厚度，而不僅僅是大于或等于巷道松動(dòng)圈厚度。因此合理確定煤層巷道塑性區(qū)的范圍對(duì)于瓦斯抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度的確定至關(guān)重要。

三、煤層巷道塑性區(qū)的確定

巷道圍巖塑性區(qū)厚度的計(jì)算或測(cè)定的方法有許多種，常見方法包括巷道圍巖塑性區(qū)厚度的彈塑性理論、數(shù)值模擬計(jì)算等方法?；幢钡V業(yè)集團(tuán)祁南煤礦72煤層通過理論計(jì)算、鉆機(jī)響應(yīng)、下篩管反應(yīng)和瓦斯排放幾個(gè)方面綜合確定有效的封孔深度。

1.理論計(jì)算

含瓦斯煤體具有流變的特性，煤層巷道周圍煤體的穩(wěn)定需要時(shí)間，因此塑性區(qū)的范圍是時(shí)間的函數(shù)，通過理論計(jì)算，淮北礦業(yè)集團(tuán)祁南煤礦72煤層的力學(xué)參數(shù)如下：f 值0.3，單軸抗壓強(qiáng)度1.5MPa，殘余強(qiáng)度0.3MPa，內(nèi)摩擦角25°，軟化系數(shù)η1為2.46，軟化系數(shù)η2為1.3，瞬時(shí)剪切模量800MPa，長(zhǎng)期剪切模量400MPa。經(jīng)計(jì)算得到巷道半徑為2m 時(shí)，巷道開挖之后，巷道周圍形成塑性區(qū)半徑17.61m，并且隨著時(shí)間的增加而逐步增大，到第60 天時(shí)基本穩(wěn)定在17.66m。

2.鉆孔施工過程的應(yīng)力變化

順層鉆孔施工時(shí)依序通過破碎區(qū)和塑性軟化區(qū)，各區(qū)之間，甚至各區(qū)之內(nèi)的應(yīng)力變化也是不同的。如圖2 所示，在鉆孔鉆進(jìn)的前6m，鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖所需要的壓力維持在較低水平且略有增加，所需壓力3MPa 左右；鉆進(jìn)相對(duì)容易，推進(jìn)速度也比較快，此間煤體具有破碎區(qū)圍巖的特征。而后，鉆進(jìn)壓力逐漸增加，且在鉆進(jìn)10m 開始迅速增加，表明鉆孔已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)力逐漸增大的塑性區(qū)內(nèi)。鉆孔鉆進(jìn)14～20m 時(shí)，鉆進(jìn)的速度保持穩(wěn)定，壓力也趨于穩(wěn)定；但20m 后鉆進(jìn)速度斷崖式下降60%，這意味著集中應(yīng)力的峰值在14～20m 范圍內(nèi)。鉆進(jìn)20m 后，鉆孔鉆進(jìn)速度較低，鉆進(jìn)壓力緩慢增加，具有原始應(yīng)力帶特征，也可能在粘彈性區(qū)的低應(yīng)力范圍。綜合判斷，集中應(yīng)力峰值在14～20m 之間。

圖2 鉆孔鉆進(jìn)速度與鉆孔鉆進(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系

工作面順層鉆孔施工長(zhǎng)度80m 左右，鉆孔施工完成后向鉆孔內(nèi)放置篩管，篩管進(jìn)入鉆孔17～25m 左右時(shí)阻力明顯增大，篩管難以進(jìn)入。顯然，鉆孔內(nèi)發(fā)生了坍塌或變形，坍塌的煤體散落在鉆孔內(nèi)部，阻礙了篩管向前運(yùn)動(dòng)。后期的實(shí)踐表明，篩管通過17～25m 范圍時(shí)，篩管的推進(jìn)變得輕松、容易，80m 的鉆孔通常能放置長(zhǎng)度70～75m 的篩管，表明祁南煤礦7 煤層的應(yīng)力集中區(qū)可達(dá)距離巷道壁20m。

表1 巷道預(yù)排瓦斯帶寬度值

3.巷道瓦斯排放帶

巷道開挖時(shí)與開挖后，周圍煤體內(nèi)的瓦斯向巷道空間涌出，造成巷道煤壁周圍煤體瓦斯壓力和瓦斯含量的下降，如表1 所示。

h值亦可采用下式計(jì)算：低變質(zhì)煤h=0.808T0.55；高變質(zhì)煤h=（13.85×0.0183T）/(1+0.0183T)

但瓦斯下降的范圍是有限的，封孔的范圍也要考慮巷道周圍煤體瓦斯自然排放的因素。如果封孔深度過大，雖然能夠保障抽采過程中瓦斯不進(jìn)入鉆孔內(nèi)部，但封孔范圍內(nèi)遠(yuǎn)離巷道壁的煤體瓦斯得不到釋放也得不到抽采，因此瓦斯壓力和含量較大，存在安全隱患。

祁南煤礦7 煤層煤質(zhì)為氣肥煤。對(duì)整個(gè)工作面巷道來說，切眼附近煤層巷道的施工最晚，但開采最早，其瓦斯排放的時(shí)間最短。通常情況下，這段煤體的排放時(shí)間在200d 以上，巷道壁煤體的排放范圍可達(dá)19.7m。

綜上，通過理論計(jì)算獲得的塑性區(qū)范圍為17.66m、根據(jù)鉆進(jìn)壓力確定的集中應(yīng)力區(qū)為14～20m，結(jié)合巷道瓦斯有效的排放范圍為19.7m，綜合確定祁南煤礦72煤層順層鉆孔的有效封孔深度為20m。

四、試驗(yàn)效果分析

為了驗(yàn)證上述封孔的有效深度，分別進(jìn)行了封孔深度為15m、20m 和25m 時(shí)的瓦斯?jié)舛茸兓囼?yàn)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同封孔深度下的抽采瓦斯?jié)舛?/p>

測(cè)試時(shí)，鉆孔直徑、抽采負(fù)壓、封孔方式相同，而且鉆孔內(nèi)部預(yù)置了篩管。從測(cè)定結(jié)果看，三種情況下瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔?shì)是相同的，即封孔初期可保持80%甚至90%以上的濃度，而后逐漸下降，但其下降的速率差別較大。封孔深度為15m 的鉆孔瓦斯?jié)舛认陆捣茸畲笄易羁?，封孔深?0m 的次之，而封孔深度25m 的下降幅度最小且最慢。就瓦斯?jié)舛鹊南陆捣葋碚f，封孔深度20m 和25m 的區(qū)別不大，這表明封孔深度20m 是合理的。

五、結(jié)論

巷道周圍彈性范圍與塑性范圍交界的集中應(yīng)力區(qū)滲透性降低，是阻礙外部空氣進(jìn)入的天然屏障，通過“兩堵兩注”封堵孔邊裂隙和巷道裂隙，配合自然屏障，能實(shí)現(xiàn)有效的封孔；祁南煤礦72煤層通過理論計(jì)算獲得的塑性區(qū)范圍為17.66m、根據(jù)鉆進(jìn)壓力確定的集中應(yīng)力區(qū)為14～20m，結(jié)合巷道瓦斯有效的排放范圍為19.7m，綜合確定祁南煤礦72煤層順層鉆孔的有效封孔深度為20m。