低透氣性軟煤層瓦斯抽采鉆孔封孔參數(shù)的確定

郝瑞云

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 山西 太原 030002)

目前，我國(guó)瓦斯治理普遍采用順層平行長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯[1-2]. 在低透氣性松軟煤層，抽采鉆孔采用密集布置，因封孔密封性差，鉆孔瓦斯流量衰減快，導(dǎo)致抽采瓦斯流量小、瓦斯?jié)舛鹊?，造成抽采效果不佳[3-5]. 尤其在松軟煤層中由于鉆孔圍巖受二次應(yīng)力作用，導(dǎo)致鉆孔圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重，與煤壁裂隙貫通，與外部環(huán)境聯(lián)通形成導(dǎo)氣通道。外部氣體在聯(lián)孔高負(fù)壓作用下沿裂隙通道滲入鉆孔內(nèi)，造成瓦斯抽采濃度低，同時(shí)封孔難度增加，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。因此，提高鉆孔密封性及瓦斯抽采濃度成為低透氣性松軟煤層亟待解決的工程難題[6].

以霍爾辛赫礦3#煤層為背景，為提高鉆孔瓦斯抽采效果，對(duì)軟煤順層瓦斯抽采鉆孔封孔參數(shù)進(jìn)行研究，采用數(shù)值模擬及理論計(jì)算，分析鉆孔破壞變形規(guī)律，確定最優(yōu)封孔參數(shù)。

1 工程概況

霍爾辛赫礦3#煤層埋深 550 m左右，煤層平均厚度5.6 m，構(gòu)造較簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定煤層。鉆孔d113 mm，計(jì)算建模尺寸為長(zhǎng)286 m×寬5 m×高86 m，模型共35 800個(gè)單元體，26 000個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。煤層鉆孔采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，模擬鉆孔在等圍壓作用下變形破壞特性。上覆巖層重量由模型頂部施加均布載荷實(shí)現(xiàn)，其余邊界設(shè)置為固定邊界。

表1 巖石物理力學(xué)表

2 數(shù)值模擬分析

2.1 鉆孔應(yīng)力模擬分析

鉆孔垂直應(yīng)力云圖與監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖1. 從圖1a)可以看出，鉆孔垂直應(yīng)力分散在其四周，呈上下、左右對(duì)稱式分布，垂直應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生在鉆孔左右兩側(cè)，鉆孔上下為卸壓區(qū)。從圖1b)可以看出，鉆孔左右兩側(cè)垂直應(yīng)力上升區(qū)為0～0.25 m，最大應(yīng)力峰值為15.6 MPa，垂直應(yīng)力下降區(qū)為0.25～0.5 m，應(yīng)力下降為11.7 MPa后保持穩(wěn)定不變。

圖1 鉆孔垂直應(yīng)力云圖及監(jiān)測(cè)曲線圖

鉆孔水平應(yīng)力分布云圖及水平應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖2. 從圖2a)可以看出，鉆孔在等圍壓作用下水平應(yīng)力呈四周分散狀，上下、左右對(duì)稱式分布，水平應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生在鉆孔上下兩側(cè)，鉆孔上下為卸壓區(qū)。從圖2b)可以看出，鉆孔左右兩側(cè)水平應(yīng)力卸壓區(qū)為0～0.5 m，水平應(yīng)力急劇增加至10.6 MPa后，保持穩(wěn)定不變。

圖2 鉆孔水平應(yīng)力云圖及監(jiān)測(cè)曲線圖

2.2 鉆孔位移模擬分析

鉆孔垂直位移云圖及位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖3. 從圖3a)可以看出，鉆孔垂直位移呈上下、左右對(duì)稱式分布，受上下垂直應(yīng)力作用影響圍巖破碎嚴(yán)重，影響范圍是鉆孔直徑的5～6倍。從圖3b)可以看出，位移量沿鉆孔徑向逐漸減少，在距離鉆孔壁0～0.18 m位移量變化速率較快，位移有增大趨勢(shì)，最大位移量為2.88 mm，在0.18～0.5 m位移量變化緩慢，位移量逐漸減少，在0.5 m以外位移量保持恒定。

圖3 鉆孔垂直位移云圖及位移監(jiān)測(cè)曲線圖

鉆孔水平位移云圖及位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖4. 從圖4a)可以看出，鉆孔水平位移呈上下、左右對(duì)稱式分布，受水平應(yīng)力作用左右兩側(cè)圍巖破壞較為嚴(yán)重，最大水平位移量為2.88 mm，上下兩側(cè)無(wú)明顯變化。從圖4b)可以看出，水平位移量沿鉆孔徑向逐漸減少，在距離鉆孔壁0～0.18 m位移量急劇降低，在0.18～0.5 m位移量變化緩慢，在0.5 m以外位移量保持恒定。

圖4 鉆孔水平位移云圖及位移監(jiān)測(cè)曲線圖

通過(guò)模擬鉆孔圍巖煤體受力變形破壞特征，分析鉆孔圍巖應(yīng)力及位移變化，認(rèn)為鉆孔周圍0.18～0.5 m為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值點(diǎn)在0.25 m處出現(xiàn)。研究得出鉆孔圍巖松動(dòng)圈分布為距孔壁0～0.18 m為破碎區(qū)，0.18～0.25 m為塑性區(qū)，0.25～0.5 m為彈性區(qū)。

3 封孔合理參數(shù)計(jì)算

3.1 封孔深度

霍爾辛赫煤層賦存深度H=550 m，上覆巖層容重r=2 500 kN/m3，通過(guò)計(jì)算確定巷道圍巖原始應(yīng)力po=rh=13.75 MPa，內(nèi)聚力c=1 MPa，內(nèi)摩擦角φ=20°，修正系數(shù)取 1.5. 將參數(shù)帶入圍巖裂隙分布公式計(jì)算，可確定巷道圍巖內(nèi)破碎區(qū)半徑RS=3.1 m、塑性區(qū)半徑RS=6.21 m，彈性區(qū)半徑RS=12.42 m.

通過(guò)計(jì)算確定巷道圍巖松動(dòng)圈分布塑性區(qū)半徑為6.21 m，彈性區(qū)半徑為12.42 m，鉆孔封孔深度應(yīng)滿足覆蓋塑性區(qū)延伸至彈性區(qū)，封孔范圍為6～12 m. 《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中規(guī)定本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔深度不低于8 m，按照同比例的富余系數(shù)計(jì)算，確定現(xiàn)場(chǎng)封孔深度取值為8～16 m.

3.2 壓裂深度

根據(jù)霍爾辛赫3#煤層巷道實(shí)際賦存條件，煤層平均厚度5.6 m，鉆孔d113 mm，鉆孔應(yīng)力場(chǎng)按照各向等壓計(jì)算為11.25 MPa，煤內(nèi)聚力為c=0.24 MPa，內(nèi)摩擦角為φ=30°，修正系數(shù)1.3. 將參數(shù)帶入圍巖裂隙分布公式計(jì)算，可確定鉆孔圍巖松動(dòng)圈分布范圍，煤體破碎區(qū)半徑RS=0.17 m、塑性區(qū)半徑RS=0.2 m及彈性區(qū)半徑Re=0.4 m. 注漿密封應(yīng)深入鉆孔塑性區(qū)延伸至彈性區(qū)，確定合理壓裂深度取值為0.2～0.4 m. 為保證注漿封孔效果能夠滲入鉆孔圍巖發(fā)育裂隙當(dāng)中形成密封層，余量系數(shù)取1.25，確定現(xiàn)場(chǎng)封孔壓裂深度取值為0.25～0.5 m.

3.3 注漿參數(shù)

1) 注漿壓力確定。

為保證注漿漿液在圍巖裂隙中形成密封層，按照漿液擴(kuò)散范圍覆蓋鉆孔圍巖塑性區(qū)，注漿擴(kuò)散半徑根據(jù)公式按最大值計(jì)算[7]：

式中：

Pg—注漿壓力，MPa；

t—注漿時(shí)間，s，取900；

γg—注漿半徑，cm，取63；

RZ—鉆孔半徑，mm，帶壓注漿取60；

ω—裂隙張度，cm，取0.04；

r—漿液黏度，MPa·s，取40.

由公式可確定注漿壓力為1.3～1.5 MPa.

2) 注漿量確定。

注漿量對(duì)封孔效果產(chǎn)生直接影響。注漿量分為3部分：充填鉆孔圍巖裂隙注漿量、圍巖壓裂注漿量及鉆孔封孔注漿量。注漿量根據(jù)公式計(jì)算[8]：

式中：

Vk—鉆孔漿液體積，m3；

Vt—裂隙漿液體積，m3；

Vf—壓裂漿液體積，m3；

Vg—封孔漿液體積，m3；

r—鉆孔體積擴(kuò)大系數(shù)，取1.3；

RZ—鉆孔半徑，mm，取60；

rc—篩管半徑，mm，取25；

L—封孔深度，m，取8～16；

hf—壓裂半徑，mm，取12；

B—鉆孔封孔段縫槽數(shù)量，一般取 1～3；

rg—裂隙半徑，m，取0.025；

ω—壓裂體積修正系數(shù)，取1.2；

φ—漿液余量系數(shù)，取1.2；

θ—漿液裂隙體積系數(shù)，取0.25.

通過(guò)公式計(jì)算確定最優(yōu)封孔參數(shù)取值范圍，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行封孔作業(yè)時(shí)，封孔深度控制在8～16 m，封孔壓裂深度控制在0.25～0.5 m，注漿壓力控制在1.3～1.5 MPa，注漿量控制在 0.25～0.4 m3.

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)模擬鉆孔圍巖煤體受力變形破壞特征，分析鉆孔圍巖應(yīng)力及位移變化，認(rèn)為鉆孔周圍0.18～0.7 m為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值點(diǎn)在0.25 m處出現(xiàn)。得出鉆孔圍巖距孔壁0～0.18 m為破碎區(qū)，0.18～0.25 m為塑性區(qū)，0.25～0.5 m為彈性區(qū)，推出鉆孔圍巖裂隙發(fā)育深度為距孔壁0～0.25 m.

2) 通過(guò)分析鉆孔圍巖松動(dòng)圈分布情況及理論計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定最優(yōu)封孔參數(shù)取值區(qū)間，得出最優(yōu)的封孔深度為8～16 m，壓裂深度為0.25～0.5 m，注漿壓力為1.3～1.5 MPa，注漿量為0.25～0.4 m3.