巷幫“三帶”分布與順層鉆孔封孔深度研究

吳錦旗

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214)

突出礦井區(qū)域防突措施主要包括開(kāi)采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯。受我國(guó)突出煤層賦存條件限制，開(kāi)采保護(hù)層措施僅在30%的礦區(qū)使用。根據(jù)要求，我國(guó)所有突出礦井和高瓦斯礦井均需要采取瓦斯抽采措施。王兆豐等[1]研究了我國(guó)瓦斯抽采存在的問(wèn)題和對(duì)策，認(rèn)為合理封孔深度和封孔質(zhì)量是決定預(yù)抽瓦斯效果的重要因素。劉軍等[2-6]通過(guò)巷幫泄壓帶理論分析、鉆屑量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段綜合確定穿層鉆孔、順層鉆孔的合理封孔長(zhǎng)度。王松等[7-8]認(rèn)為煤層巷道“三帶”分布特征是影響抽采鉆孔封孔深度的重要因素，通過(guò)理論、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定了合理封孔深度。

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3號(hào)煤層為單一可采煤層，原始瓦斯含量為15～26 m3/t，原始瓦斯壓力1.02～1.86 MPa，突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重，預(yù)抽煤層瓦斯是唯一可采取的區(qū)域防突措施。因此，確定適合玉溪煤礦地質(zhì)條件的合理封孔深度成為影響瓦斯抽采效果的重要因素。

1 煤層巷道圍巖“三帶”理論

煤巖體受采掘空間破壞的影響，其原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，內(nèi)部應(yīng)力重新分布，造成煤巖體發(fā)生破裂變形，這種破壞逐步向深部擴(kuò)展，形成巷道圍巖松動(dòng)圈，隨著深度增加直到達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，這時(shí)由外到內(nèi)依次形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶(簡(jiǎn)稱(chēng)為巷道“三帶”)，如圖1所示。

圖1 巷道前方應(yīng)力帶分布示意圖Fig.1 Distribution of stress zone in front of roadway

巷道周邊“三帶”范圍大小是影響巷道支護(hù)、瓦斯抽采鉆孔封孔深度的重要參數(shù)。抽采鉆孔合理封孔深度的確定需分析巷道“三帶”分布以及鉆孔周?chē)后w結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果鉆孔的封孔深度沒(méi)有超過(guò)巷幫的應(yīng)力集中范圍，一是該區(qū)域煤體極為破碎，在抽采負(fù)壓作用下，裂隙會(huì)成為導(dǎo)通外界空氣與抽采管路的通道，大量的抽空導(dǎo)致鉆孔抽采效率極低，抽采濃度較小，影響瓦斯抽采效率；二是鉆孔在應(yīng)力集中區(qū)域極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，孔壁因?yàn)槭Х€(wěn)破壞所形成的煤體顆粒較大，是鉆孔堵塞和破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域。如果在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，封孔深度超過(guò)巷幫應(yīng)力集中區(qū)范圍，不僅有效防止該區(qū)域裂隙發(fā)育，溝通外界空氣與抽采管路，阻斷鉆孔瓦斯抽采泄漏通道，提升瓦斯抽采效率；同時(shí)有效的封孔對(duì)鉆孔孔壁提供了支撐，形成一道應(yīng)力支撐，成為保護(hù)鉆孔的屏障，但是封孔深度過(guò)深，會(huì)造成人力和材料浪費(fèi)以及封孔成本的增加，也會(huì)造成巷道周?chē)后w瓦斯抽采空白帶增加，留下安全隱患。

因此，瓦斯抽采鉆孔封孔的深度應(yīng)進(jìn)入集中應(yīng)力帶，大于集中壓力的峰值。

2 試用礦井抽采概況及存在問(wèn)題

2.1 礦井瓦斯抽采現(xiàn)狀

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采煤層。該礦采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯、定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽條帶、區(qū)段煤層瓦斯的方法作為區(qū)域綜合防突措施，分別對(duì)煤層巷道、接替工作面及回采工作面進(jìn)行區(qū)域消突。

順層鉆孔采用“兩堵一注”的封孔方式，封孔長(zhǎng)度為9 m，封孔時(shí)，在封孔管上孔口及距孔底0.5 m位置各綁扎一個(gè)囊袋；封孔注漿時(shí)先向囊袋內(nèi)注漿，使囊袋鼓起后，中部爆破閥在0.5 MPa壓力時(shí)破裂開(kāi)始向中部注漿。該礦采用先封孔再施鉆的工藝，如圖2所示。

圖2 順層鉆孔封孔示意圖Fig.2 Schematic diagram of borehole sealing along the formation

該礦順層鉆孔接抽負(fù)壓為20 kPa，接抽后初始濃度較大，但衰減周期短，在15 d后濃度即降至30%以下；30 d后濃度降至20%左右，甚至存在濃度小于10%的鉆孔。

2.2 原因及分析

采用鉆孔成像軌跡檢測(cè)裝置對(duì)抽采濃度比較低的鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：1)鉆孔表面存在大量裂隙，證明封孔長(zhǎng)度不足，這是造成鉆孔抽采濃度及抽采量臺(tái)階式下降的主要原因；2)孔壁變形嚴(yán)重，部分鉆孔造成塌孔，堵塞鉆孔的大多為塊煤，存在塌孔堵塞現(xiàn)象，且塌孔位置大多在10 m左右，如果能加長(zhǎng)封孔長(zhǎng)度，能夠有效避免鉆孔塌孔現(xiàn)象，提高抽采效果。

圖3 鉆孔窺視圖Fig.3 Borehole peep view

3 瓦斯含量法測(cè)定巷道“三帶”分布

煤礦井下巷道受采掘影響存在“三帶”分布規(guī)律，一般采用鉆屑法、瓦斯含量法、數(shù)值模擬等方法可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。巷幫“三帶”分布的規(guī)律可以采用鉆孔壓力計(jì)測(cè)定的煤體壓力的變化來(lái)反映，由于瓦斯壓力、瓦斯排放情況等能夠通過(guò)煤層瓦斯含量的大小綜合反映，因此，煤體應(yīng)力“三帶”分布規(guī)律也可以通過(guò)測(cè)定巷幫不同深度煤體的原始瓦斯含量來(lái)測(cè)定。

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

選擇在玉溪煤礦東瓦斯抽放巷進(jìn)行巷道“三帶”現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。東瓦斯抽放巷位于3號(hào)煤層內(nèi)，沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，矩形斷面，凈寬5.5 m，凈高3.5 m，凈斷面19.3 m2，支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)。該施工區(qū)段煤層老頂為中粒砂巖；直接頂為砂質(zhì)泥巖；3號(hào)煤層厚度為5.5～7 m，為黑色，塊狀，內(nèi)生裂隙均發(fā)育，玻璃光澤，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接底為砂質(zhì)泥巖；老底為粉砂巖。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

選擇在東瓦斯抽放巷掘進(jìn)巷道里程750 m處向東幫煤層中間位置施工本次試驗(yàn)的順層鉆孔，隨著試驗(yàn)鉆孔的鉆進(jìn)，每間隔2 m取鉆屑煤樣，并對(duì)煤樣測(cè)試瓦斯含量，煤樣瓦斯含量測(cè)試結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)鉆孔所取煤樣的瓦斯含量隨鉆孔深度變化如圖4所示。

圖4 瓦斯含量隨鉆孔深度變化情況Fig.4 Variation of gas content with drilling depth

表1 瓦斯含量測(cè)定結(jié)果表Table 1 Gas content measurement results

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

分析表1、圖4可以得出，在鉆孔離巷道0～8 m范圍內(nèi)，瓦斯含量在3.15～4.86 m3/t.r，平均為3.80 m3/t.r，瓦斯含量逐漸增加，但低于平穩(wěn)后的瓦斯含量，據(jù)此可判定東瓦斯抽放巷0～8 m的范圍內(nèi)為“泄壓帶”；在鉆孔離巷道8～15 m范圍內(nèi)，瓦斯含量在4.86～7.54 m3/t.r，平均為6.18 m3/t.r，瓦斯含量先增大后減小，且高于平穩(wěn)后的瓦斯含量，據(jù)此可判定東瓦斯抽放巷8～15 m的范圍為“集中應(yīng)力帶”，且12 m附近為應(yīng)力峰值區(qū)域；大于15 m的范圍，瓦斯含量在6.13～4.79 m3/t.r，平均為5.44 m3/t.r，為“原始應(yīng)力帶”。

4 “三帶”的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)對(duì)鉆孔封孔情況及巷道“三帶”分布的分析研究，玉溪煤礦對(duì)東瓦斯第二組之后所有鉆孔封孔工藝進(jìn)行了改進(jìn)。一是將封孔深度由9 m延長(zhǎng)至12.5 m，封孔深度超過(guò)集中應(yīng)力帶應(yīng)力峰值點(diǎn)；二是將孔底囊袋改為石膏封堵抽放管末端，提升注漿壓力至0.7 MPa。改進(jìn)后鉆孔封孔示意圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后鉆孔封孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of improved hole sealing

東瓦斯抽放巷施工鉆孔，每10個(gè)鉆孔為一組，每周對(duì)所有鉆孔的抽采情況進(jìn)行檢測(cè)，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖6 東瓦斯抽放巷鉆孔抽采濃度對(duì)比Fig.6 Comparison of borehole extraction concentration in East Gas Drainage Roadway

通過(guò)圖6可知：1)在改進(jìn)封孔工藝后，第二組、第三組、第四組鉆孔抽采濃度初始較第一組鉆孔分別增加了25.8%、15.2%、19%；2)在改進(jìn)封孔工藝后，第二組、第三組、第四組鉆孔抽采濃度長(zhǎng)時(shí)間處在40%以上，明顯高于第一組，延緩了鉆孔的衰減。采用新的封孔工藝后，3個(gè)月內(nèi)鉆孔平均濃度為53.8%；截至3個(gè)月時(shí)濃度仍維持在40%，實(shí)現(xiàn)了高效抽采。

5 結(jié)論

1)選用瓦斯含量法對(duì)玉溪煤礦東瓦斯抽放巷(煤巷)測(cè)試地點(diǎn)進(jìn)行了煤巷“三帶”分布測(cè)定，測(cè)定結(jié)果表明：距煤巷巷幫0～8 m的范圍內(nèi)為“泄壓帶”；距煤巷巷幫8～15 m的范圍為“集中應(yīng)力帶”，且12 m附近為應(yīng)力峰值區(qū)域；大于15 m的范圍為“原始應(yīng)力帶”，為鉆孔封孔深度奠定了理論基礎(chǔ)。

2)根據(jù)對(duì)鉆孔封孔情況及巷道“三帶”分布的分析研究，玉溪煤礦對(duì)鉆孔封孔工藝進(jìn)行了改進(jìn)，將封孔深度由9 m延長(zhǎng)至12.5 m，封孔深度超過(guò)集中應(yīng)力帶應(yīng)力峰值點(diǎn)；再則將封堵囊袋改為石膏封堵抽放管末端，提升注漿壓力至0.7 MPa。采用新的封孔工藝后，3個(gè)月內(nèi)鉆孔平均濃度為53.8%；截至3個(gè)月時(shí)濃度仍維持在40%，實(shí)現(xiàn)了高效抽采。

3)采用新的封孔工藝，大幅度提高了瓦斯的抽采濃度，延長(zhǎng)了抽放衰減周期，為煤層瓦斯長(zhǎng)時(shí)間預(yù)抽提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了礦井高濃度瓦斯的穩(wěn)定利用，增加了安全保障，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

4)巷道圍巖三帶分布范圍受到埋深、巷道斷面積、巷道形成時(shí)間、鉆孔施工等多方面因素的影響，在后期生產(chǎn)期間應(yīng)加強(qiáng)瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量的統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果及時(shí)檢驗(yàn)和修正巷道三帶分布范圍。