深部煤層瓦斯抽采鉆孔變形失穩(wěn)區(qū)域研究

張?zhí)靹?，張學(xué)博，2

(1.河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600； 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

煤炭是我國能源的基礎(chǔ)，“富煤、少油、缺氣”的能源結(jié)構(gòu)特點，決定了煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中仍處于絕對主導(dǎo)地位[1-2]。深部開采煤層處于“三高一低”(高地溫、高地應(yīng)力、高瓦斯壓力和低滲透性)多場耦合復(fù)雜的賦存環(huán)境，深部煤層瓦斯災(zāi)害防治必然面臨新的挑戰(zhàn)。鉆孔瓦斯抽采是防治礦井瓦斯災(zāi)害事故的最重要措施之一。抽采鉆孔在深部煤層施工時及抽采過程中，噴孔、塌孔等現(xiàn)象將更加頻繁出現(xiàn)，鉆孔成孔難、大范圍坍塌堵塞導(dǎo)致的鉆孔有效抽采長度及有效抽采斷面難以保障等問題將更加嚴(yán)重。這將嚴(yán)重影響瓦斯抽采效率，極大地限制瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的進程，增大煤炭開采時的瓦斯災(zāi)害風(fēng)險[3-6]。因此，如何有效解決深部開采煤層抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌問題、提高瓦斯抽采效率是急需解決的難題。

研究深部煤層瓦斯抽采鉆孔變形失穩(wěn)區(qū)域，確定抽采鉆孔變形失穩(wěn)位置，對鉆孔失穩(wěn)坍塌區(qū)域的準(zhǔn)確防護、進而解決深部開采煤層抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌問題有著重要意義。

1 抽采鉆孔變形失穩(wěn)區(qū)域分析

抽采鉆孔變形失穩(wěn)坍塌如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌示意Fig.1 Instability and collapse of extraction borehole

巷道的開挖會造成圍巖應(yīng)力重新分布，使其圍巖應(yīng)力存在卸壓區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)3個區(qū)域，如圖2所示。抽采鉆孔施工后，鉆孔部分區(qū)域位于卸壓區(qū)、部分位于應(yīng)力增高區(qū)、部分位于原巖應(yīng)力區(qū)，以下對處于不同應(yīng)力分布區(qū)域的抽采鉆孔變形失穩(wěn)情況進行研究。

圖2 巷幫煤體應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of coal body in roadway

在3個區(qū)域分別取3個研究斷面，其應(yīng)力取值分別為卸壓區(qū)應(yīng)力16.2 MPa(相當(dāng)于埋深600 m)、應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力27.0 MPa(相當(dāng)于埋深1 km)、原巖應(yīng)力區(qū)應(yīng)力21.6 MPa(相當(dāng)于埋深800 m)。數(shù)值模擬得到不同部位鉆孔變形失穩(wěn)情況如圖3所示。由圖3可以看出，不同部位抽采鉆孔的失穩(wěn)情況有較大不同，巷道卸壓區(qū)應(yīng)力較小，沒有達(dá)到鉆孔失穩(wěn)的條件，鉆孔完好，沒有發(fā)生失穩(wěn)；原巖應(yīng)力區(qū)的鉆孔發(fā)生了低程度的失穩(wěn)，在鉆孔頂部發(fā)生了輕微冒落，下部也出現(xiàn)了煤塊剝落現(xiàn)象；應(yīng)力增高區(qū)的鉆孔發(fā)生了嚴(yán)重失穩(wěn)，鉆孔發(fā)生嚴(yán)重坍塌、堵塞。通過監(jiān)測鉆孔孔壁頂?shù)撞考皟蓚?cè)4處位移變化情況可知：巷道卸壓區(qū)鉆孔孔壁上下和兩側(cè)總變形量僅為1.2、0.5 mm，孔徑基本不變，鉆孔形狀依然保持為準(zhǔn)圓形；巷道原巖應(yīng)力區(qū)鉆孔孔壁上下和兩側(cè)總變形量分別為25.1、9.1mm，孔徑縮小不少，鉆孔形狀變?yōu)轭悪E圓形；巷道應(yīng)力增高區(qū)鉆孔孔壁上下和兩側(cè)總變形量分別為102.4、32.4 mm，鉆孔發(fā)生坍塌。

圖3 抽采鉆孔不同部位變形失穩(wěn)情況Fig.3 Deformation and instability of different parts

地質(zhì)因素和鉆孔施工工藝是鉆孔孔壁穩(wěn)定性的主要影響因素，成孔后鉆孔位于巷道圍巖應(yīng)力增高區(qū)的部分最易發(fā)生嚴(yán)重失穩(wěn)坍塌，位于圍巖原巖應(yīng)力區(qū)的部分易發(fā)生輕微變形失穩(wěn)，位于圍巖卸壓區(qū)的部分不易發(fā)生變形失穩(wěn)[7-9]。

郭恒等[10]對鉆孔施工至不同區(qū)域時孔壁穩(wěn)定性也進行了研究，認(rèn)為鉆孔施工至圍巖卸壓區(qū)最容易發(fā)生垮孔，應(yīng)力增高區(qū)中峰值強度附近區(qū)域容易發(fā)生垮孔和噴孔，應(yīng)力增高區(qū)中峰值強度后區(qū)域發(fā)生垮孔和噴孔的概率不大，原巖應(yīng)力區(qū)孔壁相對比較穩(wěn)定。

鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采前要進行封孔，目前一般采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝，封堵漿液可以深入煤體微裂隙內(nèi)，并產(chǎn)生凝聚力與煤體顆粒固結(jié)在一起，有效密封巷道卸壓區(qū)漏氣通道，從而達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的。鉆孔采用此封孔工藝后，卸壓區(qū)鉆孔就不會發(fā)生垮孔等失穩(wěn)現(xiàn)象。

綜上所述，鉆孔成孔后，位于巷道圍巖應(yīng)力增高區(qū)的部分，特別是在應(yīng)力峰值附近，鉆孔容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

2 松軟煤層抽采鉆孔易變形失穩(wěn)區(qū)域計算

根據(jù)彈塑性軟化理論模型，巷道圍巖裂隙區(qū)和塑性區(qū)半徑分別用式(1)、式(2)計算[7]：

Rx=

(1)

Rs=

(2)

(3)

根據(jù)式(1)、式(2)，當(dāng)煤(巖)體參數(shù)取不同值時，可分別得到裂隙區(qū)/塑性區(qū)半徑變化情況，如圖4所示。

圖4 圍巖裂隙區(qū)/塑性區(qū)半徑變化情況Fig.4 Radius variation of fracture and plastic zone of surrounding rock

由圖4可以看出，巷道半徑對圍巖裂隙區(qū)/塑性區(qū)半徑影響較大；圍巖裂隙區(qū)/塑性區(qū)半徑隨著巷道半徑、原巖應(yīng)力的增加呈線性增加趨勢，隨煤(巖)體抗壓強度、內(nèi)摩擦角的增加而逐漸減小。當(dāng)原巖應(yīng)力為27 MPa、巷道半徑為2.5 m、煤體抗壓強度為7.3 MPa、內(nèi)摩擦角為30°時，由式(1)和式(2)可計算出其圍巖裂隙區(qū)、塑性區(qū)半徑分別為8.0、9.28 m。由前面分析可知，此時鉆孔位于巷道圍巖內(nèi)9.28 m左右區(qū)域容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

由鉆孔失穩(wěn)機理分析可知，只要鉆孔周圍煤體承受應(yīng)力超過其強度極限就會發(fā)生失穩(wěn)破壞；而現(xiàn)場實際鉆孔變形失穩(wěn)情況還與巷道采掘擾動、鉆孔施工情況、煤層瓦斯應(yīng)力及地質(zhì)情況有關(guān)，復(fù)雜的地質(zhì)情況、采掘活動的擾動、鉆孔施工工藝的不同，這些因素都會導(dǎo)致煤體應(yīng)力分布不盡相同，這會造成現(xiàn)場鉆孔失穩(wěn)坍塌的部位有所不同；此外，鉆孔封孔后，由于孔口封孔區(qū)域有了支撐，煤體應(yīng)力分布也會隨著封孔長度的不同而有所變化，鉆孔失穩(wěn)坍塌部位與封孔前也有所不同。

現(xiàn)場觀測的鉆孔塌孔情況也證明了這一點，如劉春[11]為了考察松軟煤層瓦斯抽采鉆孔壁變形失穩(wěn)情況，在首山礦工作面進風(fēng)巷采用微型探孔攝像機對瓦斯抽采鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測發(fā)現(xiàn)，127號鉆孔在孔深13 m處發(fā)生孔壁剝落、105號鉆孔在孔深25 m處發(fā)生坍塌。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，確定了抽采鉆孔易失穩(wěn)區(qū)域。不同部位抽采鉆孔的失穩(wěn)情況有較大不同，巷道卸壓區(qū)應(yīng)力較小，鉆孔不易發(fā)生失穩(wěn)；原巖應(yīng)力區(qū)的鉆孔發(fā)生低程度的失穩(wěn)，在鉆孔頂部輕微冒落，下部出現(xiàn)煤塊剝落現(xiàn)象；應(yīng)力增高區(qū)的鉆孔發(fā)生了嚴(yán)重失穩(wěn)，鉆孔發(fā)生嚴(yán)重坍塌、堵塞。

(2)利用彈塑性軟化理論模型，研究巷道圍巖裂隙區(qū)和塑性區(qū)半徑的變化規(guī)律。巷道半徑對圍巖裂隙區(qū)/塑性區(qū)半徑影響較大；圍巖裂隙區(qū)/塑性區(qū)半徑隨著巷道半徑、原巖應(yīng)力的增加呈線性增加趨勢，隨煤(巖)體抗壓強度、內(nèi)摩擦角的增加而逐漸減小。鉆孔位于巷道圍巖內(nèi)9.28 m左右區(qū)域容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

(3)現(xiàn)場實際鉆孔變形失穩(wěn)影響因素眾多，煤體應(yīng)力分布不盡相同，現(xiàn)場鉆孔失穩(wěn)坍塌的部位亦有所不同。研究成果對鉆孔失穩(wěn)坍塌區(qū)域的準(zhǔn)確防護、進而解決深部開采煤層抽采鉆孔失穩(wěn)坍塌問題有著重要意義。