穿層鉆孔封孔深度與封孔工藝優(yōu)化研究

李 凱

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患，瓦斯抽采是煤礦治理瓦斯的根本性措施，目前區(qū)域瓦斯治理主要采用本煤層井下鉆孔預(yù)抽瓦斯，通過(guò)底板抽放巷向臨近煤層施工穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，是區(qū)域性防突的一項(xiàng)重要措施[1-2]。然而，當(dāng)前我國(guó)很多煤礦穿層鉆孔瓦斯抽采濃度普遍較低，除自身地質(zhì)條件復(fù)雜外，還與封孔工藝有關(guān)。特別是鉆孔封孔深度對(duì)于穿層抽采鉆孔尤為重要，若長(zhǎng)度小于巷道塑性區(qū)范圍，則巷道內(nèi)空氣會(huì)通過(guò)圍巖松動(dòng)圈流入鉆孔，形成孔外漏氣[3]；當(dāng)密封長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，封孔材料自身的重力將造成鉆孔前端堵頭被擠出，導(dǎo)致封孔失效而無(wú)法抽采瓦斯，同時(shí)也造成材料浪費(fèi)和封孔成本的增加[4]。因此，選擇合理的鉆孔封孔深度和良好的封孔工藝是實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采的關(guān)鍵所在[5-6]。本文以鶴煤中泰礦4201底抽巷穿層抽采鉆孔為背景，對(duì)其進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

鶴煤中泰礦業(yè)位于鶴壁礦區(qū)北部，所采二1煤層是井田范圍內(nèi)唯一可采煤層，屬煤與瓦斯突出煤層。試驗(yàn)地點(diǎn)選在鶴煤中泰礦4201底板抽放巷，4201底抽巷服務(wù)于該礦四二采區(qū)綜采工作面，四二采區(qū)煤層較為穩(wěn)定，局部有增厚變薄現(xiàn)象，平均煤厚5 m.4201底抽巷地面標(biāo)高+198.8～+189.9 m，底板標(biāo)高-343～-272.5 m，平均埋藏深度502.1 m，巷道總長(zhǎng)202 m，巷道頂板法距二1煤層底板15～20 m.該礦通過(guò)4201底抽巷向四二采區(qū)煤層實(shí)施上向穿層抽采鉆孔，以達(dá)到區(qū)域性防突的目的。

2 穿層鉆孔封孔深度的理論分析

巷道開挖后其周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，圍巖應(yīng)力的大小和方向重新分布，形成破壞區(qū)、塑性軟化區(qū)和彈性區(qū)，本文采用考慮巖體塑性軟化和擴(kuò)容特性的力學(xué)模型[7]對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行分析，并對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行如下假設(shè)：巷道圍巖為均質(zhì)、各項(xiàng)同性、線彈性、無(wú)蠕變或黏性行為；因巷道埋深遠(yuǎn)大于巷道尺寸，巷道可視為處于雙向等壓的靜水壓力狀態(tài)，原巖應(yīng)力設(shè)為P0；巷道斷面內(nèi)的水平和垂直應(yīng)力沿鉆孔長(zhǎng)度方向無(wú)變化；巷道斷面近似看做圓形，半徑設(shè)為R0；巷道長(zhǎng)度一般較大，且圍巖性質(zhì)保持一致，因此可以采用平面應(yīng)變問(wèn)題的方法；巷道開挖后其圍巖應(yīng)力場(chǎng)經(jīng)重新分布后形成半徑為Rb的破壞區(qū)、Rp的塑性軟化區(qū)和Re的彈性區(qū)，塑性軟化區(qū)存在應(yīng)變軟化現(xiàn)象，內(nèi)摩擦角在三個(gè)區(qū)保持不變，塑性軟化區(qū)和破壞區(qū)的煤巖體破壞服從線性摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則[7]。巷道在巖體中開挖后的力學(xué)模型如圖1所示(σθ為圍巖的切向應(yīng)力；σr為圍巖的徑向應(yīng)力)。

根據(jù)巖體塑性軟化和擴(kuò)容特性的力學(xué)模型，巷道圍巖破壞區(qū)及塑性軟化區(qū)半徑有如下計(jì)算公式[7]：

1) 巷道圍巖破壞區(qū)半徑計(jì)算公式：

(1)

2) 巷道圍巖塑性軟化區(qū)半徑計(jì)算公式：

(2)

式中：P0為原巖應(yīng)力，MPa；R0為巷道半徑,m；σc為巖體的峰值強(qiáng)度，MPa；σc為巖體的殘余強(qiáng)度，MPa；Mc為軟化模量；η1為塑性軟化區(qū)擴(kuò)容系數(shù)，η1=(1+sinφ)/(1-sinφ)，其中,φ為巖體的膨脹角,°；Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ)，其中，φ為巖體的內(nèi)摩擦角，°；A=(1+ν)(σRp-P0)/E，其中，ν為巖體泊松比，E為彈性模量，MPa.

由公式(1)、公式(2)可以看出，巷道的塑性軟化區(qū)范圍與原巖應(yīng)力P0，巷道半徑R0，巖體的內(nèi)摩擦角φ、峰值強(qiáng)度σc和軟化模量Mc等參數(shù)有關(guān)。隨著原巖應(yīng)力增大，也就是巷道所處的埋深越深，塑性軟化區(qū)范圍就越大；巖體的內(nèi)摩擦角φ和峰值強(qiáng)度σc的減少，也就是隨著巖體的強(qiáng)度降低，塑性軟化區(qū)范圍將會(huì)增大[7]。當(dāng)巷道周邊的巖體強(qiáng)度承載不了集中應(yīng)力而發(fā)生破壞后，切向應(yīng)力的最大值開始向深部巖體轉(zhuǎn)移，直到巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定后，切向應(yīng)力最大值處于塑性軟化區(qū)和彈性區(qū)交界處。巷道周圍巖體彈塑性應(yīng)力分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 巷道圍巖力學(xué)模型

根據(jù)鶴煤中泰礦4201底板抽放巷現(xiàn)場(chǎng)情況可知，底抽巷平均埋藏深度502.1 m，按平均體積力27 kN/m3計(jì)算出的上覆巖層重量約為12.5 MPa.底抽巷為寬3 m、高4 m的拱形巷道，可簡(jiǎn)化半徑為1.5 m的圓形巷道。將地應(yīng)力場(chǎng)近似看做準(zhǔn)靜水壓力狀態(tài)，可使用考慮塑性軟化和擴(kuò)容特性的力學(xué)模型。由試驗(yàn)區(qū)的地層綜合柱狀圖可知，4201底抽巷處于巖性為中粒砂巖的巖層中，將鶴煤中泰礦勘探期間獲取的巖石力學(xué)參數(shù)代入公式(1)、公式(2)可求出4201底抽巷的巷道圍巖塑性軟化區(qū)范圍。巖石力學(xué)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 巷道圍巖塑性軟化區(qū)半徑

由以上計(jì)算結(jié)果可知，4201底抽巷處于中粒砂巖巖層的塑性軟化區(qū)半徑為6.758 m，考慮到底抽巷上覆巖層巖石力學(xué)參數(shù)較低，且巷道周圍卸壓區(qū)域的大小主要受巷道施工的影響[8]，4201底抽巷塑性軟化區(qū)的范圍應(yīng)比以上結(jié)果要大。根據(jù)不同封孔深度的瓦斯抽采對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，以圍巖壁應(yīng)力集中邊界做為穿層抽采鉆孔封孔深度可取得更好的實(shí)踐效果[9]。因此，4201底抽巷穿層鉆孔理論封孔深度應(yīng)不低于6.758 m.

3 穿層鉆孔封孔深度數(shù)值模擬研究

考慮巖體塑性軟化和擴(kuò)容特性的力學(xué)模型，是基于巖體為均質(zhì)、各向同性的假設(shè)，而實(shí)際巷道圍巖是非均勻巖體在地應(yīng)力場(chǎng)的作用下逐步破壞的非線性過(guò)程，下面將使用考慮巖體介質(zhì)非均勻性和蠕變效應(yīng)影響的RFPA2D數(shù)值模擬軟件，動(dòng)態(tài)模擬分析巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化及塑性區(qū)的范圍和過(guò)程。

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)4201底抽巷圍巖賦存特征建立平面模型。由該礦煤巖層綜合柱狀圖可知，4201底抽巷圍巖自下而上依次為中粒砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤層、砂質(zhì)泥巖，高度分別為9 m、10 m、8 m、5 m和3 m，共35 m.

為防止模型邊界受巷道開挖影響產(chǎn)生誤差，設(shè)定模型尺寸為35 m×100 m，共劃分56 000個(gè)基元，每個(gè)基元尺寸為0.25 m×0.25 m。模型兩側(cè)和底部采用位移約束，豎直方向上施加均布載荷12.5 MPa，模擬上覆巖層重量。設(shè)定模型最初為完整圍巖，在應(yīng)力平衡下開挖巷道(在底抽巷位置開挖一個(gè)寬3 m，高4 m的拱形巷道)，模型共設(shè)置10步的加載步數(shù)，以體現(xiàn)巖體在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力載荷下，受蠕變作用而產(chǎn)生的破壞，第一步僅對(duì)模型加載原巖應(yīng)力場(chǎng)，待模型中的巖體趨于穩(wěn)定后再開挖巷道，以符合實(shí)際施工情況。底抽巷上覆巖層的力學(xué)參數(shù)來(lái)源于煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)以及巖土常用數(shù)據(jù)參數(shù)，數(shù)值模型力學(xué)邊界及力學(xué)參數(shù)如圖2和表2所示。

圖2 力學(xué)邊界幾何模型

表2 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

巷道開挖穩(wěn)定后，圍巖的切向應(yīng)力、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和聲發(fā)射分布情況分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示。由模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，巷道開挖后圍巖的原始應(yīng)力平衡遭到破壞，巷道周圍各項(xiàng)應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移并形成集中應(yīng)力(圖3、圖4、圖5亮度越高區(qū)域代表承載的應(yīng)力越大)，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)巖體的極限強(qiáng)度后發(fā)生破壞(圖3、圖4、圖5基元變黑部分代表巖體發(fā)生破壞)，形成發(fā)育的裂隙。由圖6可以看出，巷道四周一定范圍內(nèi)圍巖發(fā)生破壞，形成圍巖松動(dòng)圈，沿巷道徑向依次出現(xiàn)了破壞區(qū)、塑性區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。

圖3 巷道圍巖切向應(yīng)力分布圖

圖4 巷道圍巖最大主應(yīng)力分布圖

圖5 巷道圍巖最小主應(yīng)力分布圖

圖6 巷道圍巖聲發(fā)射分布圖

為研究巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布情況和塑性區(qū)范圍，沿直線A-A'方向提取圍巖應(yīng)力數(shù)值，以模擬在4201底抽巷向上部煤層施工傾角為60°的穿層鉆孔，幾何模型如圖2所示。經(jīng)數(shù)據(jù)提取擬合后得到距巷幫不同深度的應(yīng)力分布曲線，如圖7所示。

圖7 A-A'切面應(yīng)力分布圖

由圖7可以看出，沿A-A' 方向切向應(yīng)力和最大主應(yīng)力呈現(xiàn)先增大再減小最后趨于平衡的分布規(guī)律，最小主應(yīng)力逐步增大后趨于平衡，符合圖1巷道圍巖力學(xué)模型，由模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可以得出，切向應(yīng)力和最大主應(yīng)力峰值均在8.25 m處，屬于塑性軟化區(qū)和彈性區(qū)交界點(diǎn)，因此，4201底抽巷穿層鉆孔數(shù)值模擬封孔深度應(yīng)不低于8.25 m.

前面根據(jù)考慮塑性軟化和擴(kuò)容特性的力學(xué)模型計(jì)算出的穿層鉆孔理論封孔深度為6.758 m，數(shù)值模擬封孔深度為8.25 m，考慮到實(shí)際巖體受介質(zhì)非均勻性和蠕變效應(yīng)影響，4201底抽巷穿層鉆孔合理封孔深度應(yīng)為8.25 m.

4 工程試驗(yàn)

4.1 穿層鉆孔封孔工藝優(yōu)化方案

針對(duì)徑向強(qiáng)力膨脹法封孔工藝[8]，當(dāng)上向穿層鉆孔封孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)或鉆孔傾角較大時(shí)，封孔材料會(huì)因自身的重力造成鉆孔前端堵頭被擠出，導(dǎo)致封孔效果降低。因此，為防止此類情況發(fā)生，在原徑向強(qiáng)力膨脹法封孔工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分優(yōu)化改進(jìn)。具體方法為：在瓦斯抽采管前端聚氨酯封孔材料下方200 mm處套上2寸膠墊兩個(gè)，每個(gè)膠墊厚度2 mm，膠墊兩端各捆綁封孔棍4根對(duì)膠墊進(jìn)行固定，形成2寸的卡箍，隨后用編織袋纏繞瓦斯抽采管塞入鉆孔內(nèi)，使封孔材料下方形成一道障礙，這樣封孔材料膨脹后在膠墊的固定作用下不會(huì)向下流動(dòng)，而在聚氨酯封孔段進(jìn)行充分膨脹。待聚氨酯封孔材料完全凝固后再?gòu)淖{管向水泥砂漿封孔段進(jìn)行注漿，當(dāng)預(yù)埋返漿管有漿液流出時(shí)，鉆孔內(nèi)漿液已滿，此時(shí)關(guān)閉返漿管繼續(xù)注漿，由于兩端聚氨酯封孔材料的密封，水泥砂漿在壓力作用下會(huì)不斷向鉆孔周圍裂隙進(jìn)行滲透，從而充填鉆孔周圍裂隙。繼續(xù)保持注漿2 min后，待注漿泵壓力達(dá)到2 MPa后，停止注漿并關(guān)閉注漿管球閥，待注漿材料完全凝固完成封孔工作。封孔方法如圖8所示。

圖8 封孔工藝示意

對(duì)封孔工藝的此項(xiàng)改進(jìn)，使聚氨酯封孔材料在瓦斯抽采管兩端起到了很好的密封作用，給帶壓注漿充填鉆孔周圍裂隙創(chuàng)造了條件，大大增強(qiáng)了鉆孔密封質(zhì)量。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)地點(diǎn)選在鶴煤中泰礦4201底抽巷，由該礦抽放隊(duì)在4201底抽巷的27號(hào)和28號(hào)鉆場(chǎng)各實(shí)施3個(gè)穿層鉆孔，其中27號(hào)鉆場(chǎng)3個(gè)鉆孔按照原徑向強(qiáng)力膨脹法封孔工藝實(shí)施，28號(hào)鉆場(chǎng)3個(gè)鉆孔按照改進(jìn)優(yōu)化封孔工藝完成，以方便兩種封孔工藝的效果對(duì)比。封孔深度均取8.25 m，封孔試驗(yàn)持續(xù)觀測(cè)時(shí)間為30 d，觀測(cè)參數(shù)為瓦斯抽采濃度。為方便對(duì)比，選擇兩組鉆場(chǎng)的平均瓦斯抽采濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的帶抽，28號(hào)鉆場(chǎng)3個(gè)鉆孔平均瓦斯抽采濃度達(dá)到68.8%左右，27號(hào)鉆場(chǎng)3個(gè)鉆孔平均瓦斯抽采濃度為40.9%，兩組瓦斯抽采濃度變化曲線如圖9所示。

圖9 兩種封孔工藝的平均瓦斯抽采濃度變化曲線圖

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)優(yōu)化后的封孔工藝比原封孔工藝的平均瓦斯抽采濃度提高了0.68倍，說(shuō)明工藝改進(jìn)后鉆孔密封質(zhì)量得到了顯著提升，鉆孔周圍的裂隙得到了有效封堵充填，并且鉆孔的封孔段長(zhǎng)度覆蓋了巷道塑性軟化區(qū)范圍，從而減少了孔外漏氣，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持了較高的抽采水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 利用考慮巖體塑性軟化和擴(kuò)容特性的力學(xué)模型和考慮巖體介質(zhì)非均勻性和蠕變效應(yīng)的RFPA2D數(shù)值模擬軟件，以鶴煤中泰礦4201底抽巷實(shí)際圍巖參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)底抽巷圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律及塑性軟化區(qū)分布特征進(jìn)行了分析研究，確定4201底抽巷穿層抽采鉆孔合理封孔深度為8.25 m.

2) 對(duì)原徑向強(qiáng)力膨脹法封孔工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在鶴煤中泰礦4201底抽巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，優(yōu)化后封孔工藝比原封孔工藝平均瓦斯抽采濃度提高0.68倍，取得較好的封孔效果，確定了穿層鉆孔封孔深度的合理性。