瓦斯抽采順層鉆孔封孔材料及深度優(yōu)化研究

郭松 袁東 劉淵

摘?要：為提高保證順層鉆孔抽采瓦斯效率，基于摩爾庫倫準則，分析了巷道及鉆孔周圍煤巖體破裂區(qū)及塑性區(qū)分布情況，借助COMSOL?Multiphysics數(shù)值模擬軟件建立了三維順層鉆孔瓦斯抽采模型，以瓦斯壓力小于0.74MPa為有效抽采區(qū)域，分析了不同封孔材料下有效抽采區(qū)域變化。研究表明：巷道或鉆孔開挖后主要注漿加固區(qū)域為破裂區(qū)與塑性區(qū)，通過了理論分析得出了該工作面的封孔深度為8.5m，注漿半徑為0.75m；以數(shù)值模擬聚氨酯及超細水泥基材料封孔處理后瓦斯抽采10d、30d、60d、90d后抽采區(qū)域體積為判斷，超細水泥基瓦斯抽采效率高于聚氨酯材料41%、36%、33%、34%，幅度隨抽采天數(shù)逐漸降低，最終穩(wěn)定在33%左右，得出了最佳封孔參數(shù)為封孔深度為8.5m，注漿半徑為0.75m，注漿材料為超細水泥基封孔材料，研究順層鉆孔封孔深度及封孔材料優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：順層鉆孔；封孔材料；參數(shù)優(yōu)化；數(shù)值模擬

煤炭是我國的主體能源，是我國持續(xù)發(fā)展不可缺少的重要支撐［12］。我國西南地區(qū)煤炭儲量豐富，但煤炭賦存條件較差，煤炭的開采常伴隨著煤層瓦斯的解吸釋放，使礦井常發(fā)生瓦斯突出災(zāi)害，嚴重影響了礦井的安全、高效生產(chǎn)，同時瓦斯也是一種可利用的清潔能源，因此，礦井瓦斯的抽采作業(yè)是保證煤炭綠色開采的重要前提。順層鉆孔是瓦斯高效抽采的主要方式之一，然而，由于順層鉆孔布置在煤層當(dāng)中，鉆孔易受煤層采動影響導(dǎo)致鉆孔穩(wěn)定性較差，為保證鉆孔的高效抽采，選擇合適的封孔材料并對鉆孔易失穩(wěn)段進行封孔，提高鉆孔孔周煤巖體強度，對保證瓦斯的高效抽采具有重要意義。

選擇合理的順層鉆孔封孔材料能有效提高鉆孔孔周煤巖體穩(wěn)定性，減少孔周煤巖體漏氣通道。郝晉偉［3］分析了瓦斯在煤體中的滲流效應(yīng)，得到了順層鉆孔抽采瓦斯過程中孔周煤體的裂隙發(fā)育規(guī)律，研制了新型密封材料。郭鑫［4］設(shè)計了響應(yīng)面正交實驗，得出了各個材料相互作用的影響程度，研制出了高性能的封孔材料。選用合理的順層鉆孔封孔材料后，需對鉆孔的準確封孔深度進行研究，若封孔深度過大，易降低煤巖體深度瓦斯的解吸量，導(dǎo)致鉆孔抽采難以達到瓦斯抽采標(biāo)準；若封孔深度過小，導(dǎo)致鉆孔穩(wěn)定性降低，鉆孔易塌孔，會導(dǎo)致鉆孔孔周重新產(chǎn)生漏氣通道，降低了瓦斯抽采效率。齊慶杰等［5］分析了順層鉆孔孔周瓦斯等流體的壓力及流速規(guī)律，得到了鉆孔最佳封孔深度及瓦斯抽采負壓。許克南［6］得到了孔周煤巖體彈性區(qū)、塑性區(qū)、破裂區(qū)應(yīng)變解析式，得到了順層鉆孔封孔深度解析式。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對提高瓦斯抽采效率的措施做了大量研究，得出了巷道圍巖應(yīng)力場部分及鉆孔孔周應(yīng)力場分布，研究了瓦斯的擴散規(guī)律與煤巖體的耦合關(guān)系及新型封孔工藝，研究內(nèi)容豐富，但傳統(tǒng)的礦用封孔材料封孔前期流動性小、徑粒大等，導(dǎo)致封孔深度低，封孔效果差。此外，煤礦中的封孔深度多依據(jù)于經(jīng)驗計算，具有較大的不確定性，因此，采用合理的順層鉆孔材料及合理的封孔深度的研究對提高瓦斯抽采效率具有重大意義。

一、工程概況

為分析順層鉆孔封孔材料性能及封孔深度在礦井中的應(yīng)用效果，選取貴州某礦井為13#煤層11311回風(fēng)順槽作為實驗現(xiàn)場，11311工作面走向長度為550m，工作面長度為170m，煤層厚度平均為0.93m，煤層平均傾角23°，13#煤層埋深為253m，煤層瓦斯壓力達1.32MPa，煤層瓦斯吸附量為11.05m3/t，煤層游離瓦斯含量為0.31m3/t，煤層原始瓦斯含量為11.36m3/t。

二、封孔材料及深度分析

（一）封孔材料選擇

順層鉆孔封孔材料選擇聚氨酯封孔材料及超細水泥基封孔材料。聚氨酯封孔材料具有在較短時間內(nèi)體積膨脹數(shù)倍的特性，能有效封堵住順層鉆孔孔周煤巖體裂隙，減少煤巖體中裂隙數(shù)量，提高了瓦斯抽采效率，但聚氨酯材料抗壓強度低，易受煤層采動及巷道掘進的影響導(dǎo)致鉆孔發(fā)生二次塌孔。此外，聚氨酯材料具有成本高、封孔工藝較為復(fù)雜、膨脹后具有一定的收縮性等缺點，其中，聚氨酯材料注入至煤巖體中發(fā)生膨脹后具有一定的收縮性，提供了新的漏氣通道，降低了瓦斯抽采效率。超細水泥基封孔材料具有徑粒小、強度高、來源廣、成本低且具有一定膨脹性的特點。對于封孔材料的選擇，徑粒越小的材料在進行注漿作業(yè)時更易滲入微小裂隙，達到了煤巖體的充分封堵，大幅減小了漏氣通道的數(shù)量，該材料具有膨脹性的特點，使材料滲入煤巖體深部裂隙后膨脹，不僅對煤巖體深部裂隙具有封堵作用，同時膨脹壓裂煤體增加瓦斯解吸效率，在封孔后短期內(nèi)瓦斯抽采純量有較大提升。

（二）封孔深度確定

地下巖體中未開挖時煤巖體各點的應(yīng)力狀態(tài)一致，當(dāng)鉆孔鉆進后，破壞了煤巖體原始的應(yīng)力狀態(tài)，使煤巖體中的應(yīng)力重新分布。鉆孔孔周煤巖體應(yīng)力場重新分布的過程中，部分煤巖體所受到的應(yīng)力激增，超越了煤巖體的強度極限，導(dǎo)致煤巖體破壞并伴隨著大量裂隙的產(chǎn)生。如圖1所示，以鉆孔斷面的軸為原點建立平面坐標(biāo)軸，孔周煤巖體隨著坐標(biāo)軸正方向向外延伸，煤巖體所受到的應(yīng)力狀態(tài)可以分為四個區(qū)域，分別為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)與原始應(yīng)力區(qū)，各區(qū)域下煤巖體受到的應(yīng)力狀態(tài)不同導(dǎo)致了煤巖體本身性質(zhì)的不同。處于破裂區(qū)中的煤巖體裂隙發(fā)育程度遠大于其他區(qū)域，該區(qū)域煤巖體中瓦斯迅速解吸釋放，因此，鉆孔成孔后瓦斯抽采前期階段，瓦斯抽采純量高，若鉆孔孔周破裂區(qū)位于巷道煤巖體的破裂區(qū)或塑性區(qū)中，該區(qū)域煤巖體已經(jīng)經(jīng)過巷道掘進的擾動，煤巖體本身已受到一定程度的破壞，產(chǎn)生的裂隙較為發(fā)育，瓦斯抽采效率低。塑性區(qū)中的煤巖體雖未產(chǎn)生較為明顯的破壞，但由于本身所受到的應(yīng)力已達到了煤巖體的屈服極限，已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，其內(nèi)部已經(jīng)有裂隙發(fā)育的趨勢，受煤層開采或巷道掘進等因素的影響也會產(chǎn)生裂隙，雖然該區(qū)域煤巖體較為完整，但綜合分析該區(qū)域仍作為封孔注漿的重點區(qū)域。位于彈性區(qū)及原始應(yīng)力區(qū)的煤巖體未產(chǎn)生破壞，煤巖體較為完整，因此，該區(qū)域的煤巖體不作為封孔注漿的重點區(qū)域。

圖1?順層鉆孔孔周應(yīng)力區(qū)分布

采用摩爾庫倫準則作為判斷煤巖體是否破壞的判據(jù)，采用該準則對煤巖體破壞情況進行分析時必須遵守以下幾個基本假設(shè)：（1）應(yīng)力及位移為連續(xù)變形；（2）煤巖體為各向同性介質(zhì)；（3）煤巖體為理想彈塑性體。摩爾庫倫準則表達式為：

σ1=σ31+sinφ1-sinφ－2C1+sinφ1-sinφ（1）

式中：σ1為第一主應(yīng)力；σ3為水平主應(yīng)力；C為煤巖體的內(nèi)聚力；φ為煤巖體的內(nèi)摩擦角。

塑性區(qū)半徑為：

Rp=r0（P0+Ccotφ）（1－sinφ）q+Ccotφ1－sinφ2sinφ（2）

式中：Rp為塑性區(qū)半徑，m；P0為原巖應(yīng)力，MPa。

參考文獻［7］提供了破裂區(qū)半徑的表達式：

Rs=r0（P0+Ccotφ）（1－sinφ）（1+sinφ）（q+Ccotφ）1－sinφ2sinφ（3）

根據(jù)上述分析及試驗礦井的地質(zhì)條件，可知該工作面巷道破裂區(qū)與塑性區(qū)半徑為3.11m、4.76m，鉆孔孔周破裂區(qū)與塑性區(qū)半徑為0.29m、0.41m?？紤]到煤層采動及巷道掘進的影響，應(yīng)在上述結(jié)論上加大封孔深度與注漿半徑，因此，綜合分析得出該工作面的封孔深度為8.5m，注漿半徑為0.75m。

三、數(shù)值模擬分析

《防治煤與瓦斯突出細則》中規(guī)定煤層瓦斯壓力大于0.74MPa或者煤層瓦斯含量大于8m3/t的煤層具有突出危險。為選擇出最佳封孔材料及深度，以瓦斯壓力小于074MPa的煤層范圍為鉆孔的有效抽采半徑，并以有效抽采半徑的體積為指標(biāo)判斷封孔材料的優(yōu)劣。

采用COMSOL?Multiphysics建立三維模型模擬順層鉆孔不同封孔材料下瓦斯抽采效率變化，建立的模型為20×0.5×1的三維數(shù)值模擬模型，模型上部設(shè)置了8MPa的邊界荷載，底部設(shè)置了固定約束，模型的前后、左右分別設(shè)置了輥支承，且各邊界均設(shè)置為無流動。模型中順層鉆孔為自由變形，瓦斯抽采負壓為20kPa。模型網(wǎng)格劃分共66301個單元數(shù)，最小單元質(zhì)量為0.2251，平均單元質(zhì)量為0.6585。模擬經(jīng)過聚氨酯材料與超細水泥基封孔處理過的順層鉆孔瓦斯抽采模擬，模擬天數(shù)為90d，并通過軟件內(nèi)置的積分模塊對鉆孔瓦斯抽采有效抽采半徑進行積分計算，得出具體的有效抽采體積。圖2分別為經(jīng)過聚氨酯材料與超細水泥基封孔后瓦斯有效抽采范圍變化及煤層瓦斯壓力變化，表1為超聚氨酯與超細水泥基封孔材料作用下鉆孔各天數(shù)瓦斯抽采有效抽采區(qū)域體積。

由圖2及表1可知，采用聚氨酯封孔材料對順層鉆孔進行封孔處理后，鉆孔瓦斯抽采10d時，模型計算出的有效抽采區(qū)域體積可達0.3928m3；瓦斯抽采20d時，有效抽采區(qū)域體積增加至0.88357m3；瓦斯抽采60d及90d時，有效抽采區(qū)域體積增加至1.3847m3與1.7368m3，瓦斯抽采后期有效抽采區(qū)域體積日增加量逐漸降低，但總體依舊是處于增長趨勢。經(jīng)過超細水泥基封孔材料注漿處理后，順層鉆孔90天內(nèi)瓦斯有效抽采范圍不斷增大，瓦斯抽采天數(shù)10d時，有效抽采區(qū)域體積為0.66701m3，較聚氨酯材料封孔處理后10d瓦斯抽采有效區(qū)域體積要高出約41%；瓦斯抽采天數(shù)30d時，有效抽采區(qū)域體積為1.3913m3，較聚氨酯材料封孔處理后30d瓦斯抽采有效區(qū)域體積要高出約36%；瓦斯抽采60d及90d時，其有效抽采區(qū)域體積分別為2.0822m3與2.6297m3，較聚氨酯材料封孔處理的有效抽采區(qū)域體積分別要高出約33%與34%。相較于聚氨酯材料封孔處理，超細水泥基封孔后瓦斯抽采效率有較大提升，特別是抽采前期提升幅度高達約41%，隨著瓦斯抽采作業(yè)的不斷進行，煤層中瓦斯解吸量逐漸降低，但最終穩(wěn)定在33%左右。綜上所述，封孔深度為8.5m，注漿半徑為0.75m，注漿材料為超細水泥基封孔材料為封孔最佳參數(shù)選擇。

四、結(jié)論

（1）采用摩爾庫倫準則作為判斷煤巖體是否破壞的判據(jù)，分析計算了鉆孔及巷道破裂區(qū)、塑性區(qū)半徑，得出了該工作面的封孔深度為8.5m，注漿半徑為0.75m。

（2）采用COMSOL?Multiphysics建立三維模型模擬順層鉆孔不同封孔材料下瓦斯抽采效率變化，以瓦斯壓力小于0.74MPa的煤層范圍為鉆孔的有效抽采半徑，并以有效抽采半徑的體積為指標(biāo)判斷封孔材料性能的優(yōu)劣。

（3）通過數(shù)值模擬得出了聚氨酯及超細水泥基材料封孔處理后瓦斯抽采90天內(nèi)有效抽采區(qū)域的體積變化。超細水泥基封孔較聚氨酯材料封孔處理瓦斯抽采效率提升最大為41%，隨抽采天數(shù)提升幅度逐漸降低，最終穩(wěn)定在33%，得出最佳封孔參數(shù)為封孔深度為8.5m，注漿半徑為0.75m，注漿材料為超細水泥基封孔材料。

參考文獻：

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作者簡介：郭松（1983—?），男，漢族，貴州甕安人，本科學(xué)歷，碩士學(xué)位，黔南州煤炭安全生產(chǎn)技術(shù)中心副主任，主要負責(zé)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)工作；袁東（1988—?），男，漢族，貴州人，本科，助理工程師，研究方向：煤礦安全監(jiān)管；劉淵（1974—?），男，漢族，貴州盤州人，本科，工程師，研究方向：采礦工程。