孤島工作面復(fù)雜應(yīng)力條件下瓦斯抽放鉆孔工藝研究

李云波 李筆文 陳天柱

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

王坡煤礦3206 工作面是位于二采區(qū)集中巷南側(cè)的孤島工作面，兩側(cè)為3204 和3208 工作面采空區(qū)，工作面應(yīng)力分布復(fù)雜，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯且煤層破碎。瓦斯抽放鉆孔面臨深度淺、分布不均勻、抽采效率低、施工難度大等突出問題，瓦斯治理一直是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。

本文在分析孤島工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其對鉆孔路徑影響的基礎(chǔ)上，升級改造鉆機鉆具，同時優(yōu)化本煤層瓦斯抽放鉆孔施工工藝，達到降低成本、提高效率的目的。

1 孤島工作面鉆孔施工影響因素分析

1.1 孤島工作面特點

所采3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，平均埋藏深度約500 m，平均厚度約5.76 m，傾角2°～10°，在研究區(qū)廣泛分布，且全區(qū)可采。工作面長度約2.2 km，工作面分布如圖1。

圖1 工作面平面布置圖

1.2 瓦斯抽放鉆孔特點

瓦斯抽放鉆孔抽采瓦斯是目前煤礦井下瓦斯治理最有效的措施，對保障煤礦安全生產(chǎn)起重要作用[2]。目前，國內(nèi)已有系列化的用于瓦斯抽采鉆孔施工全液壓坑道鉆機，并快速向著自動化、智能化的方向發(fā)展[3]。但是，松軟突出煤層鉆孔深度淺、成孔率低仍然是制約煤礦瓦斯抽采效率的主要因素，解決這類問題的關(guān)鍵技術(shù)及其裝備研發(fā)是瓦斯防治領(lǐng)域最緊要的課題[4-5]。王坡煤礦孤島工作面地質(zhì)條件極為復(fù)雜，一方面，斷層、陷落柱等不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，且煤體內(nèi)部弱面發(fā)育，使煤層整體強度降低；另一方面，兩側(cè)采空區(qū)引起的應(yīng)力重新分布及塑性破壞區(qū)的發(fā)育使得工作面鉆孔施工難度進一步增加。

1.3 孤島工作面對鉆孔的影響分析

假設(shè)鉆孔周圍煤巖均質(zhì)、各向同性的條件下，可以將鉆孔周圍應(yīng)力簡化為靜水壓力（λ=1），鉆孔周圍塑性區(qū)一般為圓形或橢圓形，范圍有限；但在復(fù)雜地應(yīng)力條件下（λ≠1），偏應(yīng)力較大時，塑性區(qū)會表現(xiàn)為蝶形非線性破壞[6]，影響范圍遠超過理想的靜水壓力條件下的理論值。如圖2。

圖2 鉆孔圍巖受力模型

鉆孔穿越塑性破壞區(qū)或者應(yīng)力集中區(qū)時，容易造成卡鉆或者塌孔事故，了解煤巖內(nèi)部應(yīng)力分布特征和破壞規(guī)律，是研究孔內(nèi)事故發(fā)生、判別和防治的理論基礎(chǔ)。

2 孤島工作面應(yīng)力分布與破壞特征

前文分析認為，影響孤島工作面瓦斯抽放鉆孔鉆進效率和成孔效果的主要因素是其復(fù)雜的地應(yīng)力特征，這里以王坡煤礦孤島工作面水平鉆孔施工為背景，利用有限差分軟件FLAC 對研究區(qū)應(yīng)力分布和破壞特征進行模擬。

2.1 數(shù)值模型的建立

3206 孤島工作面寬度138 m，相鄰3208、3204采空區(qū)寬度分別為173 m 和154 m，中間煤柱約30 m。工作面走向超過2000 m，前期鉆孔施工是在停采期間進行，通過建立薄片模型對工作面中部垂直走向應(yīng)力分布特征進行模擬研究。假定各地層內(nèi)部均勻連續(xù)，且通過上部均勻荷載代替覆蓋層壓力，建立了橫跨五個工作面的等比例計算模型，如圖3。

圖3 數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）應(yīng)力分布特征

3206 孤島工作面中最大主應(yīng)力（圖4a）與豎向應(yīng)力（圖4c）呈馬鞍狀，在煤壁一定距離有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析煤巖特征及開采條件得出，由于工作面上覆巖層厚度大、完整度高，采空區(qū)上方出現(xiàn)應(yīng)力拱殼效應(yīng)，在拱腳位置應(yīng)力增大，兩側(cè)應(yīng)力疊加后在孤島工作面出現(xiàn)這一特殊現(xiàn)象。同時，在拱腳上方XZ 向應(yīng)力出現(xiàn)倒三角形的應(yīng)力異常區(qū)，應(yīng)力均指向采空區(qū)。

圖4 孤島工作面應(yīng)力分布云圖

2）變形破壞特征

工作面總位移（圖5a）和豎向位移（圖5b）表現(xiàn)為馬鞍狀，受應(yīng)力集中作用和凌空面的影響，拱腳處位移量最大，工作面中心部位位移量小，局部出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。水平位移（圖5c）皆由煤壁指向采空區(qū)，且從采空區(qū)向內(nèi)逐漸減小。

圖5 孤島工作面位移云圖

孤島工作面塑性區(qū)分布如圖6。側(cè)向支承壓力作用于煤體，煤體發(fā)生塑性變形，尤其是煤壁附近的煤體內(nèi)聚力大大降低，內(nèi)摩擦角也變小，因此煤壁處煤體的抗剪強度很大程度地降低，煤體受力后更加容易破壞，從而發(fā)生煤壁破碎。煤壁附近頂板內(nèi)形成倒三角形破壞區(qū)，在地質(zhì)作用和采煤活動影響下，其容易貫穿頂板破壞工作面覆巖的穩(wěn)定性。

圖6 孤島工作面塑性區(qū)分布

2.3 數(shù)值模擬的可靠性分析

孤島工作面鉆孔路徑上應(yīng)力分布如圖7，開采前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，采煤活動打破了這種平衡，在采空區(qū)前方一定范圍形成應(yīng)力集中區(qū)。同時煤巖體應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，根據(jù)空間分布特征將其劃分成4 個區(qū)域：Ⅰ-應(yīng)力消減區(qū)，Ⅱ-峰后應(yīng)力增高區(qū)，Ⅲ-峰前應(yīng)力增高區(qū)，Ⅳ-未擾動區(qū)。

圖7 應(yīng)力分布示意圖

煤層開采后形成的采空區(qū)無法承載地應(yīng)力，近距離的煤巖體發(fā)生塑性應(yīng)變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要特征表現(xiàn)為：1）局部煤巖體承受應(yīng)力超過強度上限，發(fā)生塑性破壞，內(nèi)部彈性勢能減小甚至消失，同時有大量裂隙出現(xiàn)。2）峰后應(yīng)力增高區(qū)承受應(yīng)力超過強度上限，內(nèi)部產(chǎn)生許多的微小裂隙，最后貫通形成大裂隙，受集中應(yīng)力影響，處于彈性軟化變形階段。3）峰前應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力逐漸變高，未超過強度極限的地質(zhì)體屬于彈性變形階段，受圍壓影響，地質(zhì)體內(nèi)原有裂隙在擠壓作用下閉合，同時產(chǎn)生又破壞產(chǎn)生新的裂隙，該區(qū)域裂隙輕微發(fā)育。4）未擾動區(qū)煤巖體應(yīng)力分布未受到采動作用的影響，地層比較穩(wěn)定。

通過對工作面應(yīng)力特征的分析研究，對研究區(qū)瓦斯抽放鉆孔過程中在20～50 m 范圍遇到鉆進困難的原因有了更加清楚的認識，也為鉆孔工藝優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)。

3 孤島工作面鉆孔工藝與試驗效果

3.1 鉆孔裝備和施工工藝

1）裝備優(yōu)化改造

ZDY6500LP 是一款全液壓履帶式鉆機，該鉆機采用轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)、變幅機構(gòu)、組合油缸等模塊化結(jié)構(gòu)形式，可實現(xiàn)中間加桿和后方加桿，滿足不同工藝要求。根據(jù)前期試驗，將鉆機最大轉(zhuǎn)矩由6000 N·m升級為了10 000 N·m，以更好滿足王坡煤礦碎軟煤層中成孔的需要。

現(xiàn)場試驗了四種規(guī)格的鉆桿，即Φ60.3/95 mm螺旋鉆桿、Φ73/89 mm 螺旋鉆桿、Φ89 mm 三棱螺旋鉆桿和Φ63.5/100-28 mm 螺旋鉆桿。通過控制變量的方法，對鉆桿間連接方式、翼片結(jié)構(gòu)、通孔直徑等因素對成孔效果的影響進行試驗研究。

2）螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進工藝

大螺旋排渣鉆孔設(shè)計軌跡長、排渣距離遠，受孤島工作面復(fù)雜地壓影響，易出現(xiàn)塌孔、堵孔等事故。在試驗過程中針對鉆孔軌跡控制、工程管理和孔內(nèi)事故應(yīng)對等因素進行了優(yōu)化。

① 合理控制鉆孔傾角。盡可能選擇沿煤層傾向方向由低處向高處鉆進，使鉆孔保持一定的仰角。

② 設(shè)計階段查清工作面地質(zhì)狀況，避開斷層、陷落柱等破碎地質(zhì)體，同時注意應(yīng)力集中區(qū)分布范圍。

③ 發(fā)生卡鉆等事故后，通過分析事故點的空間位置及事故發(fā)生的原因，科學(xué)制定處置方案。

3.2 現(xiàn)場試驗

鉆孔沿巷道平行布置，垂直巷道向3206 孤島工作面施工?？紤]煤層穩(wěn)定性及透氣性，設(shè)計鉆孔間距4 m，開孔傾角依據(jù)煤層賦存情況初步設(shè)計0°～-10°，鉆孔設(shè)計孔深100 m。鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計參數(shù)

3.3 效果分析

前文所述四種螺旋鉆桿，孔深大于100 m 鉆孔成孔率分別為60%、55.6%、54.5%和80%。其中，Φ63.5/100-28 mm 螺旋鉆桿施工鉆孔成孔率顯著高于其他三種鉆具組合，一方面其采用插接式連接方式，在通過應(yīng)力集中孔段時，可采用正轉(zhuǎn)+反轉(zhuǎn)形式強力回轉(zhuǎn)掃孔排渣；另一方面Φ63.5/100-28 mm螺旋鉆桿為大通孔結(jié)構(gòu)，通孔直徑28 mm，鉆孔施工過程中可以配氮氣進行輔助排渣，從而顯著提高鉆進過程排渣效率，更有利于復(fù)雜地層條件下鉆孔高效成孔。

4 總結(jié)

針對3206 孤島工作面復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆進困難、瓦斯預(yù)抽不到位的情況，一方面以數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測為基本手段，通過動態(tài)分析確定了孤島工作面馬鞍狀應(yīng)力分布特征和塑性區(qū)分布范圍；另一方面有針對性地研發(fā)了大扭矩鉆機，并對螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，能夠適應(yīng)不良地質(zhì)體鉆進排渣。在理論分析和大量試驗研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了復(fù)雜地應(yīng)力條件下碎軟、高瓦斯煤層鉆孔施工工藝技術(shù)體系，為解決碎軟煤層瓦斯預(yù)抽困難的問題提供新思路，為瓦斯高效預(yù)抽和煤礦安全生產(chǎn)提供基本保障，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。