瓦斯抽采鉆孔合理封孔長(zhǎng)度研究

鄔喜倉(cāng),孔德磊

(神華神東保德煤礦,山西 保德 036600)

瓦斯抽采鉆孔合理封孔長(zhǎng)度研究

鄔喜倉(cāng),孔德磊

(神華神東保德煤礦,山西 保德 036600)

針對(duì)煤礦巷道開挖之后,巷道圍巖一定范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)(即巷道松動(dòng)區(qū)),高突礦井進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔封孔時(shí),封孔段如果處在松動(dòng)區(qū)范圍,巷道內(nèi)的空氣會(huì)通過(guò)圍巖裂隙進(jìn)入抽采管,導(dǎo)致抽采濃度偏低的問題,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬和鉆屑量法對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了研究,進(jìn)而確定瓦斯抽采鉆孔合理封孔長(zhǎng)度。

應(yīng)力分布;封孔長(zhǎng)度;瓦斯抽采;抽采濃度

近年來(lái),隨著煤礦開采深度的增加,瓦斯災(zāi)害日益嚴(yán)重,且抽采愈加困難。井下進(jìn)行瓦斯抽采時(shí),如果封孔長(zhǎng)度過(guò)短,封孔段處于巷道松動(dòng)區(qū)內(nèi),則巷道內(nèi)空氣隨圍巖裂隙進(jìn)入抽采管內(nèi),導(dǎo)致抽采濃度偏低。如果封孔長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),則鉆孔的抽采范圍偏小,浪費(fèi)人工、設(shè)備和材料。巷道周圍巖體應(yīng)力分布由近及遠(yuǎn)分別為:應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。巷道松動(dòng)區(qū)范圍即應(yīng)力降低區(qū)。合理的封孔長(zhǎng)度應(yīng)該是越過(guò)應(yīng)力降低區(qū)但不超過(guò)應(yīng)力集中區(qū)[1]。本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬和鉆屑法對(duì)神華集團(tuán)下屬某礦一工作面膠運(yùn)巷的巷道圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了研究,進(jìn)而確定了瓦斯抽采鉆孔合理封孔長(zhǎng)度。

1 巷道圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬

1.1 煤巖力學(xué)參數(shù)

FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的進(jìn)一步拓展,能夠?qū)ν临|(zhì)、巖石以及其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行模擬和塑性流動(dòng)分析。通過(guò)調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元可以模擬實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型,在外力的作用下,當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后,網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù),能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。

本文研究的工作面煤層頂?shù)装迕簬r分布及力學(xué)參數(shù)如表1所示。在FLAC3D中還需要用到體積模量K和剪切模量G。而體積模量和剪切模量均由彈性模量E和泊松比μ轉(zhuǎn)化而來(lái)的[2]。

1.2 模型的建立

該工作面的平均埋深為530 m。巖石的容重取25 kN/m3,則對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力即自重應(yīng)力約為13.3 MPa。根據(jù)礦上地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,取側(cè)壓系數(shù)1。工作面走向長(zhǎng)度732 m,傾向長(zhǎng)度148.8 m,巷道斷面為矩形,寬×高=4.0 m×4.0 m。在二維剖面上,底板為砂質(zhì)泥巖,保護(hù)煤柱底板網(wǎng)格劃分為15×2,巷道底板網(wǎng)格劃分為1×2,開采煤層底板44×2;煤柱網(wǎng)格劃分為15×2,皮帶巷網(wǎng)格劃分為1×2,開采煤層網(wǎng)格劃分為44×2;頂板砂質(zhì)泥巖,保護(hù)煤柱頂板網(wǎng)格劃分為15×2,巷道頂板網(wǎng)格劃分為1×2,開采煤層頂板44×2;上層中粒砂巖網(wǎng)格分別劃分為15×10,1×10,44×10。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的時(shí)間,皮帶巷向前掘進(jìn)至500 m的位置。利用FLAC建立模型,見圖1。

表1 煤層頂?shù)装迕簬r分布及力學(xué)參數(shù)

它們的關(guān)系為:

圖1 模型圖Fig.1 Model diagram

1.3 模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)加載計(jì)算,巷道圍巖應(yīng)垂直應(yīng)力分布圖,見圖2。

圖2 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖Fig.2 Vertical stress distribution ofsurrounding rock in roadways

根據(jù)Tecplot導(dǎo)出的數(shù)據(jù),用EXCEL生成巷道一側(cè)工作面煤體的垂直應(yīng)力分布曲線,見圖3。

圖3 巷道右側(cè)圍巖垂直應(yīng)力分布曲線Fig.3 Distribution curve of vertical stress

由圖2、圖3可知,該工作面膠運(yùn)巷向前掘進(jìn)500 m后,原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)得到了破壞,煤體的應(yīng)力重新分布。在距離巷道右側(cè)煤幫0 m～6.87 m的范圍內(nèi)是垂直應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū),即巷道松動(dòng)區(qū),圍巖應(yīng)力在9 m左右達(dá)到峰值。

2 鉆屑法確定巷道圍巖應(yīng)力分布

在巷道正幫向工作面煤體施工10個(gè)直徑42 mm,深度13.5 m(1.5 m×9),每米測(cè)量一次鉆屑量,并記錄相應(yīng)的動(dòng)力現(xiàn)象。將各個(gè)鉆孔不同深度的鉆屑量錄入EXCEL,用EXCEL得到各個(gè)鉆孔不同深度的散點(diǎn)圖,對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合后,得到每1.5 m的鉆屑量與鉆孔深度的變化曲線[3],見圖4。

圖4 各鉆孔每1.5 m鉆屑量隨孔深變化曲線Fig.4 Variation curves of drill-cutting-weight per 1.5 m with borehole depth

根據(jù)鉆屑量與礦壓的線性關(guān)系,由圖4可知巷道圍巖0 m～6 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)即巷道松動(dòng)區(qū),圍巖應(yīng)力在9 m～10 m達(dá)到峰值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)神華集團(tuán)下屬某礦一工作面膠運(yùn)巷的圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬及鉆屑量測(cè)定,得到巷道松動(dòng)區(qū)范圍為0 m～7 m,應(yīng)力峰值在9 m左右。為了提高瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量,提高抽采濃度,并盡量增加鉆孔抽采范圍,減少人力物力浪費(fèi),故基本確定該巷道瓦斯抽采鉆孔的合理封孔長(zhǎng)度為7 m～9 m。

[1] 魏風(fēng)清,張晉京.鉆孔瓦斯涌出初速度測(cè)試深度的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(5):61-64.

WEI Fengqing,ZHANG Jinjing.Discussion on Test Depth of Initial Speed from Borehole Gas Emission[J].Coal Science and Technology,2004,32(5):61-64.

[2] 尚群.趙莊3#煤層瓦斯抽采鉆孔合理封孔長(zhǎng)度研究[D].焦作:河南理工大學(xué),2010.

[3] 陸振裕,竇林名.鉆屑法探測(cè)巷道圍巖應(yīng)力及預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)新探究[J].煤炭工程,2011(1):77-79.

LU Zhenyu,DOU Linming.New Discovery on Drilling Cuttings Method to Detect Surrounding Rock Stress of Mine Roadway and Predict Mine Pressure Bumping Dangers[J].Coal Engineering,2011(1):77-79.

StudyonRationalSealingLengthofBoreholesinGasExtraction

WUXicang,KONGDelei

(BaodeMine,ShenhuaShendongCoalGroup,Baode036600,China)

After the excavation of coal mine roadways, surrounding rock will become a stress reduced zone (or loosening zone of roadway) within a certain range. When boreholes are sealed during gas extraction in high-outburst mines, if the sealing section is in the loosening area, the air in the roadway will enter the extraction pipe through the fissures of the surrounding rocks, resulting in low gas concentration. The stress distribution of the surrounding rock is studied by the numerical simulation with FLAC3Dand drill-cutting-weight method to determine the rational sealing length of the boreholes in the gas extraction.

stress distribution;sealing length;gas extraction;gas concentration

1672-5050(2017)01-0041-02

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.012

2016-03-21

鄔喜倉(cāng)(1984-),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,大學(xué)本科,助理工程師,從事煤礦瓦斯抽采工作。

X936

A

(編輯：薄小玲)