基于鉆孔氣體漏失量法巷幫卸壓帶寬度確定研究

付 帥

(鄭州航空工業管理學院 管理工程學院，河南 鄭州 450046)

0 引言

煤與瓦斯突出多發生于煤巷掘進過程中，巷道布置不合理或者瓦斯抽采不充分等導致誤采誤掘突出危險性煤層，進而引發突出事故發生，造成巨大財產損失及人員傷亡，影響工程進度[1-3]。煤層在回采或者掘進后，工作面前方煤體應力平衡狀態被打破，在趨向新應力平衡過程中出現帶狀劃分，依次為卸壓區、應力集中區及原巖應力區[4-6]。卸壓區內應力及瓦斯含量壓力得以釋放，往往被認為無突出危險性，在此區域內可實現安全快速掘進。此外，為提高抽采效果，抽采鉆孔封孔長度應盡量超過卸壓帶寬度。由此可知，準確確定卸壓帶寬度對于快速掘進及瓦斯有效抽采具有重要意義。

國內學者對于卸壓帶確定方法進行了大量研究，其中絕大多數學者采用傳統鉆孔指標法來確定卸壓帶寬度，所采用的鉆孔參數指標主要包括：鉆屑瓦斯解吸指標、鉆屑量、瓦斯涌出初速度、瓦斯含量及壓力，如魏風清等[7-8]利用鉆屑瓦斯解吸指標確定卸壓帶寬度并基于此確定鉆孔封孔長度，對抽采效果進行了考察；林柏泉等[9]從理論出發，對巷幫煤體進行力學分析，根據靜力學平衡方程，推導了巷幫卸壓帶理論計算公式，并提出卸壓帶與煤層厚度、埋深、上覆巖石體積力、應力集中系數成正比，與內摩擦角、煤層抗拉強度成反比，但因準確獲取礦井參數較困難，計算結果確準性較低；張明杰等[10]借助數值模擬軟件，結合巷幫煤體內瓦斯含量及壓力綜合確定了卸壓帶寬度，但模型建立多基于一定假設，與實際情況有所偏離；朱麗媛等[11-12]通過實驗研究發現不同應力下鉆桿扭矩具有顯著差異性，并利用不同鉆孔深度下扭矩變化特征確定現場巷幫卸壓帶寬度，但鉆桿扭矩影響因素較多，測試結果差異較大；何學秋等[13]測試了鉆孔鉆進過程中煤體破裂所產生的電磁信號，并根據不同孔深下電磁信號的差異性確定了巷幫卸壓帶寬度，但因現場干擾較強，電磁信號準確性較低。綜上所述，目前巷幫卸壓帶確定方法較多且都存在一定弊端，準確性較低，因此對于巷幫卸壓帶寬度的準確考察方法有待做進一步研究。本文采用鉆孔氣體漏失量法確定卸壓帶寬度并與封孔法進行對比分析，后利用鉆孔指標法進行了驗證，研究結果對卸壓帶寬度的精準確定具有重要意義。

1 巷幫應力分布分析

回采巷道開挖后，原巖應力平衡狀態及瓦斯壓力平衡被打破，致使原巖應力及瓦斯壓力重新分布，巷幫煤體橫向上會形成3個區域，即卸壓區、應力集中區及原巖應力區[14]。卸壓帶內煤體破壞嚴重，裂隙發育完全，透氣性較高，瓦斯壓力及含量得到釋放，無突出危險性；應力集中區煤體不僅承載了自身原始應力，還疊加了巷道掘出煤體及卸壓區煤體轉移而來應力，應力值最高，透氣性也最差，瓦斯壓力及含量較高，煤體突出危險性較大；原巖應力區未受采掘活動影響，瓦斯壓力、含量仍為原始狀態，具有一定危險性[15-17]。巷幫煤體的應力分布如圖1所示，其中，k為應力集中系數；H為開采深度，m；γ為體積力。

圖1 巷幫煤體的應力分布Fig.1 Stress distribution of coal body along the roadway

2 鉆孔氣體漏失量法卸壓帶寬度確定

巷幫卸壓帶內因其煤體遭到嚴重破壞，裂隙四通八達與巷道或采空區相連通，施工抽采鉆孔后，卸壓帶內會存在漏風現象。基于此，本文從正壓鉆孔漏風的角度考慮，通過漏失量法對巷幫卸壓帶寬度進行了確定，然后利用封孔法負壓抽采再次對巷幫卸壓帶寬度進行確定，對2種方法所得結果進行對比分析。

2.1 漏失量卸壓帶確定

為盡量保持測試結果準確性，選取未受采動影響及未施工抽采鉆孔的巷道開展試驗。測試系統主要包括充氣加壓系統及封孔系統(見圖2)，加壓系統包括礦井壓風系統、流量計、壓力表、高壓注氣管；封孔系統包括手動液壓泵、高壓注水管、封孔膠囊。

1.封孔膠囊；2.手動液壓泵；3.壓力表；4.流量計；5.高壓注氣管；6.高壓注水管；7.煤體；8.鉆孔；9.連接桿。

鉆機鉆進至待測深度時，預留1 m氣室長度，利用手動液壓泵對膠囊進行加壓達到封孔的目的，膠囊壓力增至2 MPa時，打開礦井的壓風系統對氣室充氣，氣室壓力保持在0.6 MPa，待氣壓穩定后讀取流量計讀數每0.5 min記錄下流量計讀數，5 min后停止記數，對膠囊卸壓后繼續鉆進，到達下一待測深度后重復以上操縱。本次對2個鉆孔5～15 m范圍內漏失量進行了測量，每1 m測1次，測試結果見表1。

表1 鉆孔氣體漏失量測定數據Table 1 Results of borehole leakage

測試鉆孔施工后短時間內鉆孔內瓦斯壓力迅速下降至與巷道近似一致水平，由文獻[18]可知，瓦斯壓力恢復至原始壓力往往需要幾天乃至幾十天時間，是相當緩慢過程，而本文中封孔測試時間相對較短，可認為該段時間內瓦斯壓力未增加。此外，煤層中瓦斯吸附解吸過程也相對緩慢，因此此處不考慮鉆孔瓦斯壓力、瓦斯吸附解吸作用對測試結果的影響。圖3為漏失量隨鉆孔深度變化趨勢圖。由圖3可知，隨鉆孔深度增加，漏失量變化呈現一定規律性，即快速下降至某一穩定值后小幅度波動變化。在11 m之前，漏失量大幅度下降，11 m之后漏失量在10 L左右小幅度波動，趨于穩定狀態。由于卸壓帶內煤體破壞最為劇烈，徑向及環向裂隙充分發育，相互貫通，與巷道連通漏失量大，距巷幫距離越遠，煤體受采動影響越小，破壞程度逐漸減小，煤體內新生孔裂隙密度減小，漏失量也會逐漸減小。因應力集中區煤體承受載荷較高，煤層中原始或新生裂隙在應力作用下出現閉合，漏失量達到最小。進入原巖應力區后，煤層基本未受采動影響，此時鉆孔漏失量差異不大。結合圖2可得11 m之前為卸壓區域。

圖3 鉆孔漏失量隨深度變化趨勢Fig.3 Drilling leakage loss trend with depth

2.2 封孔法卸壓帶確定

利用封孔法確定卸壓帶寬度，共施工平行瓦斯抽采鉆孔2組，每組11個，鉆孔間距2 m，單孔長度30 m，按照礦上現行的瓦斯抽采鉆孔封孔方法(聚氨酯封孔)，分別將封孔長度確定為5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，10 ，11 ，12，13 ，14 ，15 m，采用邊打邊封，即每打完1個鉆孔后就及時封孔。抽采鉆孔布置如圖4所示。

1.抽采鉆孔；2.封孔抽采管；3.聚氨酯封孔劑；4.巷幫煤體。圖4 抽采鉆孔布置及封孔平面示意Fig.4 Drilling arrangement and sealing plane diagram

每個鉆孔施工完畢后，盡快連接抽放系統，并記錄7～10 d瓦斯抽采濃度值及抽采純量。計算不同封孔長度鉆孔平均瓦斯抽采濃度及抽采純量，結果見圖5。

圖5 孔深與瓦斯濃度及抽采純量關系Fig.5 Relationship between hole depth and gas concentration, extraction scalar quantity

由圖5可看出，抽采純量與抽采濃度具有較好一致性，變化趨勢近似一致，本文以抽采濃度為例進行分析。2組鉆孔抽采濃度具有一定差異性，第2組鉆孔在封孔段9 m之前，瓦斯濃度隨孔深快速上升，9 m時出現一跳躍式增加后開始趨于穩定，而第1組鉆孔封孔段8 m前瓦斯濃度較穩定，8～9 m出現一跳躍式增加后也趨于穩定狀態。分析其原因為：第1組鉆孔處在地質構造復雜區域，煤體較軟塑形強脆性弱，透氣性比較差，因此其瓦斯抽采濃度在封孔長度較小時規律性不明顯。卸壓帶內漏風嚴重，若封孔長度小于卸壓帶寬度，抽采鉆孔會出現高流量低濃度現象，而封孔長度處在應力集中區與卸壓區交界處時，抽放效果最佳，抽采純量最高，由此可確定2組鉆孔區域內卸壓帶寬度分別為9 m和10 m。

2.3 鉆孔氣體漏失量法卸壓帶確定

漏失量確定卸壓帶寬度結果為11 m，而封孔法確定卸壓帶寬度為9～10 m。因漏失量確定采用壓風系統進行壓風充氣，高壓氣體對煤層內裂隙具有楔形劈裂作用，因此會造成裂隙擴展，造成測得卸壓帶寬度偏大，而封孔法直接連接抽放系統，測試過程符合實際抽采過程，測試結果較準確，綜上可知，利用鉆孔漏失量法測試卸壓帶寬度時，測試結果偏高，而封孔法測試結果相對準確，結合2種辦法綜合確定該礦巷幫卸壓帶寬度為9～10 m。

3 卸壓范圍驗證

鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標及瓦斯涌出初速度在卸壓區、應力集中區及原巖應力區具有明顯的規律性，卸壓區內3個參數隨孔深增加而增加，在卸壓區與應力集中區交界處瓦斯涌出初速度達到最大值，而鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標最大值出現在應力集中區峰值位置，進入原巖應力區后，3個參數又趨于穩定值。基于此，本文通過鉆孔指標法對上述測試結果進行驗證。本文在同一區域共施工3個驗證孔，孔徑為φ42 mm，單孔深度為15 m，鉆孔間距為3 m，具體布置見圖6。

圖6 鉆孔布置立面Fig.6 Drilling layout elevation

3個驗證孔自4 m開始，每1 m測1次鉆屑量、鉆卸瓦斯解吸指標及瓦斯涌出初速度，3個鉆孔指標參數變化趨勢見圖7～9。

圖7 不同孔深下鉆屑量變化Fig.7 Variation of cuttings volume under different hole depths

圖8 不同孔深鉆屑解吸指標變化Fig.8 Variation of drill cuttings desorption index under different hole depths

圖9 不同孔深鉆孔瓦斯涌出初速度變化Fig.9 Variation of initial velocity under different 9hole depths

由圖7～8可知，在孔深13～14 m后鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標趨于穩定值，可認為其為原巖應力區，根據原巖應力區2個參數值做平行線與參數上升段曲線交點即為卸壓區與應力集中區交界處，因此由鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指確定得到卸壓帶寬度為9～10 m。由圖9可知瓦斯涌出初速度在鉆孔深度10 m/s左右時達到峰值，可認為卸壓帶寬度為10 m。3參數綜合確定卸壓帶寬度為9～10 m。這與前邊采用漏失量法得到的結果是一致的，由此可認為前文測試卸壓帶寬度是有效的。

4 討論

本文所采用漏失量法相比較于封孔法來說，測試過程更加簡單，能夠節省人力、物力及財力，但是測試結果偏高，這就需要對漏失量法所得結果進行修正。封孔法及鉆孔參數法測試結果最接近真實值，可通過對比分析漏失量法所測結果與上述2種方法所測結果，找到規律即可對漏失量法所得結果進行科學修正。本文中該礦封孔法及鉆孔參數測試卸壓帶寬度為9～10 m，漏失量法測試結果為11 m，可得漏失量法所測結果存在1～2 m的誤差，基于安全考慮，此處應取其最大誤差量作為誤差參考量，即可認為在該礦漏失量所測結果減去2 m為最終結果。相比較于鉆孔參數法，漏失量法略顯復雜，但對于部分低瓦斯或高瓦斯礦井在沒有測試鉆孔參數儀器設備及技術水平時，可考慮采用漏失量法進行卸壓帶寬度確定。

5 結論

1)利用鉆孔氣體漏失量法測定某礦巷幫卸壓帶寬度為11 m，封孔法測定該礦巷幫卸壓帶寬度為9～10 m。

2)鉆孔漏失量法因充入高壓氣體使原始裂隙承受楔形劈裂作用，造成裂隙擴張，測得卸壓帶寬度大于實際值，而礦井抽放鉆孔實際為負壓抽放，封孔法更接近實際值，因此綜合確定漏失量法測得卸壓帶寬度為9～10 m。

3)利用鉆孔指標法，通過鉆屑量、瓦斯涌出初速度及鉆屑瓦斯解吸指標3個參數來確定卸壓帶寬度為9～10 m，證明了上述結論的可靠性。