瓦斯預(yù)抽鉆孔合理封孔深度的確定

李國(guó)榮

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043405)

巷道形成后，圍巖應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。為保證鉆孔成孔率及抽采效果，封孔深度必須超過應(yīng)力集中區(qū)，且外部封孔段要超過巷道圍巖松動(dòng)范圍，以防止封孔材料還未凝固生效就從松動(dòng)裂隙中漏出。封孔深度沒有超過裂隙發(fā)育區(qū)域，會(huì)造成漏風(fēng)并降低抽采濃度及抽采效率。封孔深度若超過裂隙發(fā)育區(qū)域，又會(huì)造成封孔材料和工時(shí)的浪費(fèi)，增加封孔成本。因此，研究抽采鉆孔圍巖的裂隙發(fā)育范圍對(duì)封孔工藝及瓦斯抽采具有重要意義[1-3].

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱“霍爾辛赫煤業(yè)”)井下工作面瓦斯抽采鉆孔以往采用經(jīng)驗(yàn)方法確定封孔深度，沒有對(duì)不同地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行具體分析，抽采效果不理想。因此，通過數(shù)值模擬法和鉆屑指標(biāo)法確定巷道圍巖的裂隙發(fā)育范圍，以科學(xué)確定封孔深度。

1 試驗(yàn)工作面概況

霍爾辛赫公司3號(hào)煤層3601工作面長(zhǎng)度約1 200 m，切眼長(zhǎng)度200 m；兩條巷道均布置在3號(hào)煤層中，沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面5.0 m×3.5 m. 在3601工作面巷道掘進(jìn)過程中，對(duì)該區(qū)域煤體原始瓦斯含量進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)測(cè)瓦斯含量5.73～9.24 m3/t，平均7.71 m3/t；殘存瓦斯含量2.39 m3/t，煤層平均厚度5.65 m，為近水平賦存。3601工作面瓦斯含量等值線圖見圖1.

圖1 3601工作面瓦斯含量等值線圖

2 數(shù)值模擬確定封孔深度

1) 模擬內(nèi)容。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析3601運(yùn)輸巷道巷幫塑性區(qū)的范圍以及圍巖應(yīng)力分布。為本煤層瓦斯抽采鉆孔施工、封孔提供科學(xué)依據(jù)。

2) 計(jì)算模型的建立。

運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立鉆孔模型，模擬采用摩爾庫(kù)倫模型；采用六面塊體網(wǎng)格(brick)模型單元建立，模型尺寸為50 m×20 m×50 m，模擬鉆孔長(zhǎng)度20 m，模型網(wǎng)格117 000×節(jié)點(diǎn)131 098，錨桿、錨索以cable的形式施加。X方向每個(gè)網(wǎng)格為0.5 m，Y方向每個(gè)網(wǎng)格為2 m，Z方向煤層的每個(gè)網(wǎng)格0.2 m，Z方向其余巖層的每個(gè)網(wǎng)格約為0.5 m. 模型的框架見圖2.

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

模型底面和側(cè)面采用零位移邊界，模型的左右邊界采用單約束邊界，取u=0,v≠0，u,v分別為X,Y的位移。模型的下部邊界定義為全約束邊界，取u=v=0. 模型的上部邊界定義為自由邊界。模型上覆巖層重量作為外載荷施加于模型的上邊界。

根據(jù)3601運(yùn)輸巷道對(duì)應(yīng)煤層埋深取最大值500 m，自重應(yīng)力為初始垂直應(yīng)力，巖石容重可以取25 kN/m3，得出垂直應(yīng)力12.5 MPa，垂直應(yīng)力施加在模型上部邊界，現(xiàn)取側(cè)壓系數(shù)為0.5，計(jì)算可得水平應(yīng)力為6.25 MPa，相關(guān)地層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 煤的物理力學(xué)參數(shù)表

3) 模擬結(jié)果分析。

電壓短時(shí)中斷對(duì)用戶負(fù)荷影響可按停電持續(xù)時(shí)間對(duì)負(fù)荷的影響劃分為4類[15-16]：1)一般敏感負(fù)荷，分鐘級(jí)的短時(shí)停電即暫時(shí)中斷就會(huì)對(duì)其造成影響和危害；2)敏感負(fù)荷，秒級(jí)的短時(shí)停電即瞬時(shí)中斷就會(huì)對(duì)其造成影響和危害；3)特別敏感負(fù)荷(幾十至幾百毫秒)，即瞬間中斷就會(huì)對(duì)其造成影響和危害；4)嚴(yán)格負(fù)荷(毫秒級(jí)，0.02 s內(nèi))，即短時(shí)停電就會(huì)對(duì)其造成影響和危害。

模型建好并開挖后，將頂幫處錨桿、錨索施加到模型中，運(yùn)行并結(jié)束后，多角度進(jìn)行切片出圖，分析鉆孔的應(yīng)力分布規(guī)律；分析位移分布規(guī)律；分析彈塑性破壞特征，最終確定合理封孔深度。

a) 應(yīng)力特征。巷道開挖并支護(hù)后垂直應(yīng)力分布特征見圖3. 從圖3可以看出，巷道圍巖的最大垂直應(yīng)力為19 MPa，應(yīng)力系數(shù)為1.52，距離幫壁3.5～4 m處。

圖3 巷道圍巖垂直應(yīng)力等值線圖

應(yīng)力集中區(qū)在距幫壁3～11.5 m，應(yīng)力值不低于17 MPa. 而在頂、底部出現(xiàn)圍巖垂直應(yīng)力較小的情況，應(yīng)是此處由于巷道開挖導(dǎo)致應(yīng)力集中，圍巖發(fā)生劇烈破壞，破碎程度高，破碎后的圍巖強(qiáng)度，應(yīng)力向圍巖深度轉(zhuǎn)移，重新分布。該區(qū)域?qū)儆谛秹簠^(qū)域，符合圍巖自穩(wěn)原理[4-5].

b) 位移特征。由于應(yīng)力場(chǎng)的作用，地下空間工程在施工過程中會(huì)產(chǎn)生圍巖位移變化，見圖4，巷道頂板的最大垂直位移為21.98 mm，頂板垂直位移變化較大的范圍至頂部0～6 m. 巷道底板的最大垂直位移為30 mm，底板垂直位移變化較大區(qū)域?yàn)?～3.5 m. 底板的位移量相對(duì)頂板來說較大，這是由于巷道沿頂掘進(jìn)，煤層總厚5.65 m，底煤有2.15 m，而煤質(zhì)相對(duì)巖石硬度低，所以巷道底部變形嚴(yán)重，底鼓變形現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖4 巷道圍巖垂直位移等值線圖

c) 塑性區(qū)特征。巷道圍巖的破壞范圍和破壞性質(zhì)見圖5. 巷幫0～3.5 m和巷底0～2.2 m煤層處于塑性破壞狀態(tài)。巷道底部變形嚴(yán)重，底部中間區(qū)域煤體伴隨有多次塑性屈服和彈性恢復(fù)。巷道頂部主要是屈服狀態(tài)的彈性恢復(fù)區(qū)，并且0～0.5 m的頂板巖體存在拉伸破壞。巷道整個(gè)塑性破壞區(qū)在中上部較多。

圖5 巷道的圍巖塑性區(qū)分布特征圖

巷道松動(dòng)圈的大小與支護(hù)方式、支護(hù)時(shí)間、采深以及采動(dòng)都密切相關(guān)。根據(jù)相似地質(zhì)條件的巷道調(diào)研分析可知，巷道的松動(dòng)圈基本上都在2.5～3 m，與巷道模擬結(jié)果相似，驗(yàn)證本次模擬有效，可作為參考依據(jù)。

3 鉆屑指標(biāo)法確定封孔深度

鉆屑指標(biāo)是煤礦常用的技術(shù)指標(biāo)，可用以判斷煤層是否具有沖擊傾向性、確定抽采半徑、判斷瓦斯壓力大小以及分析巷道松動(dòng)范圍。鉆屑指標(biāo)包括鉆屑量S、鉆屑瓦斯解析指標(biāo)Δh2和K1值等，該礦采用鉆屑量S來確定封孔深度。

對(duì)3601回風(fēng)巷道進(jìn)行鉆屑指標(biāo)測(cè)試，該巷道煤層比較穩(wěn)定，能夠代表區(qū)域煤層特點(diǎn)。共選擇4個(gè)測(cè)點(diǎn)布置測(cè)定鉆孔測(cè)定鉆屑量S. 測(cè)試方法為采用鉆頭d55 mm的煤電鉆進(jìn)行煤壁巷幫打鉆，鉆孔角度1°～2°，使用編織袋在鉆孔孔口處采集排出來的鉆屑，并用彈簧秤對(duì)每1 m的鉆屑量進(jìn)行稱重，共計(jì)測(cè)定15 m，鉆屑量S與孔深的關(guān)系見圖6.

圖6 鉆孔鉆屑量S和孔深關(guān)系圖

從圖4可以看出，4個(gè)鉆孔鉆屑量趨勢(shì)相近，符合應(yīng)力特征，先升后降，并有一個(gè)峰值點(diǎn)。可見，由于煤壁賦存條件不同，不同鉆孔的應(yīng)力峰值大小和該處的巷道鉆孔位置不同，但總體變化趨勢(shì)符合巷道開挖后應(yīng)力分布規(guī)律。

其中，1#、4#鉆孔鉆屑量S峰值處于孔深9 m左右，隨后在9～12 m逐漸下降，在12～15 m逐漸穩(wěn)定；2#、3#鉆孔鉆屑量S峰值處于孔深8 m左右，8～12 m逐漸下降，12～15 m逐漸穩(wěn)定。

研究表明[5]，僅根據(jù)鉆屑指標(biāo)法測(cè)定的卸壓區(qū)范圍來確定順層抽采鉆孔的封孔深度不合理，順層抽采鉆孔的合理封孔深度應(yīng)超出在抽采負(fù)壓作用下巷道空氣可通過煤層中的裂隙影響抽采鉆孔的區(qū)域，將該區(qū)域定義為瓦斯運(yùn)移負(fù)壓影響區(qū)，即順層抽采鉆孔的合理封孔深度應(yīng)超出其負(fù)壓影響區(qū)。

因此，綜合考慮擾動(dòng)影響的冗余度及安全因素認(rèn)為12 m處煤壁仍處于應(yīng)力較高區(qū)域。

綜合數(shù)值模擬的結(jié)果(封孔深度至少要達(dá)到11.5 m)和鉆屑量S測(cè)定的結(jié)果(封孔深度至少達(dá)到12 m)，最終確定3601回風(fēng)巷道的封孔深度應(yīng)大于12 m.

4 效果驗(yàn)證

經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證，3601工作面試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)鉆孔封孔深度為12 m時(shí)，單孔瓦斯?jié)舛染^高，3601工作面回風(fēng)巷道巷228個(gè)統(tǒng)計(jì)鉆孔抽采初始時(shí)平均濃度71.2 %，抽采4個(gè)月平均濃度57.7 %；3601運(yùn)輸巷道144個(gè)統(tǒng)計(jì)鉆孔抽采初始時(shí)平均濃度65.1 %，抽采4個(gè)月平均濃度51.7 %，保證了鉆孔抽采濃度。