祁南煤礦72煤層順層鉆孔的有效封孔深度研究

文/楊 ?。ɑ幢钡V業<集團>有限責任公司技術中心 ）

一、現狀

礦井瓦斯是漫長地質成煤過程中的一種伴生氣體，是造成煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸等災害的主要因素，嚴重威脅著煤礦的安全生產。煤層瓦斯抽采是消除煤層突出危險性的直接有效的手段。

淮北礦區煤質松軟，突出煤層地應力大、瓦斯壓力大、瓦斯含量高。為消除煤層的突出危險，順層鉆孔間距通常為2～3m。這樣密集的順層鉆孔不但用于預抽煤層瓦斯，還用于排出煤粉降低地應力。但低滲透性、封孔不合理等因素導致順層鉆孔的抽采效率不太理想，突出表現在瓦斯抽采流量衰減快、濃度低。在鉆孔的服務期限內，鉆孔抽采的瓦斯雖然能夠滿足消除突出危險的要求，但煤層的殘余瓦斯含量仍然較大，從瓦斯資源開采與利用和煤炭安全開采的角度來說，這些大量施工的順層鉆孔并沒有完全發揮抽采瓦斯的作用。

順層鉆孔直接進入煤層，理應獲得高濃度瓦斯，而獲得大量高濃度瓦斯的前提在于有效的封孔。現今的“兩堵一注”“兩堵兩注”方法在淮北礦區廣泛應用，取得了一定的效果，但也存在一些問題，主要體現在封孔深度上。有的礦井封孔深度達25m 以上，有的在15m 左右，如何確定順層鉆孔的有效封孔深度，實現抽采有效性和封孔經濟性的平衡，是迫切需要解決的問題。

本文從淮北礦區祁南煤礦72煤層的實際條件出發，通過理論計算、鉆孔施工過程的力學響應，結合巷道瓦斯排放要求，綜合分析確定有效的封孔深度，并通過現場實踐進行驗證。

二、順層鉆孔有效封孔范圍分析

順層鉆孔在煤層巷道內施工，煤層巷道導致圍巖應力重新調整，進而引起巷周煤體裂隙系統、滲透性能的變化。沿徑向不同深度依次處于應力降低區、應力升高區和原巖應力區，各區的滲透性能表現出不同的特征。巷道周圍煤巖體裂隙演化特征及滲透率分布規律如圖1 所示。

圖1 巷道裂隙及載荷—滲透率分布示意圖

巷道表層小范圍煤體經歷過集中應力的破壞，僅以殘余強度支撐上部巖體重量，此為破碎區。該區域煤體卸荷裂隙極度發育，靠近巷道使裂隙有充足的膨脹擴容空間，裂隙連通性好、開度大，巷道軸向滲透性能與環向滲透性能處于一個數量級，可全方位滲流，從氣體流動角度看破碎區屬于高度滲流區。塑性區內煤體承受的應力逐漸增加，原本集中應力造成的大量煤體裂隙重新壓縮，裂隙連通性和開度減弱，滲透性能逐步降低，但仍高于原始煤體；集中應力峰值后的煤體未遭到破壞，雖然發育有一定數量的微觀、細觀裂隙，但是高圍壓約束使得煤體滲透性逐漸降低，并在塑性區內一定范圍（在塑性區與彈性區交界）達到最小值，形成滲流屏蔽區。經過塑性區后彈性區（粘彈性區）的應力逐漸降低到原巖應力狀態，其滲透性也逐漸恢復到原巖狀態。

從各區的裂隙發育和滲透率特征來看，一個合理的瓦斯抽采鉆孔封孔長度應大于或等于巷道圍巖塑性區厚度，而不僅僅是大于或等于巷道松動圈厚度。因此合理確定煤層巷道塑性區的范圍對于瓦斯抽采鉆孔封孔長度的確定至關重要。

三、煤層巷道塑性區的確定

巷道圍巖塑性區厚度的計算或測定的方法有許多種，常見方法包括巷道圍巖塑性區厚度的彈塑性理論、數值模擬計算等方法?；幢钡V業集團祁南煤礦72煤層通過理論計算、鉆機響應、下篩管反應和瓦斯排放幾個方面綜合確定有效的封孔深度。

1.理論計算

含瓦斯煤體具有流變的特性，煤層巷道周圍煤體的穩定需要時間，因此塑性區的范圍是時間的函數，通過理論計算，淮北礦業集團祁南煤礦72煤層的力學參數如下：f 值0.3，單軸抗壓強度1.5MPa，殘余強度0.3MPa，內摩擦角25°，軟化系數η1為2.46，軟化系數η2為1.3，瞬時剪切模量800MPa，長期剪切模量400MPa。經計算得到巷道半徑為2m 時，巷道開挖之后，巷道周圍形成塑性區半徑17.61m，并且隨著時間的增加而逐步增大，到第60 天時基本穩定在17.66m。

2.鉆孔施工過程的應力變化

順層鉆孔施工時依序通過破碎區和塑性軟化區，各區之間，甚至各區之內的應力變化也是不同的。如圖2 所示，在鉆孔鉆進的前6m，鉆頭旋轉破巖所需要的壓力維持在較低水平且略有增加，所需壓力3MPa 左右；鉆進相對容易，推進速度也比較快，此間煤體具有破碎區圍巖的特征。而后，鉆進壓力逐漸增加，且在鉆進10m 開始迅速增加，表明鉆孔已經進入應力逐漸增大的塑性區內。鉆孔鉆進14～20m 時，鉆進的速度保持穩定，壓力也趨于穩定；但20m 后鉆進速度斷崖式下降60%，這意味著集中應力的峰值在14～20m 范圍內。鉆進20m 后，鉆孔鉆進速度較低，鉆進壓力緩慢增加，具有原始應力帶特征，也可能在粘彈性區的低應力范圍。綜合判斷，集中應力峰值在14～20m 之間。

圖2 鉆孔鉆進速度與鉆孔鉆進長度的關系

工作面順層鉆孔施工長度80m 左右，鉆孔施工完成后向鉆孔內放置篩管，篩管進入鉆孔17～25m 左右時阻力明顯增大，篩管難以進入。顯然，鉆孔內發生了坍塌或變形，坍塌的煤體散落在鉆孔內部，阻礙了篩管向前運動。后期的實踐表明，篩管通過17～25m 范圍時，篩管的推進變得輕松、容易，80m 的鉆孔通常能放置長度70～75m 的篩管，表明祁南煤礦7 煤層的應力集中區可達距離巷道壁20m。

表1 巷道預排瓦斯帶寬度值

3.巷道瓦斯排放帶

巷道開挖時與開挖后，周圍煤體內的瓦斯向巷道空間涌出，造成巷道煤壁周圍煤體瓦斯壓力和瓦斯含量的下降，如表1 所示。

h值亦可采用下式計算：低變質煤h=0.808T0.55；高變質煤h=（13.85×0.0183T）/(1+0.0183T)

但瓦斯下降的范圍是有限的，封孔的范圍也要考慮巷道周圍煤體瓦斯自然排放的因素。如果封孔深度過大，雖然能夠保障抽采過程中瓦斯不進入鉆孔內部，但封孔范圍內遠離巷道壁的煤體瓦斯得不到釋放也得不到抽采，因此瓦斯壓力和含量較大，存在安全隱患。

祁南煤礦7 煤層煤質為氣肥煤。對整個工作面巷道來說，切眼附近煤層巷道的施工最晚，但開采最早，其瓦斯排放的時間最短。通常情況下，這段煤體的排放時間在200d 以上，巷道壁煤體的排放范圍可達19.7m。

綜上，通過理論計算獲得的塑性區范圍為17.66m、根據鉆進壓力確定的集中應力區為14～20m，結合巷道瓦斯有效的排放范圍為19.7m，綜合確定祁南煤礦72煤層順層鉆孔的有效封孔深度為20m。

四、試驗效果分析

為了驗證上述封孔的有效深度，分別進行了封孔深度為15m、20m 和25m 時的瓦斯濃度變化試驗，結果如圖3 所示。

圖3 不同封孔深度下的抽采瓦斯濃度

測試時，鉆孔直徑、抽采負壓、封孔方式相同，而且鉆孔內部預置了篩管。從測定結果看，三種情況下瓦斯濃度的變化趨勢是相同的，即封孔初期可保持80%甚至90%以上的濃度，而后逐漸下降，但其下降的速率差別較大。封孔深度為15m 的鉆孔瓦斯濃度下降幅度最大且最快，封孔深度20m 的次之，而封孔深度25m 的下降幅度最小且最慢。就瓦斯濃度的下降幅度來說，封孔深度20m 和25m 的區別不大，這表明封孔深度20m 是合理的。

五、結論

巷道周圍彈性范圍與塑性范圍交界的集中應力區滲透性降低，是阻礙外部空氣進入的天然屏障，通過“兩堵兩注”封堵孔邊裂隙和巷道裂隙，配合自然屏障，能實現有效的封孔；祁南煤礦72煤層通過理論計算獲得的塑性區范圍為17.66m、根據鉆進壓力確定的集中應力區為14～20m，結合巷道瓦斯有效的排放范圍為19.7m，綜合確定祁南煤礦72煤層順層鉆孔的有效封孔深度為20m。