底板巷穿層鉆孔合理封孔段位置的研究與確定

曾學禮 魯義 尹紅球

（1.湖南煤礦安全監察局安全技術中心，湖南 長沙 410018；2.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；3.湖南省煤業集團嘉禾礦業股份有限公司，湖南 郴州 424500；4.湖南科技大學南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制國家安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201）

利用鉆孔進行瓦斯抽采是煤與瓦斯突出災害治理和瓦斯清潔能源利用的重要手段之一[1-2]。瓦斯抽采效果與很多因素有關，其中抽采鉆孔封孔段位置對抽采效果具有重要影響[3]。封孔位置不合理，將會導致抽采效果不理想或者增加不必要的工程量[4]。因此確定合理的封孔段位置是提高瓦斯抽采濃度、確保煤層安全開采的關鍵因素之一。

1 概況

嘉禾礦業有限公司浦溪井為突出礦井，位于嘉禾縣東北部。礦井共含煤七層，從上至下依次為II煤、III煤、IV煤、V煤、V2煤、VI煤和VII煤，其中V煤賦存穩定，為礦井主采煤層，II煤和VI煤為局部可采煤層。Ⅴ煤位于斗嶺組中段的中部，煤厚0～13m，平均2.42m，煤層結構簡單，煤層形態為層狀或似層狀，連續性較好，但厚度變化幅度大，煤層硬度極低，極易碎成粉末狀，其堅固性系數僅為0.2左右。煤層透氣性系數為0.5994 m2/MPa2·d，煤層瓦斯含量為10.55m3/t，鉆孔流量衰減系數為0.1416d-1，煤層瓦斯壓力為0.99MPa。目前礦井采用底板巷鉆場穿層鉆孔進行采前預抽。為了確定合理的封孔段位置，試驗地點選在2254底板巷。

2 穿層鉆孔封孔位置數值模擬

2.1 物理模型的建立

根據2254底抽巷的實際情況建立物理模型，通過軟件對穿層鉆孔的封孔位置進行模擬。2254底板巷為錨噴巷道，標高-100m，巖性為細砂巖。利用Comsol Multiphysic軟件建立物理模型，如圖1所示。該模型尺寸為50m×50m，半圓拱形巷道位于模型中部，模型下邊界為固定約束邊界，左右邊界為輥邊界，上部邊界施加均布載荷模擬上覆巖層壓力。煤巖層類別從上至下依次為砂巖、Ⅴ煤、砂巖、細砂巖、泥巖和Ⅵ煤。

圖1 物理模型

2.2 煤巖物理模型

模擬的底板巷圍巖材料性質如表1所示。

表1 煤巖物理模型參數

3 模擬結果分析

底板巷道在開挖過程中打破了原先的原巖應力平衡狀態，發生應力轉移變化，由巷道壁向深部巖體依次形成卸壓區、應力集中區和原巖應力區。若在卸壓區內進行封孔操作，由于大量裂隙的存在會使得封孔質量不佳。因此為了提高封孔質量，減小地應力對圍巖的影響，封孔段必須越過卸壓區，布置在巷道垂直方向上的應力集中區或原始應力區內[5]。

圖2 巷道周圍應力分布圖

由圖2所示的應力分布云圖可以看出，巷道周邊的圍巖應力基本對稱分布，巷道周圍水平方向上的應力大于原始應力，而垂直方向上的應力低于原始應力，即底板巷左右兩側出現應力集中現象，巷道垂直方向上出現應力卸壓現象。為更好地研究穿層鉆孔周邊巖體應力的變化情況，在模型中巷頂中部及偏右的方向上布置四組應力監測點，布置方式為每3m設置一個監測點。四組監測點分別是：（1）巷道中點；（2）巷道中點偏右0.5m；（3）巷道中點偏右1.0m；（4）巷道中點偏右1.3m。

圖3 應力比值圖

如圖3所示，縱坐標表示監測點的應力與監測點原巖應力的比值。由曲線可以得知：四條曲線在距離巷頂6m時，開始接近；距離巷頂9m時基本重合；當距離巷頂18m時，應力比值逼近1:1，此時巖層中底板巷巷頂的應力基本等同于原巖應力。由曲線的走向可基本確定距離巷頂9～21m時為原巖應力區或接近原巖應力區。

綜合以上情況，再結合現場底板巷與煤層底板之間的垂直距離為15m，故最終確定穿層鉆孔封孔段布置在垂直距離底板巷巷頂9～15m的區域內。由于穿層鉆孔抽采瓦斯時會預設多個傾斜鉆孔，為了保證封孔質量，這些鉆孔封孔段在垂直方向上的投影也應在距巷頂的垂直距離為9～15m的范圍內。

4 現場試驗

為了確定合理的封孔段位置，通過對比分析應用不同封孔段位置的鉆孔瓦斯抽采效果，進而確定合理的封孔段位置。

試驗地點選在2254底板巷，設置三組試驗鉆孔，每組施工5個鉆孔。第一組、第二組和第三組鉆孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度分別為7m、11m和13m，封孔長度為6m。各組鉆孔施工的具體參數如表2所示。

表2 鉆孔施工參數表

按照上述的鉆孔布置方案施工鉆孔并密封，并將各組的5個鉆孔聯網抽采，連續觀測60d得到各組鉆孔的瓦斯抽采濃度數據。整理數據后，繪制出各組的抽采濃度隨時間的變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，3個試驗組的瓦斯濃度有不同變化。第一組的變化分為三個階段：第一階段，瓦斯濃度逐漸升高；第二階段，瓦斯濃度先降低后趨于平緩；第三階段，瓦斯濃度降低幅度較大。第二組和第三組的瓦斯濃度變化也分為三個階段：第一階段，瓦斯濃度逐漸升高；第二階段，瓦斯濃度緩慢降低；第三階段，瓦斯濃度變化逐漸趨于平緩。第二組和第三組的瓦斯抽采濃度均較高，且差別較小，抽采效果均較好。第一組的抽采濃度低于第二組和第三組，且瓦斯濃度變化幅度較大，抽采效果較差。因此從經濟方面和抽采效果考慮，鉆孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度為11m時，既能保證抽采效果，又能節約施工成本。

圖4 各組抽采鉆孔瓦斯濃度變化圖

5 結論

（1）通過Comsol Multiphysic軟件模擬巷道周圍的應力分布，從而確定2254底板巷穿層鉆孔封孔段布置在垂直距離底板巷巷頂9～15m的區域內。為了保證封孔質量，傾斜鉆孔封孔段在垂直方向上的投影也應在距巷頂的垂直距離為9～15m的范圍內。

（2）通過分析應用不同封孔段位置抽采鉆孔的抽采效果可知，2254底板巷穿層鉆孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度為11m時，既能保證抽采效果，又能節約施工成本。