深部煤層瓦斯抽采鉆孔變形失穩區域研究

張天剛，張學博，2

(1.河南神火煤電股份有限公司，河南 永城 476600； 2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

煤炭是我國能源的基礎，“富煤、少油、缺氣”的能源結構特點，決定了煤炭在我國一次性能源結構中仍處于絕對主導地位[1-2]。深部開采煤層處于“三高一低”(高地溫、高地應力、高瓦斯壓力和低滲透性)多場耦合復雜的賦存環境，深部煤層瓦斯災害防治必然面臨新的挑戰。鉆孔瓦斯抽采是防治礦井瓦斯災害事故的最重要措施之一。抽采鉆孔在深部煤層施工時及抽采過程中，噴孔、塌孔等現象將更加頻繁出現，鉆孔成孔難、大范圍坍塌堵塞導致的鉆孔有效抽采長度及有效抽采斷面難以保障等問題將更加嚴重。這將嚴重影響瓦斯抽采效率，極大地限制瓦斯抽采達標的進程，增大煤炭開采時的瓦斯災害風險[3-6]。因此，如何有效解決深部開采煤層抽采鉆孔失穩坍塌問題、提高瓦斯抽采效率是急需解決的難題。

研究深部煤層瓦斯抽采鉆孔變形失穩區域，確定抽采鉆孔變形失穩位置，對鉆孔失穩坍塌區域的準確防護、進而解決深部開采煤層抽采鉆孔失穩坍塌問題有著重要意義。

1 抽采鉆孔變形失穩區域分析

抽采鉆孔變形失穩坍塌如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔失穩坍塌示意Fig.1 Instability and collapse of extraction borehole

巷道的開挖會造成圍巖應力重新分布，使其圍巖應力存在卸壓區、應力增高區、原巖應力區3個區域，如圖2所示。抽采鉆孔施工后，鉆孔部分區域位于卸壓區、部分位于應力增高區、部分位于原巖應力區，以下對處于不同應力分布區域的抽采鉆孔變形失穩情況進行研究。

圖2 巷幫煤體應力分布Fig.2 Stress distribution of coal body in roadway

在3個區域分別取3個研究斷面，其應力取值分別為卸壓區應力16.2 MPa(相當于埋深600 m)、應力增高區應力27.0 MPa(相當于埋深1 km)、原巖應力區應力21.6 MPa(相當于埋深800 m)。數值模擬得到不同部位鉆孔變形失穩情況如圖3所示。由圖3可以看出，不同部位抽采鉆孔的失穩情況有較大不同，巷道卸壓區應力較小，沒有達到鉆孔失穩的條件，鉆孔完好，沒有發生失穩；原巖應力區的鉆孔發生了低程度的失穩，在鉆孔頂部發生了輕微冒落，下部也出現了煤塊剝落現象；應力增高區的鉆孔發生了嚴重失穩，鉆孔發生嚴重坍塌、堵塞。通過監測鉆孔孔壁頂底部及兩側4處位移變化情況可知：巷道卸壓區鉆孔孔壁上下和兩側總變形量僅為1.2、0.5 mm，孔徑基本不變，鉆孔形狀依然保持為準圓形；巷道原巖應力區鉆孔孔壁上下和兩側總變形量分別為25.1、9.1mm，孔徑縮小不少，鉆孔形狀變為類橢圓形；巷道應力增高區鉆孔孔壁上下和兩側總變形量分別為102.4、32.4 mm，鉆孔發生坍塌。

圖3 抽采鉆孔不同部位變形失穩情況Fig.3 Deformation and instability of different parts

地質因素和鉆孔施工工藝是鉆孔孔壁穩定性的主要影響因素，成孔后鉆孔位于巷道圍巖應力增高區的部分最易發生嚴重失穩坍塌，位于圍巖原巖應力區的部分易發生輕微變形失穩，位于圍巖卸壓區的部分不易發生變形失穩[7-9]。

郭恒等[10]對鉆孔施工至不同區域時孔壁穩定性也進行了研究，認為鉆孔施工至圍巖卸壓區最容易發生垮孔，應力增高區中峰值強度附近區域容易發生垮孔和噴孔，應力增高區中峰值強度后區域發生垮孔和噴孔的概率不大，原巖應力區孔壁相對比較穩定。

鉆孔聯網抽采前要進行封孔，目前一般采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝，封堵漿液可以深入煤體微裂隙內，并產生凝聚力與煤體顆粒固結在一起，有效密封巷道卸壓區漏氣通道，從而達到提高瓦斯抽采效果的目的。鉆孔采用此封孔工藝后，卸壓區鉆孔就不會發生垮孔等失穩現象。

綜上所述，鉆孔成孔后，位于巷道圍巖應力增高區的部分，特別是在應力峰值附近，鉆孔容易發生失穩坍塌。

2 松軟煤層抽采鉆孔易變形失穩區域計算

根據彈塑性軟化理論模型，巷道圍巖裂隙區和塑性區半徑分別用式(1)、式(2)計算[7]：

Rx=

(1)

Rs=

(2)

(3)

根據式(1)、式(2)，當煤(巖)體參數取不同值時，可分別得到裂隙區/塑性區半徑變化情況，如圖4所示。

圖4 圍巖裂隙區/塑性區半徑變化情況Fig.4 Radius variation of fracture and plastic zone of surrounding rock

由圖4可以看出，巷道半徑對圍巖裂隙區/塑性區半徑影響較大；圍巖裂隙區/塑性區半徑隨著巷道半徑、原巖應力的增加呈線性增加趨勢，隨煤(巖)體抗壓強度、內摩擦角的增加而逐漸減小。當原巖應力為27 MPa、巷道半徑為2.5 m、煤體抗壓強度為7.3 MPa、內摩擦角為30°時，由式(1)和式(2)可計算出其圍巖裂隙區、塑性區半徑分別為8.0、9.28 m。由前面分析可知，此時鉆孔位于巷道圍巖內9.28 m左右區域容易發生失穩坍塌。

由鉆孔失穩機理分析可知，只要鉆孔周圍煤體承受應力超過其強度極限就會發生失穩破壞；而現場實際鉆孔變形失穩情況還與巷道采掘擾動、鉆孔施工情況、煤層瓦斯應力及地質情況有關，復雜的地質情況、采掘活動的擾動、鉆孔施工工藝的不同，這些因素都會導致煤體應力分布不盡相同，這會造成現場鉆孔失穩坍塌的部位有所不同；此外，鉆孔封孔后，由于孔口封孔區域有了支撐，煤體應力分布也會隨著封孔長度的不同而有所變化，鉆孔失穩坍塌部位與封孔前也有所不同。

現場觀測的鉆孔塌孔情況也證明了這一點，如劉春[11]為了考察松軟煤層瓦斯抽采鉆孔壁變形失穩情況，在首山礦工作面進風巷采用微型探孔攝像機對瓦斯抽采鉆孔內部結構觀測發現，127號鉆孔在孔深13 m處發生孔壁剝落、105號鉆孔在孔深25 m處發生坍塌。

3 結論

(1)結合數值分析結果，確定了抽采鉆孔易失穩區域。不同部位抽采鉆孔的失穩情況有較大不同，巷道卸壓區應力較小，鉆孔不易發生失穩；原巖應力區的鉆孔發生低程度的失穩，在鉆孔頂部輕微冒落，下部出現煤塊剝落現象；應力增高區的鉆孔發生了嚴重失穩，鉆孔發生嚴重坍塌、堵塞。

(2)利用彈塑性軟化理論模型，研究巷道圍巖裂隙區和塑性區半徑的變化規律。巷道半徑對圍巖裂隙區/塑性區半徑影響較大；圍巖裂隙區/塑性區半徑隨著巷道半徑、原巖應力的增加呈線性增加趨勢，隨煤(巖)體抗壓強度、內摩擦角的增加而逐漸減小。鉆孔位于巷道圍巖內9.28 m左右區域容易發生失穩坍塌。

(3)現場實際鉆孔變形失穩影響因素眾多，煤體應力分布不盡相同，現場鉆孔失穩坍塌的部位亦有所不同。研究成果對鉆孔失穩坍塌區域的準確防護、進而解決深部開采煤層抽采鉆孔失穩坍塌問題有著重要意義。