孤島工作面復雜應力條件下瓦斯抽放鉆孔工藝研究

李云波 李筆文 陳天柱

（1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

王坡煤礦3206 工作面是位于二采區集中巷南側的孤島工作面，兩側為3204 和3208 工作面采空區，工作面應力分布復雜，局部應力集中現象明顯且煤層破碎。瓦斯抽放鉆孔面臨深度淺、分布不均勻、抽采效率低、施工難度大等突出問題，瓦斯治理一直是保證煤礦安全生產的重要環節[1]。

本文在分析孤島工作面礦壓顯現規律及其對鉆孔路徑影響的基礎上，升級改造鉆機鉆具，同時優化本煤層瓦斯抽放鉆孔施工工藝，達到降低成本、提高效率的目的。

1 孤島工作面鉆孔施工影響因素分析

1.1 孤島工作面特點

所采3#煤層位于二疊系下統山西組下部，平均埋藏深度約500 m，平均厚度約5.76 m，傾角2°～10°，在研究區廣泛分布，且全區可采。工作面長度約2.2 km，工作面分布如圖1。

圖1 工作面平面布置圖

1.2 瓦斯抽放鉆孔特點

瓦斯抽放鉆孔抽采瓦斯是目前煤礦井下瓦斯治理最有效的措施，對保障煤礦安全生產起重要作用[2]。目前，國內已有系列化的用于瓦斯抽采鉆孔施工全液壓坑道鉆機，并快速向著自動化、智能化的方向發展[3]。但是，松軟突出煤層鉆孔深度淺、成孔率低仍然是制約煤礦瓦斯抽采效率的主要因素，解決這類問題的關鍵技術及其裝備研發是瓦斯防治領域最緊要的課題[4-5]。王坡煤礦孤島工作面地質條件極為復雜，一方面，斷層、陷落柱等不良地質構造發育，且煤體內部弱面發育，使煤層整體強度降低；另一方面，兩側采空區引起的應力重新分布及塑性破壞區的發育使得工作面鉆孔施工難度進一步增加。

1.3 孤島工作面對鉆孔的影響分析

假設鉆孔周圍煤巖均質、各向同性的條件下，可以將鉆孔周圍應力簡化為靜水壓力（λ=1），鉆孔周圍塑性區一般為圓形或橢圓形，范圍有限；但在復雜地應力條件下（λ≠1），偏應力較大時，塑性區會表現為蝶形非線性破壞[6]，影響范圍遠超過理想的靜水壓力條件下的理論值。如圖2。

圖2 鉆孔圍巖受力模型

鉆孔穿越塑性破壞區或者應力集中區時，容易造成卡鉆或者塌孔事故，了解煤巖內部應力分布特征和破壞規律，是研究孔內事故發生、判別和防治的理論基礎。

2 孤島工作面應力分布與破壞特征

前文分析認為，影響孤島工作面瓦斯抽放鉆孔鉆進效率和成孔效果的主要因素是其復雜的地應力特征，這里以王坡煤礦孤島工作面水平鉆孔施工為背景，利用有限差分軟件FLAC 對研究區應力分布和破壞特征進行模擬。

2.1 數值模型的建立

3206 孤島工作面寬度138 m，相鄰3208、3204采空區寬度分別為173 m 和154 m，中間煤柱約30 m。工作面走向超過2000 m，前期鉆孔施工是在停采期間進行，通過建立薄片模型對工作面中部垂直走向應力分布特征進行模擬研究。假定各地層內部均勻連續，且通過上部均勻荷載代替覆蓋層壓力，建立了橫跨五個工作面的等比例計算模型，如圖3。

圖3 數值模型

2.2 數值模擬結果分析

1）應力分布特征

3206 孤島工作面中最大主應力（圖4a）與豎向應力（圖4c）呈馬鞍狀，在煤壁一定距離有明顯應力集中現象。分析煤巖特征及開采條件得出，由于工作面上覆巖層厚度大、完整度高，采空區上方出現應力拱殼效應，在拱腳位置應力增大，兩側應力疊加后在孤島工作面出現這一特殊現象。同時，在拱腳上方XZ 向應力出現倒三角形的應力異常區，應力均指向采空區。

圖4 孤島工作面應力分布云圖

2）變形破壞特征

工作面總位移（圖5a）和豎向位移（圖5b）表現為馬鞍狀，受應力集中作用和凌空面的影響，拱腳處位移量最大，工作面中心部位位移量小，局部出現上拱現象。水平位移（圖5c）皆由煤壁指向采空區，且從采空區向內逐漸減小。

圖5 孤島工作面位移云圖

孤島工作面塑性區分布如圖6。側向支承壓力作用于煤體，煤體發生塑性變形，尤其是煤壁附近的煤體內聚力大大降低，內摩擦角也變小，因此煤壁處煤體的抗剪強度很大程度地降低，煤體受力后更加容易破壞，從而發生煤壁破碎。煤壁附近頂板內形成倒三角形破壞區，在地質作用和采煤活動影響下，其容易貫穿頂板破壞工作面覆巖的穩定性。

圖6 孤島工作面塑性區分布

2.3 數值模擬的可靠性分析

孤島工作面鉆孔路徑上應力分布如圖7，開采前處于應力平衡狀態，采煤活動打破了這種平衡，在采空區前方一定范圍形成應力集中區。同時煤巖體應力狀態表現出明顯的規律性，根據空間分布特征將其劃分成4 個區域：Ⅰ-應力消減區，Ⅱ-峰后應力增高區，Ⅲ-峰前應力增高區，Ⅳ-未擾動區。

圖7 應力分布示意圖

煤層開采后形成的采空區無法承載地應力，近距離的煤巖體發生塑性應變，出現應力集中現象，主要特征表現為：1）局部煤巖體承受應力超過強度上限，發生塑性破壞，內部彈性勢能減小甚至消失，同時有大量裂隙出現。2）峰后應力增高區承受應力超過強度上限，內部產生許多的微小裂隙，最后貫通形成大裂隙，受集中應力影響，處于彈性軟化變形階段。3）峰前應力增高區應力逐漸變高，未超過強度極限的地質體屬于彈性變形階段，受圍壓影響，地質體內原有裂隙在擠壓作用下閉合，同時產生又破壞產生新的裂隙，該區域裂隙輕微發育。4）未擾動區煤巖體應力分布未受到采動作用的影響，地層比較穩定。

通過對工作面應力特征的分析研究，對研究區瓦斯抽放鉆孔過程中在20～50 m 范圍遇到鉆進困難的原因有了更加清楚的認識，也為鉆孔工藝優化提供可靠的理論依據。

3 孤島工作面鉆孔工藝與試驗效果

3.1 鉆孔裝備和施工工藝

1）裝備優化改造

ZDY6500LP 是一款全液壓履帶式鉆機，該鉆機采用轉盤結構、變幅機構、組合油缸等模塊化結構形式，可實現中間加桿和后方加桿，滿足不同工藝要求。根據前期試驗，將鉆機最大轉矩由6000 N·m升級為了10 000 N·m，以更好滿足王坡煤礦碎軟煤層中成孔的需要。

現場試驗了四種規格的鉆桿，即Φ60.3/95 mm螺旋鉆桿、Φ73/89 mm 螺旋鉆桿、Φ89 mm 三棱螺旋鉆桿和Φ63.5/100-28 mm 螺旋鉆桿。通過控制變量的方法，對鉆桿間連接方式、翼片結構、通孔直徑等因素對成孔效果的影響進行試驗研究。

2）螺旋鉆桿回轉鉆進工藝

大螺旋排渣鉆孔設計軌跡長、排渣距離遠，受孤島工作面復雜地壓影響，易出現塌孔、堵孔等事故。在試驗過程中針對鉆孔軌跡控制、工程管理和孔內事故應對等因素進行了優化。

① 合理控制鉆孔傾角。盡可能選擇沿煤層傾向方向由低處向高處鉆進，使鉆孔保持一定的仰角。

② 設計階段查清工作面地質狀況，避開斷層、陷落柱等破碎地質體，同時注意應力集中區分布范圍。

③ 發生卡鉆等事故后，通過分析事故點的空間位置及事故發生的原因，科學制定處置方案。

3.2 現場試驗

鉆孔沿巷道平行布置，垂直巷道向3206 孤島工作面施工。考慮煤層穩定性及透氣性，設計鉆孔間距4 m，開孔傾角依據煤層賦存情況初步設計0°～-10°，鉆孔設計孔深100 m。鉆孔設計參數見表1。

表1 鉆孔設計參數

3.3 效果分析

前文所述四種螺旋鉆桿，孔深大于100 m 鉆孔成孔率分別為60%、55.6%、54.5%和80%。其中，Φ63.5/100-28 mm 螺旋鉆桿施工鉆孔成孔率顯著高于其他三種鉆具組合，一方面其采用插接式連接方式，在通過應力集中孔段時，可采用正轉+反轉形式強力回轉掃孔排渣；另一方面Φ63.5/100-28 mm螺旋鉆桿為大通孔結構，通孔直徑28 mm，鉆孔施工過程中可以配氮氣進行輔助排渣，從而顯著提高鉆進過程排渣效率，更有利于復雜地層條件下鉆孔高效成孔。

4 總結

針對3206 孤島工作面復雜地質條件下鉆進困難、瓦斯預抽不到位的情況，一方面以數值計算和現場監測為基本手段，通過動態分析確定了孤島工作面馬鞍狀應力分布特征和塑性區分布范圍；另一方面有針對性地研發了大扭矩鉆機，并對螺旋鉆桿的結構進行了優化，能夠適應不良地質體鉆進排渣。在理論分析和大量試驗研究的基礎上，優化了復雜地應力條件下碎軟、高瓦斯煤層鉆孔施工工藝技術體系，為解決碎軟煤層瓦斯預抽困難的問題提供新思路，為瓦斯高效預抽和煤礦安全生產提供基本保障，具有廣泛的推廣應用前景。