本煤层瓦斯抽采钻孔合理密封深度确定

2019-04-04李树刚包若羽张天军

西安科技大学学报 2019年2期

李树刚，包若羽，张天军，张超，张磊

（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054；2.西安科技大学理学院，陕西西安710054；3.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054）

0 引言

瓦斯抽采对提高煤矿井下采掘效率、保障矿井生产安全有着至关重要的作用。大量事实证明，对高瓦斯矿井煤层进行瓦斯预抽可以有效解决矿井巷道内瓦斯浓度超限问题，并能消除或降低采掘工作面煤与瓦斯突出危险性［1-4］。近年来，中国的瓦斯抽采技术已经得到快速发展，但是在瓦斯抽采技术和工艺等方面仍然存在较多问题，导致很多矿井瓦斯平均抽采率较难达标［5-8］。在瓦斯抽采各环节中，钻孔的密封深度对钻孔密封质量的影响有直接关系，最终影响着钻孔的高效抽采。

钻孔合理密封深度的确定一直是瓦斯抽采钻孔各环节中的重点和难点。巷道打钻过程中煤岩体内部原有的应力平衡被打破，导致煤岩体中应力重新分布，围岩应力沿巷道径向往煤层深部依次呈现出应力降低区、峰后应力升高区、峰前应力升高区、原始应力区，而沿钻孔径向方向依次为破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区，如图1和图2所示［9-11］。

图1 巷道周围的应力分布状态Fig.1 Stress distribution around a roadway

假设钻孔密封至孔内应力降低区即破碎区内，孔内瓦斯便有了一条从钻孔周围煤体裂隙至巷道的泄漏通道，进而巷道内空气沿着这条漏气通道在抽采负压的作用下进入抽采系统当中，由此将会造成抽采系统总管瓦斯浓度较低的问题。假设钻孔密封至峰前应力升高区内，即密封深度大于应力峰值点深度时，应力屏障便形成于应力峰值点区域附近，应力屏障则中断了其两侧的瓦斯流场，与此同时，还会阻断封孔末端到应力集中峰值点间的瓦斯向钻孔内流动，进而形成抽采盲区，而且密封过深也造成了人力物力的极大浪费，这些也直接制约着煤矿的高效生产和安全管理［12-16］。因此，可以得出合理钻孔密封深度应必须超出卸压破碎区的范围，且又要刚刚小于钻孔煤壁应力峰值点的深度，即临界弹性区处［17］。

图2 钻孔周围应力分布Fig.2 Stress distribution around a borehole

针对此问题，文中研究本煤层瓦斯抽采钻孔合理密封深度，并进行现场工业性试验，期望该研究可以进一步完善本煤层瓦斯抽采钻孔合理密封深度的判定方法。

1 钻孔封孔段内壁结构观测

本煤层瓦斯抽采钻孔孔内情况较为复杂，目前获取钻孔内部情况最为直接的办法为钻孔窥视法。文中利用ZKXG30K矿用钻孔窥视仪（图3），对本煤层瓦斯抽采钻孔内部孔壁进行观测，测试地点为山西五阳煤矿3#煤层，孔内观测结果如图4所示。

图3 ZKXG30K矿用钻孔窥视仪Fig.3 ZKXG30K borehole imaging tool

图4（a）中，观测至孔内3 m处，此时钻孔内壁光滑，裂隙发育不明显，成孔质量较高；图4（b）中，观测至孔内6m处，此时由于该地点处于应力降低卸压区，在采动扰动和地应力的影响下，钻孔进入巷道破碎区内，裂隙发育贯通；图4（c）和（d）中，孔内9～13 m处钻孔产生严重变形，周围裂隙增多，并出现较多碎煤块，这是由于观测点已进入应力集中区域，孔周煤体应力较大且产生塑性变形，钻孔极易发生塌孔；图4（e）和（f）中，孔内14 m处裂隙发育逐渐结束，钻孔周围煤体弹性变形逐渐减小，钻孔结构逐渐稳定，碎煤块也开始减少；图4（g）中，观测至孔内15 m处，孔内煤体几乎没有发生破碎，仅发现少量细煤粉，此处的钻孔周围煤体受到的采动扰动也逐步减弱。

图4 孔内观测结果Fig.4 Structure observation of intra-borehole

2 钻孔合理密封深度分析

2.1 钻屑量法确定钻孔合理密封深度

2.1.1 基本原理

众所周知，在打钻过程中钻屑量从孔口位置至深部的变化量与钻孔方向孔周煤体所受应力的变化是基本一致的［18-20］。钻进至应力集中区域时，钻孔周围煤体在应力的作用下发生变形和破碎，从而引发抱钻、卡钻、断钻、顶钻等问题，导致钻孔极易发生塌孔。此时钻孔排出的钻屑量急剧增大，钻屑粒径也明显增大［21］。这种动力现象越剧烈，表明应力集中程度越高，最大钻屑量最大处为钻孔周围煤体应力集中最大值的位置［22-24］。因此，可以通过研究钻屑量的变化规律来分析煤体内的应力分布状态，并作为确定钻孔合理密封深度的参考。

2.1.2 现场实测分析

山西五阳煤矿53103工作面和53105工作面位于53采区，该区煤层瓦斯含量为7 m3/t左右，煤层倾角和煤层厚度分别为2°～4°和6.2 m.该工作面通过本煤层近水平瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采，抽采钻孔直径和间距分别为113 mm和2 m.

试验钻孔位置与现场抽采钻孔位置保持一致，保证每个试验钻孔两侧为现场抽采钻孔。分别在53103工作面和53105工作面设计5个试验钻孔，钻孔深度在20 m以内，钻孔编号为1#～10#.采用功率为1.2 kW的手持式电钻进行试验。

试验钻孔钻进过程中，详细记录每米钻进向外排出的钻屑量，备注钻进过程钻孔发生的动力现象，如顶钻、卡钻等。通过Origin软件绘制曲线并拟合，获取钻屑量与钻孔深度的规律曲线图，如图5和图6所示。

图5 53103工作面钻屑量与钻孔深度的规律曲线Fig.5 Depth-dependence of the drilling sludge in NO.53103 coalworking face

根据上述钻屑量与钻孔深度的规律曲线，可以得出

1）钻进至1～7 m的过程中，钻屑量随着钻进深度的增加表现出均匀增大；钻进至8～13m的过程中，钻屑量随钻进深度的增加表现出急剧增大；钻进至14～15 m处时钻屑量值到达峰值；

图6 53105工作面钻屑量与钻孔深度的规律曲线Fig.6 Depth-dependence of the drilling sludge in 53105 coalworking face

2）根据打钻过程中钻屑量与钻孔方向孔周煤体所受应力的变化呈基本一致这一规律，可以得出卸压区范围在钻孔孔深0～7 m段，应力升高区范围在钻孔孔深8～13 m段，应力峰值在14 m左右孔深处，孔深14m以后钻孔周围应力降低，即进入原始应力区域；

3）抽采钻孔合理密封深度应超过钻孔卸压破碎区域，又必须小于孔周煤体应力峰值点处的深度，即刚好位于煤体弹塑性变形区域的临界位置，根据上述结果，推断出14 m为五阳煤矿本煤层瓦斯抽采钻孔的合理密封深度。

2.2 钻孔合理密封深度的确定

本煤层顺层钻孔平行布置于巷道一侧，巷道长度远远大于抽采钻孔直径。煤体受原岩应力作用，巷道在煤层中掘进，抽采钻孔在巷道一侧水平布置，力学模型如图7所示，利用FLAC3D数值模拟的方法，分析模型巷道以及钻孔的应力情况。

图7 巷道与钻孔的力学模型Fig.7 Mechanicalmodel of roadway and borehole

在FLAC3D软件中建立模型，根据现场煤层数据模型采用参数见表1，结合有关工程实际情况，按照钻孔直径100 mm，长度7 500 mm，巷道直径6 000 mm，圆形巷道位于模型中心，抽采钻孔位于圆形巷道的右侧，钻孔垂直于巷道布置。利用Null模型设置巷道，固定模型左侧、右侧、底部、前、后表面位移为0，载荷为10 MPa，计算巷道周围应力分布，如图8所示，模型采用莫尔-库仑屈服准则判断破坏，σx，σy和 σz分别为钻孔剖面 xy轴方向及沿孔内方向的应力。

表1 煤岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

图8 巷道周围应力分布情况Fig.8 Stress distribution around the roadway

如图9所示，钻孔周围应力在巷道直径2倍处即钻孔孔内13～14 m处迅速增加至最大，此处为钻孔应力集中区域。由于应力集中区域处于钻孔孔周煤体弹塑性临界位置，产生塑性变形的煤体极易产生裂隙进而演变为抽采钻孔的漏气通道，据此判断现场钻孔的合理密封区域应该在孔内13～14 m区域，基本与钻屑法测试结果一致。

图9 钻孔不同深度σz应力分布情况Fig.9 Depth-dependence ofσz distribution along the borehole

3 现场试验效果

3.1 工作面情况

山西五阳煤矿3#煤层底板标高为+481～+613 m，煤层倾角 2°～4°，瓦斯含量为 7 m3/t，原始煤层瓦斯压力为0.55 MPa，该矿目前为高瓦斯矿井，测试工作面附近无地质构造。

3.2 钻孔合理密封深度现场试验实施方案

图10 53105工作面抽采钻孔布置Fig.10 Boreholes layout of53105 coal working face

由前文可知，抽采钻孔合理密封深度应超过钻孔卸压破碎区域，又必须小于孔周煤体应力峰值点处的深度，五阳矿53105工作面瓦斯抽采钻孔合理密封深度应在14 m左右。为了验证此密封深度的合理性，设计试验12个抽采钻孔，分别采用13，14和15 m 3种密封深度，每种密封深度试验4个钻孔，采用CF水泥基膨胀固化封孔材料对现场抽采钻孔进行密封。最终得到9个有效试验钻孔，分别记为 C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8和 C9，详细试验结果见表2.

表2 试验钻孔参数及密封效果Table 2 Resultsmeasured by test drilling parameters and sealing effect

3.3 试验效果分析

从表2可以发现，封孔深度为14 m和15 m的试验钻孔，其管路负压与孔口负压的差值较小，表明其密封效果整体较好。相同条件下比较瓦斯抽采纯量可以发现，14 m密封深度的抽采钻孔瓦斯抽采纯量更大，这就说明了15 m的密封深度可能导致出现抽采盲区，最终得到五阳煤矿53105工作面的瓦斯抽采钻孔密封深度为14 m较为合理。