付 帥

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 管理工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

煤與瓦斯突出多發(fā)生于煤巷掘進(jìn)過程中，巷道布置不合理或者瓦斯抽采不充分等導(dǎo)致誤采誤掘突出危險(xiǎn)性煤層，進(jìn)而引發(fā)突出事故發(fā)生，造成巨大財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡，影響工程進(jìn)度[1-3]。煤層在回采或者掘進(jìn)后，工作面前方煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在趨向新應(yīng)力平衡過程中出現(xiàn)帶狀劃分，依次為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)[4-6]。卸壓區(qū)內(nèi)應(yīng)力及瓦斯含量壓力得以釋放，往往被認(rèn)為無突出危險(xiǎn)性，在此區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)安全快速掘進(jìn)。此外，為提高抽采效果，抽采鉆孔封孔長(zhǎng)度應(yīng)盡量超過卸壓帶寬度。由此可知，準(zhǔn)確確定卸壓帶寬度對(duì)于快速掘進(jìn)及瓦斯有效抽采具有重要意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于卸壓帶確定方法進(jìn)行了大量研究，其中絕大多數(shù)學(xué)者采用傳統(tǒng)鉆孔指標(biāo)法來確定卸壓帶寬度，所采用的鉆孔參數(shù)指標(biāo)主要包括：鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆屑量、瓦斯涌出初速度、瓦斯含量及壓力，如魏風(fēng)清等[7-8]利用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)確定卸壓帶寬度并基于此確定鉆孔封孔長(zhǎng)度，對(duì)抽采效果進(jìn)行了考察；林柏泉等[9]從理論出發(fā)，對(duì)巷幫煤體進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)靜力學(xué)平衡方程，推導(dǎo)了巷幫卸壓帶理論計(jì)算公式，并提出卸壓帶與煤層厚度、埋深、上覆巖石體積力、應(yīng)力集中系數(shù)成正比，與內(nèi)摩擦角、煤層抗拉強(qiáng)度成反比，但因準(zhǔn)確獲取礦井參數(shù)較困難，計(jì)算結(jié)果確準(zhǔn)性較低；張明杰等[10]借助數(shù)值模擬軟件，結(jié)合巷幫煤體內(nèi)瓦斯含量及壓力綜合確定了卸壓帶寬度，但模型建立多基于一定假設(shè)，與實(shí)際情況有所偏離；朱麗媛等[11-12]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力下鉆桿扭矩具有顯著差異性，并利用不同鉆孔深度下扭矩變化特征確定現(xiàn)場(chǎng)巷幫卸壓帶寬度，但鉆桿扭矩影響因素較多，測(cè)試結(jié)果差異較大；何學(xué)秋等[13]測(cè)試了鉆孔鉆進(jìn)過程中煤體破裂所產(chǎn)生的電磁信號(hào)，并根據(jù)不同孔深下電磁信號(hào)的差異性確定了巷幫卸壓帶寬度，但因現(xiàn)場(chǎng)干擾較強(qiáng)，電磁信號(hào)準(zhǔn)確性較低。綜上所述，目前巷幫卸壓帶確定方法較多且都存在一定弊端，準(zhǔn)確性較低，因此對(duì)于巷幫卸壓帶寬度的準(zhǔn)確考察方法有待做進(jìn)一步研究。本文采用鉆孔氣體漏失量法確定卸壓帶寬度并與封孔法進(jìn)行對(duì)比分析，后利用鉆孔指標(biāo)法進(jìn)行了驗(yàn)證，研究結(jié)果對(duì)卸壓帶寬度的精準(zhǔn)確定具有重要意義。

1 巷幫應(yīng)力分布分析

回采巷道開挖后，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)及瓦斯壓力平衡被打破，致使原巖應(yīng)力及瓦斯壓力重新分布，巷幫煤體橫向上會(huì)形成3個(gè)區(qū)域，即卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)[14]。卸壓帶內(nèi)煤體破壞嚴(yán)重，裂隙發(fā)育完全，透氣性較高，瓦斯壓力及含量得到釋放，無突出危險(xiǎn)性；應(yīng)力集中區(qū)煤體不僅承載了自身原始應(yīng)力，還疊加了巷道掘出煤體及卸壓區(qū)煤體轉(zhuǎn)移而來應(yīng)力，應(yīng)力值最高，透氣性也最差，瓦斯壓力及含量較高，煤體突出危險(xiǎn)性較大；原巖應(yīng)力區(qū)未受采掘活動(dòng)影響，瓦斯壓力、含量仍為原始狀態(tài)，具有一定危險(xiǎn)性[15-17]。巷幫煤體的應(yīng)力分布如圖1所示，其中，k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為開采深度，m；γ為體積力。

圖1 巷幫煤體的應(yīng)力分布Fig.1 Stress distribution of coal body along the roadway

2 鉆孔氣體漏失量法卸壓帶寬度確定

巷幫卸壓帶內(nèi)因其煤體遭到嚴(yán)重破壞，裂隙四通八達(dá)與巷道或采空區(qū)相連通，施工抽采鉆孔后，卸壓帶內(nèi)會(huì)存在漏風(fēng)現(xiàn)象。基于此，本文從正壓鉆孔漏風(fēng)的角度考慮，通過漏失量法對(duì)巷幫卸壓帶寬度進(jìn)行了確定，然后利用封孔法負(fù)壓抽采再次對(duì)巷幫卸壓帶寬度進(jìn)行確定，對(duì)2種方法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 漏失量卸壓帶確定

為盡量保持測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性，選取未受采動(dòng)影響及未施工抽采鉆孔的巷道開展試驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)主要包括充氣加壓系統(tǒng)及封孔系統(tǒng)(見圖2)，加壓系統(tǒng)包括礦井壓風(fēng)系統(tǒng)、流量計(jì)、壓力表、高壓注氣管；封孔系統(tǒng)包括手動(dòng)液壓泵、高壓注水管、封孔膠囊。

1.封孔膠囊；2.手動(dòng)液壓泵；3.壓力表；4.流量計(jì)；5.高壓注氣管；6.高壓注水管；7.煤體；8.鉆孔；9.連接桿。

鉆機(jī)鉆進(jìn)至待測(cè)深度時(shí)，預(yù)留1 m氣室長(zhǎng)度，利用手動(dòng)液壓泵對(duì)膠囊進(jìn)行加壓達(dá)到封孔的目的，膠囊壓力增至2 MPa時(shí)，打開礦井的壓風(fēng)系統(tǒng)對(duì)氣室充氣，氣室壓力保持在0.6 MPa，待氣壓穩(wěn)定后讀取流量計(jì)讀數(shù)每0.5 min記錄下流量計(jì)讀數(shù)，5 min后停止記數(shù)，對(duì)膠囊卸壓后繼續(xù)鉆進(jìn)，到達(dá)下一待測(cè)深度后重復(fù)以上操縱。本次對(duì)2個(gè)鉆孔5～15 m范圍內(nèi)漏失量進(jìn)行了測(cè)量，每1 m測(cè)1次，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 鉆孔氣體漏失量測(cè)定數(shù)據(jù)Table 1 Results of borehole leakage

測(cè)試鉆孔施工后短時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)瓦斯壓力迅速下降至與巷道近似一致水平，由文獻(xiàn)[18]可知，瓦斯壓力恢復(fù)至原始?jí)毫ν枰獛滋炷酥翈资鞎r(shí)間，是相當(dāng)緩慢過程，而本文中封孔測(cè)試時(shí)間相對(duì)較短，可認(rèn)為該段時(shí)間內(nèi)瓦斯壓力未增加。此外，煤層中瓦斯吸附解吸過程也相對(duì)緩慢，因此此處不考慮鉆孔瓦斯壓力、瓦斯吸附解吸作用對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。圖3為漏失量隨鉆孔深度變化趨勢(shì)圖。由圖3可知，隨鉆孔深度增加，漏失量變化呈現(xiàn)一定規(guī)律性，即快速下降至某一穩(wěn)定值后小幅度波動(dòng)變化。在11 m之前，漏失量大幅度下降，11 m之后漏失量在10 L左右小幅度波動(dòng)，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由于卸壓帶內(nèi)煤體破壞最為劇烈，徑向及環(huán)向裂隙充分發(fā)育，相互貫通，與巷道連通漏失量大，距巷幫距離越遠(yuǎn)，煤體受采動(dòng)影響越小，破壞程度逐漸減小，煤體內(nèi)新生孔裂隙密度減小，漏失量也會(huì)逐漸減小。因應(yīng)力集中區(qū)煤體承受載荷較高，煤層中原始或新生裂隙在應(yīng)力作用下出現(xiàn)閉合，漏失量達(dá)到最小。進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后，煤層基本未受采動(dòng)影響，此時(shí)鉆孔漏失量差異不大。結(jié)合圖2可得11 m之前為卸壓區(qū)域。

圖3 鉆孔漏失量隨深度變化趨勢(shì)Fig.3 Drilling leakage loss trend with depth

2.2 封孔法卸壓帶確定

利用封孔法確定卸壓帶寬度，共施工平行瓦斯抽采鉆孔2組，每組11個(gè)，鉆孔間距2 m，單孔長(zhǎng)度30 m，按照礦上現(xiàn)行的瓦斯抽采鉆孔封孔方法(聚氨酯封孔)，分別將封孔長(zhǎng)度確定為5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，10 ，11 ，12，13 ，14 ，15 m，采用邊打邊封，即每打完1個(gè)鉆孔后就及時(shí)封孔。抽采鉆孔布置如圖4所示。

1.抽采鉆孔；2.封孔抽采管；3.聚氨酯封孔劑；4.巷幫煤體。圖4 抽采鉆孔布置及封孔平面示意Fig.4 Drilling arrangement and sealing plane diagram

每個(gè)鉆孔施工完畢后，盡快連接抽放系統(tǒng)，并記錄7～10 d瓦斯抽采濃度值及抽采純量。計(jì)算不同封孔長(zhǎng)度鉆孔平均瓦斯抽采濃度及抽采純量，結(jié)果見圖5。

圖5 孔深與瓦斯?jié)舛燃俺椴杉兞筷P(guān)系Fig.5 Relationship between hole depth and gas concentration, extraction scalar quantity

由圖5可看出，抽采純量與抽采濃度具有較好一致性，變化趨勢(shì)近似一致，本文以抽采濃度為例進(jìn)行分析。2組鉆孔抽采濃度具有一定差異性，第2組鉆孔在封孔段9 m之前，瓦斯?jié)舛入S孔深快速上升，9 m時(shí)出現(xiàn)一跳躍式增加后開始趨于穩(wěn)定，而第1組鉆孔封孔段8 m前瓦斯?jié)舛容^穩(wěn)定，8～9 m出現(xiàn)一跳躍式增加后也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。分析其原因?yàn)椋旱?組鉆孔處在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，煤體較軟塑形強(qiáng)脆性弱，透氣性比較差，因此其瓦斯抽采濃度在封孔長(zhǎng)度較小時(shí)規(guī)律性不明顯。卸壓帶內(nèi)漏風(fēng)嚴(yán)重，若封孔長(zhǎng)度小于卸壓帶寬度，抽采鉆孔會(huì)出現(xiàn)高流量低濃度現(xiàn)象，而封孔長(zhǎng)度處在應(yīng)力集中區(qū)與卸壓區(qū)交界處時(shí)，抽放效果最佳，抽采純量最高，由此可確定2組鉆孔區(qū)域內(nèi)卸壓帶寬度分別為9 m和10 m。

2.3 鉆孔氣體漏失量法卸壓帶確定

漏失量確定卸壓帶寬度結(jié)果為11 m，而封孔法確定卸壓帶寬度為9～10 m。因漏失量確定采用壓風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行壓風(fēng)充氣，高壓氣體對(duì)煤層內(nèi)裂隙具有楔形劈裂作用，因此會(huì)造成裂隙擴(kuò)展，造成測(cè)得卸壓帶寬度偏大，而封孔法直接連接抽放系統(tǒng)，測(cè)試過程符合實(shí)際抽采過程，測(cè)試結(jié)果較準(zhǔn)確，綜上可知，利用鉆孔漏失量法測(cè)試卸壓帶寬度時(shí)，測(cè)試結(jié)果偏高，而封孔法測(cè)試結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，結(jié)合2種辦法綜合確定該礦巷幫卸壓帶寬度為9～10 m。

3 卸壓范圍驗(yàn)證

鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)及瓦斯涌出初速度在卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)具有明顯的規(guī)律性，卸壓區(qū)內(nèi)3個(gè)參數(shù)隨孔深增加而增加，在卸壓區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)交界處瓦斯涌出初速度達(dá)到最大值，而鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)最大值出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)峰值位置，進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后，3個(gè)參數(shù)又趨于穩(wěn)定值?；诖?，本文通過鉆孔指標(biāo)法對(duì)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文在同一區(qū)域共施工3個(gè)驗(yàn)證孔，孔徑為φ42 mm，單孔深度為15 m，鉆孔間距為3 m，具體布置見圖6。

圖6 鉆孔布置立面Fig.6 Drilling layout elevation

3個(gè)驗(yàn)證孔自4 m開始，每1 m測(cè)1次鉆屑量、鉆卸瓦斯解吸指標(biāo)及瓦斯涌出初速度，3個(gè)鉆孔指標(biāo)參數(shù)變化趨勢(shì)見圖7～9。

圖7 不同孔深下鉆屑量變化Fig.7 Variation of cuttings volume under different hole depths

圖8 不同孔深鉆屑解吸指標(biāo)變化Fig.8 Variation of drill cuttings desorption index under different hole depths

圖9 不同孔深鉆孔瓦斯涌出初速度變化Fig.9 Variation of initial velocity under different 9hole depths

由圖7～8可知，在孔深13～14 m后鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)趨于穩(wěn)定值，可認(rèn)為其為原巖應(yīng)力區(qū)，根據(jù)原巖應(yīng)力區(qū)2個(gè)參數(shù)值做平行線與參數(shù)上升段曲線交點(diǎn)即為卸壓區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)交界處，因此由鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指確定得到卸壓帶寬度為9～10 m。由圖9可知瓦斯涌出初速度在鉆孔深度10 m/s左右時(shí)達(dá)到峰值，可認(rèn)為卸壓帶寬度為10 m。3參數(shù)綜合確定卸壓帶寬度為9～10 m。這與前邊采用漏失量法得到的結(jié)果是一致的，由此可認(rèn)為前文測(cè)試卸壓帶寬度是有效的。

4 討論

本文所采用漏失量法相比較于封孔法來說，測(cè)試過程更加簡(jiǎn)單，能夠節(jié)省人力、物力及財(cái)力，但是測(cè)試結(jié)果偏高，這就需要對(duì)漏失量法所得結(jié)果進(jìn)行修正。封孔法及鉆孔參數(shù)法測(cè)試結(jié)果最接近真實(shí)值，可通過對(duì)比分析漏失量法所測(cè)結(jié)果與上述2種方法所測(cè)結(jié)果，找到規(guī)律即可對(duì)漏失量法所得結(jié)果進(jìn)行科學(xué)修正。本文中該礦封孔法及鉆孔參數(shù)測(cè)試卸壓帶寬度為9～10 m，漏失量法測(cè)試結(jié)果為11 m，可得漏失量法所測(cè)結(jié)果存在1～2 m的誤差，基于安全考慮，此處應(yīng)取其最大誤差量作為誤差參考量，即可認(rèn)為在該礦漏失量所測(cè)結(jié)果減去2 m為最終結(jié)果。相比較于鉆孔參數(shù)法，漏失量法略顯復(fù)雜，但對(duì)于部分低瓦斯或高瓦斯礦井在沒有測(cè)試鉆孔參數(shù)儀器設(shè)備及技術(shù)水平時(shí)，可考慮采用漏失量法進(jìn)行卸壓帶寬度確定。

5 結(jié)論

1)利用鉆孔氣體漏失量法測(cè)定某礦巷幫卸壓帶寬度為11 m，封孔法測(cè)定該礦巷幫卸壓帶寬度為9～10 m。

2)鉆孔漏失量法因充入高壓氣體使原始裂隙承受楔形劈裂作用，造成裂隙擴(kuò)張，測(cè)得卸壓帶寬度大于實(shí)際值，而礦井抽放鉆孔實(shí)際為負(fù)壓抽放，封孔法更接近實(shí)際值，因此綜合確定漏失量法測(cè)得卸壓帶寬度為9～10 m。

3)利用鉆孔指標(biāo)法，通過鉆屑量、瓦斯涌出初速度及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)3個(gè)參數(shù)來確定卸壓帶寬度為9～10 m，證明了上述結(jié)論的可靠性。