李樹剛 包若羽 張?zhí)燔? 張超 張磊

摘要：為了確定本煤層瓦斯抽采鉆孔的合理密封深度，進而改善本煤層瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，提出了瓦斯抽采鉆孔合理密封深度的綜合判定辦法。通過理論分析鉆孔周圍煤體應(yīng)力分布和破壞情況，并利用ZKXG30K礦用鉆孔窺視儀直觀確定了抽采鉆孔內(nèi)部情況，根據(jù)數(shù)值模擬法和現(xiàn)場鉆屑法的實測結(jié)果，初步確定了井下工作面瓦斯抽采鉆孔的合理密封深度，最終結(jié)合五陽礦53105工作面現(xiàn)場試驗應(yīng)用的驗證，確定了五陽礦53105工作面較理想的鉆孔密封深度為14 m.研究成果為本煤層瓦斯抽采鉆孔高效密封提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;鉆孔密封;合理密封深度;本煤層

中圖分類號：TD 821文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0201文章編號：1672-9315（2019）02-0183-06

0引言

瓦斯抽采對提高煤礦井下采掘效率、保障礦井生產(chǎn)安全有著至關(guān)重要的作用。大量事實證明，對高瓦斯礦井煤層進行瓦斯預(yù)抽可以有效解決礦井巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，并能消除或降低采掘工作面煤與瓦斯突出危險性[1-4]。近年來，中國的瓦斯抽采技術(shù)已經(jīng)得到快速發(fā)展，但是在瓦斯抽采技術(shù)和工藝等方面仍然存在較多問題，導(dǎo)致很多礦井瓦斯平均抽采率較難達標(biāo)[5-8]。在瓦斯抽采各環(huán)節(jié)中，鉆孔的密封深度對鉆孔密封質(zhì)量的影響有直接關(guān)系，最終影響著鉆孔的高效抽采。

鉆孔合理密封深度的確定一直是瓦斯抽采鉆孔各環(huán)節(jié)中的重點和難點。巷道打鉆過程中煤巖體內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致煤巖體中應(yīng)力重新分布，圍巖應(yīng)力沿巷道徑向往煤層深部依次呈現(xiàn)出應(yīng)力降低區(qū)、峰后應(yīng)力升高區(qū)、峰前應(yīng)力升高區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)，而沿鉆孔徑向方向依次為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如圖1和圖2所示[9-11]。

假設(shè)鉆孔密封至孔內(nèi)應(yīng)力降低區(qū)即破碎區(qū)內(nèi)，孔內(nèi)瓦斯便有了一條從鉆孔周圍煤體裂隙至巷道的泄漏通道，進而巷道內(nèi)空氣沿著這條漏氣通道在抽采負壓的作用下進入抽采系統(tǒng)當(dāng)中，由此將會造成抽采系統(tǒng)總管瓦斯?jié)舛容^低的問題。假設(shè)鉆孔密封至峰前應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)，即密封深度大于應(yīng)力峰值點深度時，應(yīng)力屏障便形成于應(yīng)力峰值點區(qū)域附近，應(yīng)力屏障則中斷了其兩側(cè)的瓦斯流場，與此同時，還會阻斷封孔末端到應(yīng)力集中峰值點間的瓦斯向鉆孔內(nèi)流動，進而形成抽采盲區(qū)，而且密封過深也造成了人力物力的極大浪費，這些也直接制約著煤礦的高效生產(chǎn)和安全管理[12-16]。因此，可以得出合理鉆孔密封深度應(yīng)必須超出卸壓破碎區(qū)的范圍，且又要剛剛小于鉆孔煤壁應(yīng)力峰值點的深度，即臨界彈性區(qū)處[17]。

針對此問題，文中研究本煤層瓦斯抽采鉆孔合理密封深度，并進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，期望該研究可以進一步完善本煤層瓦斯抽采鉆孔合理密封深度的判定方法。

本煤層瓦斯抽采鉆孔孔內(nèi)情況較為復(fù)雜，目前獲取鉆孔內(nèi)部情況最為直接的辦法為鉆孔窺視法。文中利用ZKXG30K礦用鉆孔窺視儀（圖3），對本煤層瓦斯抽采鉆孔內(nèi)部孔壁進行觀測，測試地點為山西五陽煤礦3#煤層，孔內(nèi)觀測結(jié)果如圖4所示。

圖4（a）中，觀測至孔內(nèi)3 m處，此時鉆孔內(nèi)壁光滑，裂隙發(fā)育不明顯，成孔質(zhì)量較高;圖4（b）中，觀測至孔內(nèi)6 m處，此時由于該地點處于應(yīng)力降低卸壓區(qū)，在采動擾動和地應(yīng)力的影響下，鉆孔進入巷道破碎區(qū)內(nèi)，裂隙發(fā)育貫通;圖4（c）和（d）中，孔內(nèi)9～13 m處鉆孔產(chǎn)生嚴(yán)重變形，周圍裂隙增多，并出現(xiàn)較多碎煤塊，這是由于觀測點已進入應(yīng)力集中區(qū)域，孔周煤體應(yīng)力較大且產(chǎn)生塑性變形，鉆孔極易發(fā)生塌孔;圖4（e）和（f）中，孔內(nèi)14 m處裂隙發(fā)育逐漸結(jié)束，鉆孔周圍煤體彈性變形逐漸減小，鉆孔結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，碎煤塊也開始減少;圖4（g）中，觀測至孔內(nèi)15 m處，孔內(nèi)煤體幾乎沒有發(fā)生破碎，僅發(fā)現(xiàn)少量細煤粉，此處的鉆孔周圍煤體受到的采動擾動也逐步減弱。

2鉆孔合理密封深度分析

2.1鉆屑量法確定鉆孔合理密封深度

2.1.1基本原理

眾所周知，在打鉆過程中鉆屑量從孔口位置至深部的變化量與鉆孔方向孔周煤體所受應(yīng)力的變化是基本一致的[18-20]。鉆進至應(yīng)力集中區(qū)域時，鉆孔周圍煤體在應(yīng)力的作用下發(fā)生變形和破碎，從而引發(fā)抱鉆、卡鉆、斷鉆、頂鉆等問題，導(dǎo)致鉆孔極易發(fā)生塌孔。此時鉆孔排出的鉆屑量急劇增大，鉆屑粒徑也明顯增大[21]。這種動力現(xiàn)象越劇烈，表明應(yīng)力集中程度越高，最大鉆屑量最大處為鉆孔周圍煤體應(yīng)力集中最大值的位置[22-24]。因此，可以通過研究鉆屑量的變化規(guī)律來分析煤體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)，并作為確定鉆孔合理密封深度的參考。

2.1.2現(xiàn)場實測分析

山西五陽煤礦53103工作面和53105工作面位于53采區(qū)，該區(qū)煤層瓦斯含量為7 m3/t左右，煤層傾角和煤層厚度分別為2°～4°和6.2 m.該工作面通過本煤層近水平瓦斯抽采鉆孔進行瓦斯抽采，抽采鉆孔直徑和間距分別為113 mm和2 m.

試驗鉆孔位置與現(xiàn)場抽采鉆孔位置保持一致，保證每個試驗鉆孔兩側(cè)為現(xiàn)場抽采鉆孔。分別在53103工作面和53105工作面設(shè)計 5個試驗鉆孔，鉆孔深度在20 m以內(nèi)，鉆孔編號為1#～ 10#.采用功率為1.2 kW的手持式電鉆進行試驗。

試驗鉆孔鉆進過程中，詳細記錄每米鉆進向外排出的鉆屑量，備注鉆進過程鉆孔發(fā)生的動力現(xiàn)象，如頂鉆、卡鉆等。通過Origin軟件繪制曲線并擬合，獲取鉆屑量與鉆孔深度的規(guī)律曲線圖，如圖5和圖6所示。

根據(jù)上述鉆屑量與鉆孔深度的規(guī)律曲線，可以得出1）鉆進至1～7 m的過程中，鉆屑量隨著鉆進深度的增加表現(xiàn)出均勻增大;鉆進至8～13 m的過程中，鉆屑量隨鉆進深度的增加表現(xiàn)出急劇增大;鉆進至14～15 m處時鉆屑量值到達峰值;

2）根據(jù)打鉆過程中鉆屑量與鉆孔方向孔周煤體所受應(yīng)力的變化呈基本一致這一規(guī)律，可以得出卸壓區(qū)范圍在鉆孔孔深0～7 m段，應(yīng)力升高區(qū)范圍在鉆孔孔深8～13 m段，應(yīng)力峰值在14 m左右孔深處，孔深14 m以后鉆孔周圍應(yīng)力降低，即進入原始應(yīng)力區(qū)域;

3）抽采鉆孔合理密封深度應(yīng)超過鉆孔卸壓破碎區(qū)域，又必須小于孔周煤體應(yīng)力峰值點處的深度，即剛好位于煤體彈塑性變形區(qū)域的臨界位置，根據(jù)上述結(jié)果，推斷出14 m為五陽煤礦本煤層瓦斯抽采鉆孔的合理密封深度。

2.2鉆孔合理密封深度的確定

本煤層順層鉆孔平行布置于巷道一側(cè)，巷道長度遠遠大于抽采鉆孔直徑。煤體受原巖應(yīng)力作用，巷道在煤層中掘進，抽采鉆孔在巷道一側(cè)水平布置，力學(xué)模型如圖7所示，利用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，分析模型巷道以及鉆孔的應(yīng)力情況。

在FLAC3D軟件中建立模型，根據(jù)現(xiàn)場煤層數(shù)據(jù)模型采用參數(shù)見表1，結(jié)合有關(guān)工程實際情況，按照鉆孔直徑100 mm，長度7 500 mm，巷道直徑6 000 mm，圓形巷道位于模型中心，抽采鉆孔位于圓形巷道的右側(cè)，鉆孔垂直于巷道布置。利用Null模型設(shè)置巷道，固定模型左側(cè)、右側(cè)、底部、前、后表面位移為0，載荷為10 MPa，計算巷道周圍應(yīng)力分布，如圖8所示，模型采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則判斷破壞，σx，σy和σz分別為鉆孔剖面xy軸方向及沿孔內(nèi)方向的應(yīng)力。

如圖9所示，鉆孔周圍應(yīng)力在巷道直徑2倍處即鉆孔孔內(nèi)13～14 m處迅速增加至最大，此處為鉆孔應(yīng)力集中區(qū)域。由于應(yīng)力集中區(qū)域處于鉆孔孔周煤體彈塑性臨界位置，產(chǎn)生塑性變形的煤體極易產(chǎn)生裂隙進而演變?yōu)槌椴摄@孔的漏氣通道，據(jù)此判斷現(xiàn)場鉆孔的合理密封區(qū)域應(yīng)該在孔內(nèi)13～14 m區(qū)域，基本與鉆屑法測試結(jié)果一致。

3現(xiàn)場試驗效果

3.1工作面情況

山西五陽煤礦3#煤層底板標(biāo)高為+481～+613 m，煤層傾角2°～4°，瓦斯含量為7 m3/t，原始煤層瓦斯壓力為0.55 MPa，該礦目前為高瓦斯礦井，測試工作面附近無地質(zhì)構(gòu)造。

3.2鉆孔合理密封深度現(xiàn)場試驗實施方案由前文可知，抽采鉆孔合理密封深度應(yīng)超過圖1053105工作面抽采鉆孔布置

Fig.10Boreholes layout of 53105

coal working face

鉆孔卸壓破碎區(qū)域，又必須小于孔周煤體應(yīng)力峰值點處的深度，五陽礦53105工作面瓦斯抽采鉆孔合理密封深度應(yīng)在14 m左右。為了驗證此密封深度的合理性，設(shè)計試驗12個抽采鉆孔，分別采用13，14和15 m 3種密封深度，每種密封深度試驗4個鉆孔，采用CF水泥基膨脹固化封孔材料對現(xiàn)場抽采鉆孔進行密封。最終得到9個有效試驗鉆孔，分別記為C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8和C9，詳細試驗結(jié)果見表2.

3試驗效果分析

從表2可以發(fā)現(xiàn)，封孔深度為14 m和15 m的試驗鉆孔，其管路負壓與孔口負壓的差值較小，表明其密封效果整體較好。相同條件下比較瓦斯抽采純量可以發(fā)現(xiàn)，14 m密封深度的抽采鉆孔瓦斯抽采純量更大，這就說明了15 m的密封深度可能導(dǎo)致出現(xiàn)抽采盲區(qū)，最終得到五陽煤礦53105工作面的瓦斯抽采鉆孔密封深度為14 m較為合理。

4結(jié)論

1）利用ZKXG30K礦用鉆孔窺視儀直觀的觀測了鉆孔孔內(nèi)完整光滑及破碎情況，結(jié)合數(shù)值模擬法和鉆屑量法現(xiàn)場實測結(jié)果，初步確定出試驗區(qū)所在埋深的煤層合理密封深度;

2）采用CF水泥基膨脹固化封孔材料進行了現(xiàn)場密封試驗，通過對比試驗鉆孔負壓值、瓦斯?jié)舛群图兞康葏?shù)，得出五陽礦53105工作面合理密封深度為14 m;

3）通過理論分析、鉆孔窺視儀現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬法、鉆屑量法并結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性實驗，得到了一種鉆孔合理密封深度的綜合判定辦法。

參考文獻（References）：

[1]袁亮.煤與瓦斯共采理論與關(guān)鍵技術(shù)[C]//北京：中國煤炭學(xué)會成立五十周年高層學(xué)術(shù)論壇，2012.

YUAN Liang.Coal and gas coextraction theory and key technologies[C]//Beijing：China Coal Society’s 50th Anniversary Highlevel Academic Forum，2012.

[2]謝和平，周宏偉，薛東杰，等.我國煤與瓦斯共采：理論、技術(shù)與工程[J].煤炭學(xué)報，2014，39（8）：1391-1397.

XIE Heping，ZHOU Hongwei，XUE Dongjie，et al.Theory，technology and engineering of simultaneous exploitation of coal and gas in China[J].Journal of China Coal Society，2014，39（8）：1391-1397.

[3]李樹剛，林海飛.煤與甲烷共采學(xué)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

LI Shugang，LIN Haifei.Introduction to coal and methane comining[M].Beijing：Science Press，2014.

[4]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤體工業(yè)出版社，2009.

Ministry of Emergency Management of China，Nation Coal Mine Safety Administration.Coal mine safety regulation[M].Beijing：Coal Industry Publishing House，2009.

[5]Noack K.Control of gas emissions in underground coal mine[J].International Journal of Coal Geology，1998，35：57-82.

[6]林柏泉，周世寧，張仁貴.三相泡沫密封性能的實驗研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992（3）：16-23.

LIN Boquan，ZHOU Shining，ZHANG Rengui，et al.Experimental study on threephase foam sealing performance[J].Journal of China University of Mining & Technology，1992（3）：16-23.

[7]王兆豐，李杰，楊宏民，等.抽采鉆孔密封失效的二次處理措施[J].煤礦安全，2012，43（5）：86-88.

WANG Zhaofeng，LI Jie，YANG Hongmin，et al.Aretreatment measure on failing hole sealing of gas drill hole[J].Coal Safety，2012，43（5）：86-88.

[8]周福寶，王鑫鑫，夏同強.瓦斯安全抽采及其建模[J].煤炭學(xué)報，2014，39（8）：1659-1666.

ZHOU Fubao，WANG Xinxin，XIA Tongqiang.Safe gas extraction and its modeling[J].Journal of China Coal Society，2014，39（8）：1659-1666.

[9]Aguilera R F，Ripple R D，Aguilera R.Link between endowments，economics and environment in conventional and unconventional gas reservoirs[J].Fuel，2014，126：224-238.

[10]Javadpour F，McClure M，Naraghi M E.Slipcorrected liquid permeability and its effect on hydraulic fracturing and fluid loss in shale[J].Fuel，2015，160：549-559.

[11]Moore T A.Coalbed methane：a review[J].International Journal of Coal Geology，2012，101：36-81.

[12]劉國泉.關(guān)于應(yīng)用鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)判定突出危險性若干問題的討論[J].煤礦安全，1993（2）：35-40.

LIU Guoquan.Discussion on the application of drilling bits and drill cuttings gas desorption indicators to determine the risk of a number of outstanding issues[J].Safety in Coal Mines，1993（2）：35-40.

[13]李松濤.封孔段鉆孔失穩(wěn)機制及封孔材料特性分析[D].焦作：河南理工大學(xué)，2017.

LI Songtao.Analysis on instability mechanism of sealing segment boreholes and charateristics of sealing material[D].Jiaozuo：Henan Polytechnic University，2017.

[14]徐龍倉.提高煤層氣抽采鉆孔封孔效果研究與應(yīng)用[J].中國煤層氣，2008（1）：23-24，8.

XU Longcang.Study on improving the sealing effect of CMM drainage boreholes and its application [J].China Coalbed Methane，2008（1）：23-24，8.

[15]王林，方前程，王兆豐.水力擠出合理封孔深度的確定和實踐[J].煤，2007（9）：5-7.

WANG Lin，F(xiàn)ANG Qiancheng，WANG Zhaofeng.The assurance of sealing hole depth and practice in hydraulic screen[J].Coal，2007（9）：5-7.

[16]周紅星，程遠平，劉洪永，等.突出煤層穿層鉆孔孔群增透技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2011，36（9）：1515-1518.

ZHOU Hongxing，CHENG Yuanping，LIU Hongyong，et al.Permeability improvement technology of array crossing boreholes and its application in outburst coal seam[J].Journal of China Coal Society，2011，36（9）：1515-1518.

[17]徐文全，趙恩來，馬衍坤，等.鉆屑量采樣技術(shù)分析及改進[J].煤田地質(zhì)與勘探，2009，37（1）：78-80.

XU Wenquan，ZHAO Enlai，MA Yankun，et al.The sampling technique analysis and improvement of drilling crumbs [J].Coal Geology and Exploration，2009，37（1）：78-80.

[18]廖志恒，桂祥友，徐佑林.煤礦鉆屑量與解吸指標(biāo)的測定及誤差分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28（2）：75-77.

LIAO Zhiheng，GUI Xiangyou，XU Youlin.Determination of drill cuttings weight and gas desorption Index and their error analysis[J].Mining Research and Development，2008，28（2）：75-77.

[19]文光才，王先義.突出預(yù)測鉆屑量指標(biāo)的探討[J].煤炭工程師，1998（3）：32-34，49.

WEN Guangcai，WANG Xianyi.Discussion on outburst predictionindex of drill cuttings[J].Coal Engineer，1998（3）：32-34，49.

[20] ZHANG Zhigang.Prediction of multiborehole undermine coalbed gas drainage[J].Journal of Coal Science & Engineering（China），2009，15（3）：295-298.

[21]LIU Jianzhong.The control of coal mine gas and coordinated exploitation of coal bed methane in China[J].Journal of Coal Science & Engineering（China），2009，15（3）：267-272.

[22]LI Rui，XU Wei.Technology of gas drainage and utilization in Huaibei mining area[J].Journal of Coal Science & Engineering（China），2009，15（3）：278-283.

[23]ZHENG Chunshan，CHEN Zhongwei，Kizil M，et al.Characterisation of mechanics and flow fields around inseam methane gas drainage borehole for preventing ventilation air leakage：A case study[J].International Journal of Coal Geology，2016，162：123-138.

[24]翟成，向賢偉，余旭，等.瓦斯抽采鉆孔柔性膏體封孔材料封孔性能研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，42（6）：982-988.

ZHAI Cheng，XIANG Xianwei，YU Xu，at al.Sealing performance of flexible gel sealing material of gas drainage borehole[J].Journal of China University of Mining & Technology，2013，42（6）：982-988.