黃學(xué)滿

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重慶 402260)

0 引言

井下鉆孔瓦斯抽采是高瓦斯和突出礦井防治瓦斯災(zāi)害事故的根本措施，為實現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)必須要保證瓦斯抽采效果。瓦斯抽采鉆孔封孔是瓦斯抽采工程的重要環(huán)節(jié)，鉆孔封孔質(zhì)量的好壞直接影響著瓦斯抽采效果。山西天地王坡煤礦在井下開采過程中，3210工作面開采前，順槽兩側(cè)均為采空區(qū)，形成高瓦斯孤島工作面。在采前預(yù)抽鉆孔施工過程中，受應(yīng)力集中作用，成孔質(zhì)量差，抽采鉆孔采用一般封孔工藝時，封孔質(zhì)量不理想，抽采效果差。而影響封孔質(zhì)量的主要因素是封孔深度的合理選擇。根據(jù)礦山巖層控制理論，煤體的開挖使圍巖中的原巖應(yīng)力受到擾動而重新分布，同時周圍煤體因受力狀態(tài)變化而產(chǎn)生不同程度的變形，從而形成了原生和次生共存的復(fù)合裂隙[1-4]。瓦斯鉆孔的漏氣通道主要就為這種煤體內(nèi)的復(fù)合裂隙，其形成和分布與鉆孔周圍煤巖體的圍巖應(yīng)力分布緊密相關(guān)。孤島工作面因相鄰工作面均為采空區(qū)，礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈，煤體的應(yīng)力分布與普通工作面有所不同。因此，為提高孤島工作面的預(yù)抽瓦斯效果，需在分析順槽圍巖應(yīng)力特征的基礎(chǔ)上，確定煤體內(nèi)主要裂隙通道的分布范圍，即預(yù)抽鉆孔合理的封堵深度，并進(jìn)一步優(yōu)化封孔工藝。

針對孤島工作面復(fù)雜的圍巖應(yīng)力特征，本文擬采用數(shù)值模擬與鉆屑指標(biāo)法綜合分析順槽圍巖的應(yīng)力與變形特征，進(jìn)而確定合理的封孔深度，并基于此優(yōu)化封孔工藝，提高抽采效果，以期為類似地質(zhì)條件的工作面預(yù)抽瓦斯及封孔工藝研究提供技術(shù)參考。

1 本煤層鉆孔封堵原理

孤島工作面由于兩側(cè)均已采空，導(dǎo)致兩側(cè)順槽的圍巖應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移[5]。工作面順槽的應(yīng)力集中程度高，造成預(yù)抽鉆孔變形、破碎嚴(yán)重，甚至塌孔[6-8]。因此，為保證封孔質(zhì)量，預(yù)抽鉆孔的封孔段必須超過應(yīng)力集中程度最嚴(yán)重的區(qū)域[9-10]。

根據(jù)鉆孔圍巖裂隙演化原理[11-12]，抽采鉆孔周圍裂隙場包括巷道松動裂隙和鉆孔施工發(fā)育的裂隙兩部分。這些裂隙分布于從鉆孔開孔處至鉆孔底部的周圍煤體，構(gòu)成了外界空氣進(jìn)入鉆孔的主要通道，是導(dǎo)致鉆孔漏氣、抽采濃度低的根本原因。抽采鉆孔封孔的目的就是切斷鉆孔周圍與外界空氣溝通的裂隙通道，保證鉆孔的氣密性。因此抽采鉆孔的封孔段要達(dá)到巷道圍巖的松動范圍以外，封孔深度要超過應(yīng)力峰值點[13]，如圖1所示。

圖1 鉆孔裂隙帶分布及順層鉆孔封孔示意

2 孤島工作面基本情況

山西天地王坡煤礦3210工作面回采3號煤層，埋深約520 m，煤層平均厚度為4.9 m，走向長度2 179 m，開切眼長度160 m。工作面瓦斯含量約8.85 m3/t，兩側(cè)工作面均已采空，為高瓦斯孤島工作面。布置有回風(fēng)順槽、瓦斯專用巷、運(yùn)輸順槽，均呈矩形，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，兩側(cè)均留設(shè)20 m保護(hù)煤柱。

煤層老頂為中砂巖，平均厚8.89 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，夾薄層泥巖，平均厚4 m；偽頂為炭質(zhì)泥巖隨采掘脫落，平均厚0.3 m；直接底為泥巖，平均厚2.10 m；老底為中砂巖，平均厚3.20 m，局部煤體和圍巖極其松軟破碎。

3 合理封孔深度的確定

3.1 巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬3.1.1 模擬方案

運(yùn)用計算機(jī)FLAC3D軟件模擬孤島工作面的應(yīng)力分布特征?？紤]到工作面兩側(cè)的煤柱與采空區(qū)，整個模型尺寸為619.5 m×100 m×120 m，3210孤島工作面尺寸為160 m×100 m×6 m，3208工作面采空區(qū)尺寸為180 m×100 m×6 m，3212工作面采空區(qū)的尺寸為180 m×100 m×6 m，3210工作面回風(fēng)順槽的右側(cè)上方直接頂砂質(zhì)泥巖中設(shè)置3210瓦斯專用巷。模型定義為Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，網(wǎng)格采用矩形網(wǎng)格，模型網(wǎng)格×節(jié)點數(shù)量為158 720×170 625。其中，模型X，Y方向上單元格尺寸均為5 m×5 m，Z方向上煤層的單元格尺寸為1 m，其余巖層的單元格尺寸為2 m，建立的模型如圖2所示。模型的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 3210孤島工作面數(shù)值模型

表1 模型采用的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)(從上至下順序)

將模型上覆巖層的重量以垂直應(yīng)力的方式均勻施加于模型上方，模擬巷道埋深為520 m的應(yīng)力條件。初始垂直應(yīng)力為13 MPa，選取側(cè)壓系數(shù)為0.5，則初始水平應(yīng)力為6.5 MPa；模型固定左右下邊界，將上邊界定義為自由界面；模型中初始應(yīng)力平衡后模型進(jìn)行運(yùn)算調(diào)試。

首先模擬開挖3108工作面形成采空區(qū)，待模型收斂后再開挖3212工作面形成采空區(qū)，應(yīng)力分布平衡后再先后開挖3210運(yùn)輸順槽和3210回風(fēng)順槽，巷道開挖過程中將錨桿、錨索施加到已開挖的巷道中。數(shù)值模擬運(yùn)行并結(jié)束后，采用Tecplot后處理軟件對結(jié)果進(jìn)行多角度切片出圖。

3.1.2 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

3210運(yùn)輸順槽和3210回風(fēng)順槽開挖后模型的應(yīng)力分布如圖3所示。從圖中可以看出，隨著3208采空區(qū)和3212采空區(qū)的形成，3210工作面成為孤島工作面，工作面兩側(cè)與采空區(qū)相鄰的區(qū)域均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，模型左側(cè)最大應(yīng)力值為20 MPa，出現(xiàn)在3210運(yùn)輸順槽的右側(cè)12.5 m煤體位置，應(yīng)力集中系數(shù)為1.54；模型右側(cè)最大應(yīng)力值為20.5 MPa，出現(xiàn)在3210回風(fēng)順槽左側(cè)12.5 m煤體位置，應(yīng)力集中系數(shù)為1.58。

圖3 3210孤島工作面煤巖應(yīng)力分布云圖

3210運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽圍巖垂直應(yīng)力分布特征如圖4所示。從圖中可知，兩條順槽向工作面煤體延伸的方向上，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)現(xiàn)象，自順槽向煤體分別為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中應(yīng)力集中區(qū)分為峰前應(yīng)力升高區(qū)和峰后應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力峰值點位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)[14]。距順槽煤壁3 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的煤體在應(yīng)力重新分布的過程中，經(jīng)歷遠(yuǎn)大于其極限強(qiáng)度的峰值應(yīng)力而發(fā)生了塑性破壞，出現(xiàn)了大量的破碎裂隙，產(chǎn)生了卸壓效應(yīng)；距順槽煤壁3～35 m范圍內(nèi)為應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的煤體處于彈塑性變形狀態(tài)，仍具備一定的承壓能力，應(yīng)力峰值點位于12.5 m左右；距順槽煤壁35 m以外范圍內(nèi)為原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域距開挖區(qū)域較遠(yuǎn)，受到的開采擾動程度較小，其應(yīng)力約為原始應(yīng)力。從各應(yīng)力分區(qū)的范圍來看，孤島工作面的應(yīng)力集中區(qū)范圍明顯大于普通工作面的應(yīng)力集中區(qū)范圍，表明孤島工作面兩側(cè)的煤體開挖對該工作面的應(yīng)力狀態(tài)影響較大。

(a)3210運(yùn)輸順槽圍巖應(yīng)力分布云圖

(b)3210回風(fēng)順槽圍巖應(yīng)力分布云圖

綜上所述，3210孤島工作面巷幫0～3 m圍巖易發(fā)生變形和破碎，封孔難以取得密封效果，因此有效封孔段應(yīng)越過距煤壁3 m范圍。該工作面的合理封孔深度應(yīng)超過應(yīng)力峰值點12.5 m的深度。此外，受孤島工作面明顯的應(yīng)力集中作用，在距煤壁35 m范圍內(nèi)的鉆孔施工較為困難，鉆孔易發(fā)生垮塌或者顯著變形。

3.2 鉆孔鉆屑指標(biāo)測定分析

為驗證數(shù)值模擬分析法確定的封孔深度的合理性，采用指標(biāo)測定法對運(yùn)輸順槽進(jìn)行了現(xiàn)場測定。為避免單一指標(biāo)的測定誤差較大，選取鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1兩個指標(biāo)綜合分析合理的封孔深度。3210運(yùn)輸順槽煤體賦存穩(wěn)定，本次試驗共布置4個測定鉆孔，其測定結(jié)果可以代表該區(qū)域的鉆孔特點。

3.2.1 鉆屑量S法測定

在巷道煤幫施工鉆孔，開孔傾角為1°～2°，在孔口處采集鉆出的煤渣，并用彈簧秤對鉆孔每鉆進(jìn)1 m排出的鉆屑量進(jìn)行稱重，共計測定20 m，鉆屑量S隨鉆孔鉆進(jìn)深度的空間變化特征如圖5所示。

圖5 鉆孔鉆屑量S的空間變化特征

從圖中可以看出，4個試驗鉆孔每米鉆屑量變化趨勢基本相同，自距煤壁1 m開始先升后降，然后趨于穩(wěn)定，這也與數(shù)值模擬得到的煤體應(yīng)力分布特征相符合。其中1#，4#鉆孔鉆屑量S峰值位于距煤壁12 m，隨后在12～14 m時逐漸下降，在14～20 m時逐漸穩(wěn)定；2#，3#鉆孔鉆屑量S峰值位于11 m，在11～14 m時逐漸下降，14～20 m時逐漸穩(wěn)定。通過鉆屑量S的變化趨勢確定距煤壁14 m處的煤體處于應(yīng)力集中程度較高區(qū)域。

3.2.2鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1法測定

在鉆屑量S測定過程中，同時測定了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1，其空間變化特征如圖6所示。

圖6 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的空間變化特征

從圖中可以看出，4個試驗鉆孔的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1隨著鉆孔深度的推移逐漸增大，在孔深12 m處達(dá)到峰值，隨后逐漸減小，并有趨于穩(wěn)定的趨勢。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的變化趨勢表明鉆孔孔深13 m處煤體處于應(yīng)力集中程度較高區(qū)域。

4 封孔工藝優(yōu)化及效果驗證

4.1 封孔深度的確定

根據(jù)數(shù)值模擬分析和鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1現(xiàn)場測定結(jié)果，選取3種方法測定的最大值，3210孤島工作面抽采鉆孔的封孔深度應(yīng)超過14 m?？紤]現(xiàn)場抽采管路連接的可操作性，確定3210孤島工作面抽采鉆孔的封孔深度為距煤壁15 m。

4.2 封孔工藝優(yōu)化方案

王坡煤礦3210孤島工作面原采用“兩堵一注”封孔工藝，如圖7所示?！皟啥乱蛔ⅰ狈饪坠に囋O(shè)計總封孔深度11 m，注漿段長度為8 m，有效封孔段長度10 m。注漿段兩端采用封孔囊袋起堵板作用，封孔囊袋封堵兩端后再向兩個封孔囊袋之間注入封孔材料。

圖7 原“兩堵一注”封孔工藝示意

考慮到距幫壁3 m范圍內(nèi)的煤體破壞嚴(yán)重，形成漏氣通道的裂隙較發(fā)育，為保證注漿材料與煤壁的緊密結(jié)合，將封孔段與孔口的距離優(yōu)化為5 m。同時考慮距煤壁5 m范圍內(nèi)的鉆孔孔壁會長時間暴露并自然排放瓦斯，多個鉆孔同時施工會造成巷道瓦斯自然排放量和速度過大，增加風(fēng)排壓力，所以在孔口2 m處再增加一支封孔囊袋，從而將原有封孔工藝優(yōu)化為“三堵一注”封孔工藝，如圖8所示。優(yōu)化后的“三堵一注”封孔工藝總封孔深度為15 m，有效封孔段10 m，注漿段8 m。

圖8 “三堵一注”封孔工藝示意

4.3 試驗鉆孔參數(shù)

在3210孤島工作面的運(yùn)輸順槽施工試驗鉆孔，鉆孔開孔高度距巷道底板1.4 m，方位夾角90°，傾角為煤層傾角+1°。兩種封孔工藝分別布置10個鉆孔，鉆孔間距為2.5 m，鉆孔組間距為10 m。鉆孔長度設(shè)計為80 m。

4.4 試驗效果分析

根據(jù)上述試驗方案在3210運(yùn)輸順槽中施工試驗鉆孔。試驗鉆孔分為兩組，每組20個鉆孔，其中A組采用原“兩堵一注”封孔工藝封孔，B組采用優(yōu)化后“三堵一注”封孔工藝封孔。在兩組鉆孔接抽后，對每組鉆孔的抽采甲烷體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定。兩組鉆孔平均甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化趨勢如圖9所示。

圖9 試驗鉆孔抽采效果對比

從圖中可以看出，兩組試驗鉆孔的初始平均甲烷體積分?jǐn)?shù)均較高，其中A組鉆孔初始平均甲烷體積分?jǐn)?shù)為61.7%，B組鉆孔為80.3%；隨著時間的推移，受鉆孔周圍煤體瓦斯解吸、運(yùn)移過程的不均衡性，兩組試驗鉆孔的甲烷體積分?jǐn)?shù)下降并呈現(xiàn)波動，而后趨于穩(wěn)定。從兩組數(shù)據(jù)對比來看，在60 d的測定期內(nèi)，B組試驗鉆孔的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)為47.19%，A組試驗鉆孔的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)為31.28%，B組試驗鉆孔的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)較A組高15.90%，表明優(yōu)化后的“三堵一注”封孔工藝的鉆孔封孔效果明顯優(yōu)于“兩堵一注”封孔工藝。

5 結(jié)論

(1)瓦斯抽采鉆孔的封孔深度與巷道煤體的應(yīng)力分布息息相關(guān)，通過數(shù)值分析或者實測的方法獲得巷道煤體不同應(yīng)力狀態(tài)的分區(qū)范圍，可以指導(dǎo)抽采鉆孔合理封孔深度的確定。

(2)孤島工作面受兩側(cè)煤體開挖的采動影響，巷道周圍煤體內(nèi)的應(yīng)力集中程度顯著高于普通工作面，從而影響工作面抽采鉆孔封孔深度的確定，因此需針對孤島工作面開展專門的研究確定合理的抽采鉆孔封孔深度。

(3)采用數(shù)值模擬與鉆屑指標(biāo)測定法綜合確定王坡煤礦3210孤島工作面優(yōu)化后的“三堵一注”封孔工藝封孔效果明顯優(yōu)于“兩堵一注”封孔工藝，表明這種確定合理封孔深度的方法是科學(xué)有效的，兩種方法相互驗證，可以規(guī)避單一方法或指標(biāo)的不可靠性。