楊計先，程仁輝，張 超

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046000；2.西安科技大學(xué) 安全學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，礦井瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重。預(yù)抽煤層瓦斯對解決瓦斯災(zāi)害問題起著重要的作用[1，2]。高瓦斯松軟煤層鉆孔由于煤質(zhì)較為松軟，受鉆進(jìn)擾動鉆孔成孔退出鉆頭后極易在孔口位置發(fā)生鉆孔的坍塌變形，導(dǎo)致瓦斯抽采管難以送入鉆孔指定位置，無法完成鉆孔的有效密封。我國眾多學(xué)者在高瓦斯松軟煤層的鉆孔密封技術(shù)方面有了很深的研究。周福寶、孫玉寧教授[3，4]針對鉆孔有效抽放期縮短的技術(shù)難題，首次提出二次封孔方法運動的數(shù)學(xué)模型，基于多物理場耦合理論建立了孔內(nèi)漏氣和孔邊裂隙漏氣的數(shù)學(xué)模型，重點介紹了囊袋注漿封孔和二次封孔兩種封堵裂隙的新技術(shù)及應(yīng)用效果；孫志東[5]分析了四種鉆孔漏氣的原因，提出了相應(yīng)的封孔措施，研制了四種囊袋式注漿封孔器和封孔配套裝置；翟成[6]分析了上行鉆孔密封段的三種泄漏方式，明確了上行鉆孔封孔段的失效機(jī)制，并提出了上行鉆孔鉆屑自封孔方法；魯忠良[7]分析了松軟突出煤層鉆孔失穩(wěn)塌孔的原因，提出全長篩管護(hù)孔及帶壓封孔技術(shù)；張超[8]針對高瓦斯松軟煤層封孔段易失穩(wěn)且鉆孔密封難的問題，基于主動式密封“固封液，液封氣”的原理，發(fā)明了加固封孔段和動態(tài)密封一體化的新型密封技術(shù)及方法；丁紅[9]基于煤巖體力學(xué)和滲流力學(xué)理論，分析順煤層鉆孔瓦斯流動特性并確定瓦斯抽采控制因素；張馳[10]等研究了煤層裂隙發(fā)育主方向及其與構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系，測試獲得了沿主裂隙不同角度時煤樣滲透率的變化規(guī)律；魏杰[11]結(jié)合孔壁煤體應(yīng)力場彈塑性分析及滲流場分析結(jié)果，構(gòu)建了綜合考慮有效應(yīng)力變化、煤基質(zhì)解吸收縮效應(yīng)的滲透率動態(tài)模型；白明鍇[12]通過ZKXG30礦用鉆孔成像軌跡檢測裝置窺視穿層鉆孔內(nèi)部巖石特性，發(fā)現(xiàn)孔口以上小范圍巖石裂隙發(fā)育，大部分裂隙不發(fā)育，根據(jù)鉆孔內(nèi)巖石裂隙的發(fā)育情況，對封孔方式進(jìn)行改進(jìn)；范育青[13]提出了一種雙膠囊配合帶壓粘液的封孔新技術(shù)，對雙膠囊中間段進(jìn)行了加長加粗的改進(jìn)，增加了密封段長度，從而提高了瓦斯抽采濃度；魏仕平、吳海進(jìn)[14]為提高瓦斯抽采鉆孔封孔效果，研發(fā)了瓦斯抽采鉆孔純注水式封孔器，采用“以固體封膠體、以膠體封液體、以液體封氣體”的三重密封。姚振東、楊棟[15]為了探究抽采鉆孔漏氣機(jī)理，對鉆孔周圍力學(xué)模型進(jìn)行分析，建立鉆孔漏氣量模型，通過算例分析鉆孔漏氣量影響因素，在此基礎(chǔ)上，提出囊袋式注漿封孔工藝進(jìn)行工程實踐，并取得了良好的抽采效果。目前，在鉆孔的密封方面已經(jīng)取得了很高成就，然而針對鉆孔的孔口坍塌、變形問題一直沒有很好的解決，針對此問題，本文通過采用鉆孔的新型加固密封技術(shù)解決鉆孔的失穩(wěn)變形問題，并在古城煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場驗證，取得了良好效果。

1 鉆孔封孔段失穩(wěn)理論分析

1.1 孔周裂隙場應(yīng)力及位移

為了研究鉆孔周圍裂隙場的應(yīng)力及位移情況，首先對鉆孔進(jìn)行受力分析，鉆孔是一個圓柱體，在進(jìn)行受力分析時，假想鉆孔周圍受力均勻，為軸對稱受力，此時可以得到鉆孔的平衡微分方程：

幾何方程：

物理方程：

式中，εr為徑向應(yīng)變；εθ為切向應(yīng)變；u為徑向位移，m；σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為切向應(yīng)力，MPa；E為煤體的彈性模量，MPa；μ為煤體的泊松比；r為距鉆孔中心的距離，m。

1.1.1 彈性區(qū)應(yīng)力及位移

在彈性階段，巖體變形服從胡克定律，屈服時滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，即：

另外，有：

σr+σθ=2p0

(7)

根據(jù)幾何方程及彈性區(qū)內(nèi)極限求解，可以得到彈性區(qū)內(nèi)鉆孔周圍煤體的位移：

1.1.2 塑性區(qū)應(yīng)力及位移

塑性區(qū)煤體位移：

(Ra≤r

(13)

式中，m為塑性區(qū)破裂膨脹性系數(shù)；ks為塑性區(qū)計算系數(shù)。

1.1.3 破裂區(qū)應(yīng)力及位移

破裂區(qū)煤體強(qiáng)度應(yīng)滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則，即：

破裂區(qū)煤體位移：

1.2 解決鉆孔失穩(wěn)理論分析

把鉆孔孔周的位移量作為衡量封孔效果的考察因素，通過計算不同封孔方法的鉆孔周邊的位移和破裂區(qū)半徑，比較其封孔效果，鉆孔孔周的位移量u：

式中，n為破裂區(qū)破裂膨脹性系數(shù)；kk為破裂區(qū)計算系數(shù)。

采用傳統(tǒng)封孔方法封孔時，鉆孔周邊的位移和破裂區(qū)半徑為：

當(dāng)采用新的密封方法或密封材料后，其鉆孔周邊位移及破裂區(qū)半徑如下：

2 加固密封技術(shù)

鉆孔加固密封主要是利用“大孔徑”打孔護(hù)壁注漿和“小孔徑”打孔的方法解決鉆孔孔口塌孔問題。即在打鉆孔之前先只打“大孔徑”加固段距離，然后用高強(qiáng)度的鉆孔加固材料對該段鉆孔進(jìn)行注漿，待漿液凝固后繼續(xù)在該加固段重新“小孔徑”打孔(打至礦上所需工作進(jìn)尺)，這樣在鉆孔孔口處形成了一個“巖孔護(hù)壁”，最后對鉆孔進(jìn)行密封。具體操作過程如下(以古城煤礦實際打鉆尺寸為例)：

1)首先在松軟煤層煤壁利用直徑為133mm的鉆頭進(jìn)行打鉆，鉆孔施工長度為10m。如圖1所示。

圖1 直徑為133mm、長度為10m的大孔徑鉆孔

2)在上面打好的大直徑鉆孔中，在孔口位置放入一個只有一端有囊袋的封孔器，連接注漿泵嚴(yán)格按照加固材料的水料比注入高強(qiáng)度的加固密封材料，待回漿管中有漿液流出時，關(guān)閉回漿管上的開關(guān)停止注漿，注漿工藝如圖2所示。

圖2 加固材料注漿密封

3)待上述加固材料徹底凝固后(24h)，在上述封好的鉆孔中間，利用直徑為113mm的鉆頭進(jìn)行打鉆，此時鉆孔深度為礦上正常鉆進(jìn)作業(yè)深度，這樣在鉆孔密封段周圍形成了一個護(hù)壁孔，鉆孔成孔后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔護(hù)壁孔結(jié)構(gòu)

4)將前述打好的鉆孔利用“兩堵一注”鉆孔密封方法進(jìn)行鉆孔密封。采用現(xiàn)在古城煤礦的膨脹性封孔材料即可。鉆孔注漿密封如圖4所示。

圖4 鉆孔注漿密封

通過護(hù)壁孔孔周的加固材料，對易塌孔位置的煤壁施加主動支護(hù)力，從而能有效防止鉆孔成孔后的塌孔問題，從而順利完成鉆孔的有效密封。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3.1 礦井概況

本次試驗在潞安集團(tuán)古城煤礦進(jìn)行，古城煤礦建設(shè)管理處目前主采3#煤層，平均煤層厚度為6m左右，煤層的硬度系數(shù)在0.8左右，煤層比較松軟。古城煤礦3#煤層透氣性差，透氣性系數(shù)為0.1209～1.7415m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0712～0.2865d-1，屬較難抽放煤層。

3.2 鉆孔加固封孔試驗

本次鉆孔孔口加固實驗在潞安集團(tuán)古城煤礦S1303主運輸大巷進(jìn)行。為了考察加固式動態(tài)密封的實際應(yīng)用效果，在現(xiàn)場試驗時，采用鉆孔交叉加固的方式進(jìn)行。共實驗鉆孔數(shù)20個，其中，1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#、19#為未加固孔，2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#為加固孔。

封孔完成后對20個孔的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了歷時1個月的監(jiān)測，鉆孔瓦斯?jié)舛入S時間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#、17#、19#未加固孔的瓦斯?jié)舛却蟛糠衷?%左右，瓦斯?jié)舛然緵]有，僅有7#孔在剛開始封孔完成后瓦斯?jié)舛容^高，為33.4%，在隨后的幾天內(nèi)瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆怠＿@是由于鉆孔未加固，煤層會產(chǎn)生失穩(wěn)、變形，致使封孔段周圍煤層裂隙不斷擴(kuò)張、發(fā)育，導(dǎo)致瓦斯抽采率幾乎為0。2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#為加固孔，瓦斯?jié)舛仍趧偡饪淄瓿珊蠓謩e為76.8%、87%、73.5%、79.4%、74.2%、70.18%、73.62%、80.21%、69.58%、76.51%，平均濃度為76.1%；30d后瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在34.2%、43.8%、36.8%、36.4%、36.3%、33.89%、36.3%、37.88%、39.85%、33.99%、35.26%，平均濃度為40.47%，瓦斯?jié)舛容^未加固孔均有明顯提升。這是由于提前對鉆孔進(jìn)行了加固，在對鉆孔密封后封孔段周圍沒有形成裂隙，使瓦斯不被泄漏。隨著鉆孔內(nèi)瓦斯的抽采，在孔壁周圍形成新的裂隙導(dǎo)致瓦斯?jié)舛认陆怠?/p>

圖5 鉆孔瓦斯?jié)舛入S時間變化曲線

4 結(jié) 論

1)研究鉆孔孔周裂隙場及位移情況，對比分析采用傳統(tǒng)技術(shù)及加固技術(shù)導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)的理論。

2)研究了鉆孔加固密封技術(shù)，以古城煤礦為例介紹了加固密封技術(shù)的原理及方法。

3)在潞安集團(tuán)古城煤礦進(jìn)行加固密封技術(shù)的現(xiàn)場驗證，解決了鉆孔孔口失穩(wěn)變形問題，實驗鉆孔封孔后及30d的瓦斯平均濃度分別為76.1%和40.47%，較未加固孔有明顯提高。