李云波 李筆文 陳天柱

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

王坡煤礦3206 工作面是位于二采區(qū)集中巷南側(cè)的孤島工作面，兩側(cè)為3204 和3208 工作面采空區(qū)，工作面應(yīng)力分布復(fù)雜，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯且煤層破碎。瓦斯抽放鉆孔面臨深度淺、分布不均勻、抽采效率低、施工難度大等突出問題，瓦斯治理一直是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。

本文在分析孤島工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其對(duì)鉆孔路徑影響的基礎(chǔ)上，升級(jí)改造鉆機(jī)鉆具，同時(shí)優(yōu)化本煤層瓦斯抽放鉆孔施工工藝，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。

1 孤島工作面鉆孔施工影響因素分析

1.1 孤島工作面特點(diǎn)

所采3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，平均埋藏深度約500 m，平均厚度約5.76 m，傾角2°～10°，在研究區(qū)廣泛分布，且全區(qū)可采。工作面長度約2.2 km，工作面分布如圖1。

圖1 工作面平面布置圖

1.2 瓦斯抽放鉆孔特點(diǎn)

瓦斯抽放鉆孔抽采瓦斯是目前煤礦井下瓦斯治理最有效的措施，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)起重要作用[2]。目前，國內(nèi)已有系列化的用于瓦斯抽采鉆孔施工全液壓坑道鉆機(jī)，并快速向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展[3]。但是，松軟突出煤層鉆孔深度淺、成孔率低仍然是制約煤礦瓦斯抽采效率的主要因素，解決這類問題的關(guān)鍵技術(shù)及其裝備研發(fā)是瓦斯防治領(lǐng)域最緊要的課題[4-5]。王坡煤礦孤島工作面地質(zhì)條件極為復(fù)雜，一方面，斷層、陷落柱等不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，且煤體內(nèi)部弱面發(fā)育，使煤層整體強(qiáng)度降低；另一方面，兩側(cè)采空區(qū)引起的應(yīng)力重新分布及塑性破壞區(qū)的發(fā)育使得工作面鉆孔施工難度進(jìn)一步增加。

1.3 孤島工作面對(duì)鉆孔的影響分析

假設(shè)鉆孔周圍煤巖均質(zhì)、各向同性的條件下，可以將鉆孔周圍應(yīng)力簡化為靜水壓力（λ=1），鉆孔周圍塑性區(qū)一般為圓形或橢圓形，范圍有限；但在復(fù)雜地應(yīng)力條件下（λ≠1），偏應(yīng)力較大時(shí)，塑性區(qū)會(huì)表現(xiàn)為蝶形非線性破壞[6]，影響范圍遠(yuǎn)超過理想的靜水壓力條件下的理論值。如圖2。

圖2 鉆孔圍巖受力模型

鉆孔穿越塑性破壞區(qū)或者應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，容易造成卡鉆或者塌孔事故，了解煤巖內(nèi)部應(yīng)力分布特征和破壞規(guī)律，是研究孔內(nèi)事故發(fā)生、判別和防治的理論基礎(chǔ)。

2 孤島工作面應(yīng)力分布與破壞特征

前文分析認(rèn)為，影響孤島工作面瓦斯抽放鉆孔鉆進(jìn)效率和成孔效果的主要因素是其復(fù)雜的地應(yīng)力特征，這里以王坡煤礦孤島工作面水平鉆孔施工為背景，利用有限差分軟件FLAC 對(duì)研究區(qū)應(yīng)力分布和破壞特征進(jìn)行模擬。

2.1 數(shù)值模型的建立

3206 孤島工作面寬度138 m，相鄰3208、3204采空區(qū)寬度分別為173 m 和154 m，中間煤柱約30 m。工作面走向超過2000 m，前期鉆孔施工是在停采期間進(jìn)行，通過建立薄片模型對(duì)工作面中部垂直走向應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬研究。假定各地層內(nèi)部均勻連續(xù)，且通過上部均勻荷載代替覆蓋層壓力，建立了橫跨五個(gè)工作面的等比例計(jì)算模型，如圖3。

圖3 數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）應(yīng)力分布特征

3206 孤島工作面中最大主應(yīng)力（圖4a）與豎向應(yīng)力（圖4c）呈馬鞍狀，在煤壁一定距離有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析煤巖特征及開采條件得出，由于工作面上覆巖層厚度大、完整度高，采空區(qū)上方出現(xiàn)應(yīng)力拱殼效應(yīng)，在拱腳位置應(yīng)力增大，兩側(cè)應(yīng)力疊加后在孤島工作面出現(xiàn)這一特殊現(xiàn)象。同時(shí)，在拱腳上方XZ 向應(yīng)力出現(xiàn)倒三角形的應(yīng)力異常區(qū)，應(yīng)力均指向采空區(qū)。

圖4 孤島工作面應(yīng)力分布云圖

2）變形破壞特征

工作面總位移（圖5a）和豎向位移（圖5b）表現(xiàn)為馬鞍狀，受應(yīng)力集中作用和凌空面的影響，拱腳處位移量最大，工作面中心部位位移量小，局部出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。水平位移（圖5c）皆由煤壁指向采空區(qū)，且從采空區(qū)向內(nèi)逐漸減小。

圖5 孤島工作面位移云圖

孤島工作面塑性區(qū)分布如圖6。側(cè)向支承壓力作用于煤體，煤體發(fā)生塑性變形，尤其是煤壁附近的煤體內(nèi)聚力大大降低，內(nèi)摩擦角也變小，因此煤壁處煤體的抗剪強(qiáng)度很大程度地降低，煤體受力后更加容易破壞，從而發(fā)生煤壁破碎。煤壁附近頂板內(nèi)形成倒三角形破壞區(qū)，在地質(zhì)作用和采煤活動(dòng)影響下，其容易貫穿頂板破壞工作面覆巖的穩(wěn)定性。

圖6 孤島工作面塑性區(qū)分布

2.3 數(shù)值模擬的可靠性分析

孤島工作面鉆孔路徑上應(yīng)力分布如圖7，開采前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，采煤活動(dòng)打破了這種平衡，在采空區(qū)前方一定范圍形成應(yīng)力集中區(qū)。同時(shí)煤巖體應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，根據(jù)空間分布特征將其劃分成4 個(gè)區(qū)域：Ⅰ-應(yīng)力消減區(qū)，Ⅱ-峰后應(yīng)力增高區(qū)，Ⅲ-峰前應(yīng)力增高區(qū)，Ⅳ-未擾動(dòng)區(qū)。

圖7 應(yīng)力分布示意圖

煤層開采后形成的采空區(qū)無法承載地應(yīng)力，近距離的煤巖體發(fā)生塑性應(yīng)變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要特征表現(xiàn)為：1）局部煤巖體承受應(yīng)力超過強(qiáng)度上限，發(fā)生塑性破壞，內(nèi)部彈性勢(shì)能減小甚至消失，同時(shí)有大量裂隙出現(xiàn)。2）峰后應(yīng)力增高區(qū)承受應(yīng)力超過強(qiáng)度上限，內(nèi)部產(chǎn)生許多的微小裂隙，最后貫通形成大裂隙，受集中應(yīng)力影響，處于彈性軟化變形階段。3）峰前應(yīng)力增高區(qū)應(yīng)力逐漸變高，未超過強(qiáng)度極限的地質(zhì)體屬于彈性變形階段，受圍壓影響，地質(zhì)體內(nèi)原有裂隙在擠壓作用下閉合，同時(shí)產(chǎn)生又破壞產(chǎn)生新的裂隙，該區(qū)域裂隙輕微發(fā)育。4）未擾動(dòng)區(qū)煤巖體應(yīng)力分布未受到采動(dòng)作用的影響，地層比較穩(wěn)定。

通過對(duì)工作面應(yīng)力特征的分析研究，對(duì)研究區(qū)瓦斯抽放鉆孔過程中在20～50 m 范圍遇到鉆進(jìn)困難的原因有了更加清楚的認(rèn)識(shí)，也為鉆孔工藝優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)。

3 孤島工作面鉆孔工藝與試驗(yàn)效果

3.1 鉆孔裝備和施工工藝

1）裝備優(yōu)化改造

ZDY6500LP 是一款全液壓履帶式鉆機(jī)，該鉆機(jī)采用轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、組合油缸等模塊化結(jié)構(gòu)形式，可實(shí)現(xiàn)中間加桿和后方加桿，滿足不同工藝要求。根據(jù)前期試驗(yàn)，將鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)矩由6000 N·m升級(jí)為了10 000 N·m，以更好滿足王坡煤礦碎軟煤層中成孔的需要。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了四種規(guī)格的鉆桿，即Φ60.3/95 mm螺旋鉆桿、Φ73/89 mm 螺旋鉆桿、Φ89 mm 三棱螺旋鉆桿和Φ63.5/100-28 mm 螺旋鉆桿。通過控制變量的方法，對(duì)鉆桿間連接方式、翼片結(jié)構(gòu)、通孔直徑等因素對(duì)成孔效果的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2）螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝

大螺旋排渣鉆孔設(shè)計(jì)軌跡長、排渣距離遠(yuǎn)，受孤島工作面復(fù)雜地壓影響，易出現(xiàn)塌孔、堵孔等事故。在試驗(yàn)過程中針對(duì)鉆孔軌跡控制、工程管理和孔內(nèi)事故應(yīng)對(duì)等因素進(jìn)行了優(yōu)化。

① 合理控制鉆孔傾角。盡可能選擇沿煤層傾向方向由低處向高處鉆進(jìn)，使鉆孔保持一定的仰角。

② 設(shè)計(jì)階段查清工作面地質(zhì)狀況，避開斷層、陷落柱等破碎地質(zhì)體，同時(shí)注意應(yīng)力集中區(qū)分布范圍。

③ 發(fā)生卡鉆等事故后，通過分析事故點(diǎn)的空間位置及事故發(fā)生的原因，科學(xué)制定處置方案。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鉆孔沿巷道平行布置，垂直巷道向3206 孤島工作面施工。考慮煤層穩(wěn)定性及透氣性，設(shè)計(jì)鉆孔間距4 m，開孔傾角依據(jù)煤層賦存情況初步設(shè)計(jì)0°～-10°，鉆孔設(shè)計(jì)孔深100 m。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 效果分析

前文所述四種螺旋鉆桿，孔深大于100 m 鉆孔成孔率分別為60%、55.6%、54.5%和80%。其中，Φ63.5/100-28 mm 螺旋鉆桿施工鉆孔成孔率顯著高于其他三種鉆具組合，一方面其采用插接式連接方式，在通過應(yīng)力集中孔段時(shí)，可采用正轉(zhuǎn)+反轉(zhuǎn)形式強(qiáng)力回轉(zhuǎn)掃孔排渣；另一方面Φ63.5/100-28 mm螺旋鉆桿為大通孔結(jié)構(gòu)，通孔直徑28 mm，鉆孔施工過程中可以配氮?dú)膺M(jìn)行輔助排渣，從而顯著提高鉆進(jìn)過程排渣效率，更有利于復(fù)雜地層條件下鉆孔高效成孔。

4 總結(jié)

針對(duì)3206 孤島工作面復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆進(jìn)困難、瓦斯預(yù)抽不到位的情況，一方面以數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為基本手段，通過動(dòng)態(tài)分析確定了孤島工作面馬鞍狀應(yīng)力分布特征和塑性區(qū)分布范圍；另一方面有針對(duì)性地研發(fā)了大扭矩鉆機(jī)，并對(duì)螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠適應(yīng)不良地質(zhì)體鉆進(jìn)排渣。在理論分析和大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了復(fù)雜地應(yīng)力條件下碎軟、高瓦斯煤層鉆孔施工工藝技術(shù)體系，為解決碎軟煤層瓦斯預(yù)抽困難的問題提供新思路，為瓦斯高效預(yù)抽和煤礦安全生產(chǎn)提供基本保障，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。