大断面煤层巷道瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究

2014-04-20董开元

中国煤炭 2014年2期

何俊董开元

（河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454000）

随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出的治理难度逐渐增大，具体表现为瓦斯压力、含量急剧增加，煤体透气性减小，导致瓦斯突出强度大、频率高、抽采困难等。抽采是瓦斯治理的关键，而确定合理的封孔深度是瓦斯抽采的一个主要技术环节，也是提高瓦斯抽采率的重要方法。

1 矿井概况

赵固二矿主要含煤地层为山西组和太原组，两组煤层总厚度10.71 m，地层总厚172.26 m，含煤系数为6.22%。二1 煤层为本井田主要可采煤层，厚4.73～6.77m，平均6.16m。该煤层以块煤为主，夹有少量粒状煤，内生裂隙发育，块煤强度大，坚硬。受区域构造控制，井田内构造特征以断裂为主，局部发育小幅度次级褶曲，全井田有发育断层47条。赵固二矿煤层埋藏较深，属煤与瓦斯突出矿井。

2 确定瓦斯抽采钻孔合理封孔深度

2.1 巷道卸压圈数值模拟

采掘作业破坏了煤层的原始应力，使煤体发生破裂变形，形成卸压带、应力集中带和原始应力区，俗称应力 “三带”。井下巷道围岩卸压圈范围的确定是一个复杂的问题，数值模拟是对实际情况进行简化，其结果与实际情况有一些差别，但从中得到的一些结论有益于解决工程实际问题。所以，将围岩体简化为各向同性的连续均匀介质，将巷道的围岩应力简化为静水压力状态，利用FLAC3D软件进行数值模拟，对巷道卸压圈的分布规律进行研究。本次模拟实验所建立模型的网格大小为44 m×40m×36m。具体参数见表1。

表1 围岩物理力学参数

计算时对模型进行简化，只考虑模型在横断面X、Z 两个方向上的响应，不考虑巷道Y 方向的自由度。模拟计算分两部分，第一部分是在重力及围压作用下模拟固结过程；第二部分是利用null空单元来模拟开挖过程。利用FLAC3D 处理，根据各路径上屈服单元个数及各模型网格划分大小情况，进而判断卸压圈的范围。赵固二矿煤层巷道围岩垂直应力分布如图1所示。

图1 煤层巷道围岩垂直应力分布图

图1中不同的颜色区域代表巷道内的应力分布情况，从图1可以看出，巷道开挖后围岩卸压带宽度为5m，从第5m 到第13m 为巷道的应力集中带，13m 以后的区域为原始应力带。

2.2 卸压圈宽度现场试验

不同区域煤体的力学状态不同，导致不同区域的煤层透气性、在相同破坏力作用下所产生的碎粒煤量也是不相同的。因此，利用向巷帮打钻测量不同深度的煤屑量S 和煤屑解吸指标Δh2（煤屑量S和煤屑解吸指标Δh2的变化趋势是一致的），根据其变化趋势推算出煤层巷道3个应力区的范围。不同区域的钻屑量S、Δh2关系如图2所示。

在11021工作面下巷道1390～1920m 处选择8个地点进行试验，尽量避开断层和褶皱等地质构造带，与硐室间距20 m以上，相邻试验点间距8～10m。每个地点用钻杆直径为75mm 的钻机施工顺煤层钻孔，单孔深度为15～20 m。钻孔施工过程中，每进尺1m，用弹簧秤测定该1m 进尺的钻屑量S。实测钻屑量S 与钻孔深度关系见表2。从第3m 开始，每钻进2m，用MD-2型煤钻屑瓦斯解吸仪测取钻屑瓦斯解吸指标Δh2。钻屑瓦斯解吸指标Δh2与钻孔深度关系见表3。

图2 不同区域的钻屑量S、Δh2关系图

表2 钻屑量S 与钻孔深度关系表

根据表2 和表3 情况，选择有代表性的1＃、2＃、4＃钻孔实测数据，通过统计回归绘制出钻孔钻屑量S 和钻屑瓦斯解吸指标Δh2随孔深的变化情况，如图3和图4所示。

表3 钻屑瓦斯解吸指标Δh2与钻孔深度关系表

图3 钻屑量与孔深关系图

从图3可知，1＃、2＃和4＃孔的钻屑量S 与孔深关系曲线能较好地反映出巷道周围煤体的3个应力区的范围，卸压区为1～5m，应力集中区为5～12m，原始应力区为12m 以后，钻屑量最大值出现在钻孔深度为9m 左右的位置。

由于钻屑量S 和钻屑瓦斯解吸指标Δh2反映对应物理参数的敏感性存在着差异，从图4 可以看出，钻屑瓦斯解吸指标Δh2不能明显反映出巷道周围煤体的3个应力区的范围，分析其原因可能是煤体瓦斯放散速度太快、煤体瓦斯分布不均匀、煤体含水等。

图4 钻屑瓦斯解吸指标与孔深关系图

抽采钻孔封孔深度的基本原则是避免抽采时吸入空气又要封孔深度尽量缩短。要求抽采瓦斯钻孔的封孔深度必须足够长，以避免空气通过裂隙被吸入抽采钻孔，保证抽采钻孔瓦斯的抽采浓度和抽采量，又要求封孔深度尽量缩短，以创造良好的经济效益。另外，煤层巷道 “三带”范围是动态变化的，随着工作面的回采影响而不断扩大。为了保证抽采钻孔后期的抽采效果，封孔深度应超过应力集中带。结合数值模拟和现场实测数据分析，确定合理的封孔深度为13m。

3 抽采效果验证

瓦斯抽采钻孔的封孔效果不好，会导致抽采钻孔的瓦斯抽采负压和抽采浓度偏小。所以，可以利用这两个参数进行该试验的抽采效果验证。

本次验证试验地点在11021工作面下巷道9号瓦斯抽采钻场。选择9个相邻的抽采钻孔，封孔深度分别为10m、13m、15m，每组各3个，分别测取不同封孔深度钻孔的瓦斯抽采负压和抽采浓度，实测数据见表4和表5。

表4 瓦斯抽采负压与封孔深度关系表 Pa

由表4和表5可以看出，在同一时段内，封孔深度为10m 钻孔的瓦斯抽采负压和抽采浓度明显低于封孔深度为13m、15m 的钻孔，而封孔深度为13m、15m 钻孔的瓦斯抽采负压基本相同。到第4d时，每个钻孔的瓦斯抽采负压突然增大，这是由于抽采系统不稳定造成的。不同封孔深度钻孔的瓦斯抽采浓度不符合理论规律，原因可能是试验时间为钻孔瓦斯抽采初期，封孔深度为10m 的钻孔内裂隙比较发育，初期有利于瓦斯的溢出，封孔深度为15m 的钻孔已经封过了裂隙发育的区域，较封孔深度13m 的钻孔抽采初期更不易于瓦斯的溢出。

经过一个月后，再次对试验钻孔进行抽采瓦斯浓度的测量，实测数据见表6。