全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究

黄致鹏，魏国营,2,3

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家

重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)



全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究

黄致鹏1，魏国营1,2,3

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家

重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

[摘要]为了提高亭南矿顺层钻孔抽采瓦斯的效率，基于合理封孔深度的重要性，采用FLAC3D模拟煤巷开挖后围岩塑性区、垂直应力分布情况，并用Tecplot软件提取巷帮煤岩垂直应力数值，拟合后得到距巷帮不同深度的应力分布曲线。根据钻屑法、钻屑瓦斯解吸指标法现场实测数据，确定出全煤巷道3个应力分区的范围。通过抽采效果验证，证明顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度是应该超出巷帮的卸压带或塑性区范围，但同时又应小于应力峰值点的深度。最终确定亭南矿顺层瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度为9m。

[关键词]顺层钻孔；抽采瓦斯；合理封孔深度；钻屑量；钻屑瓦斯解吸指标

据统计，我国约有65%的回采面顺层瓦斯抽采钻孔的预抽瓦斯浓度小于30%[1]。瓦斯抽采主要靠打钻和封孔来完成，而封孔是瓦斯抽采的重要环节，其中封孔深度对瓦斯抽采具有重要影响。因此，确定瓦斯抽采钻孔合理封孔深度是保证瓦斯抽采效果的关键，而分析巷道“三带”分布范围则是确定封孔深度的关键[2-4]。

前人研究表明，若封孔深度较短且处在卸压区内，在孔口负压的作用下，钻孔可通过巷道掘出后形成的松动圈内的宏观裂隙与巷道空间形成回路从而出现连通漏气，这就会导致巷道内瓦斯浓度超限而抽采管路内瓦斯纯量大幅降低[5-6]。若封孔深度较长，不仅会浪费封孔材料，还会导致从松动区边界到封孔段末端一带的煤体瓦斯抽不出，从而形成抽采盲区，为矿井以后的生产、管理留下安全隐患[7]。若封孔段超过巷帮应力集中峰值点的深度，则峰值点区域将会形成一个应力屏障，从而阻隔两侧煤体瓦斯的流动，形成不利于瓦斯抽采和煤体卸压的状况[8]。所以，确定钻孔合理封孔深度的原则就是既要最大程度地抽出煤层中的瓦斯，又要有利于瓦斯抽采及煤层卸压[9-11]。即瓦斯抽采钻孔合理封孔深度是应该超出巷道两帮的卸压带或塑性区范围，但同时又要小于巷帮应力峰值点的深度。

1矿井概况

亭南煤矿地处陕西省彬长矿区中部，井田东西长11.3km，南北宽5.1km，面积约33.85km2，设计生产能力3.0Mt/a。井田内唯一可采煤层为4号煤层，位于含煤岩系的最下部，平均厚度8.29m，赋存稳定，结构简单。受区域构造影响，井田范围内构造特征以褶曲为主，断层稀少。含煤地层沿走向、倾向的产状变化不大，倾角2～3°。亭南煤矿属高瓦斯矿井，其相对瓦斯涌出量17.43m3/t，绝对瓦斯涌出量81.96m3/min。4号煤层平均瓦斯含量4.62m3/t，煤层透气性系数为0.22～0.73m2/(MPa2·d)。矿井采用本煤层采前预抽、隅角埋管抽采、高抽巷结合高位钻孔抽采等瓦斯综合治理方案来解决日益严峻的瓦斯问题。

2顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的确定

2.1巷帮应力分区数值模拟研究

根据亭南煤矿4号煤层的地质条件建立FLAC3D数值模拟模型。4号煤层选择矩形巷道，巷道高×宽=3.0m×3.6m。考虑巷道围岩变形影响范围，并留有一定的边界影响区域，模型尺寸确定为长(x)×宽(y)×高(z)=10m×40m×30m，划分23200个单元，共26978个节点。模型上部边界为应力边界，施加载荷大小为上覆岩层自重；前后左右边界均施加水平约束，即水平位移为零；底部边界固定，水平垂直位移均为零。煤岩体采用摩尔-库伦本构模型。模型中采用的煤岩体物理力学参数由实验室测定，见表1。

表1　煤岩体物理力学参数

煤巷开挖后围岩塑性区、垂直应力分布情况分别见图1、图2。采用Tecplot软件后处理提取巷帮煤岩垂直应力数值，拟合后得到距巷帮不同深度的应力分布曲线，见图3。由图1可知，巷道开挖后围岩由三向受力状态变为二向受力状态，导致煤巷顶、底板和两帮都出现了不同程度的塑性破坏，此时煤巷两帮在塑性区范围的煤体会产生大量的裂隙，塑性区内顶板岩层受力平衡状态遭到破坏，围岩发生位移变形，寻求新的应力平衡，在顶板上方形成了暂时平衡的岩石松动圈。由图2和图3可知，在煤巷的两帮、顶板和底板一定范围内，均出现了应力降低区域，煤巷两帮0～6.1m为垂直应力降低区域，6.1～18.2m为垂直应力集中区域，在8.9m的位置达到了应力峰值。

图1　围岩塑性区分布

图2　围岩垂直应力分布

图3　距巷帮不同深度的应力分布曲线

2.22种方法确定合理封孔深度

不同深度煤体的应力状态不同，则不同深度的煤层透气性在相同破坏力作用下所产生的煤屑量也不同[12]。因此，通过向巷帮打钻的方法，测量不同深度的钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标K1，根据其变化趋势可推算出巷帮3个应力分区的范围。不同区域的钻屑量S，K1与钻孔深度关系总体变化趋势大致相同，见图4。

图4　S，K1随钻孔深度变化趋势

在304工作面回风巷道距切眼600m处选择8个地点进行试验，每个测点用直径为42mm的麻花钻杆钻机施工顺煤层钻孔，单孔深度为12m。开钻后每钻进1m，风钻要空钻几十秒，尽可能地排出钻屑，使用弹簧秤对塑料编织袋里的钻屑称重；每钻进2m时，用筛子迅速筛分出1～3mm粒径的煤粉，立即放入WTC型瓦斯突出参数仪进行测试。钻屑量S、钻屑瓦斯解吸指标K1测试结果与钻孔深度关系分别见表2和表3。

表2　钻屑量S测定结果　kg/m

表3　钻屑瓦斯解吸指标K1测定结果　mL/(g·min1/2)

根据表2和表3，分别建立S和K1随孔深变化的回归线，见图5和图6。

图5　S与钻孔深度关系

图6　K1与钻孔深度关系

从图5可以看出，虽然个别点数据异常，但整体呈现规律性，1～6m钻屑量S缓慢增加，这是因为卸压区内的煤体应力低于煤体的原始应力，此区域煤体充分卸压导致钻屑量偏小，但不会出现个别数据点激增的现象；6～9m钻屑量的增加幅度略大于1～6m钻屑量，当打钻深度达到9m时钻屑量达到了峰值；9～12m钻屑量数据点浮动较明显，且整体呈现下降趋势，但 9～12m的钻屑量数据的最小值也比1～6m钻屑量要大。因此，可以判定0～6m为卸压区域，5～9m为应力集中区域的应力升高区，9～12m为应力集中区域的应力下降区，出现应力峰值的位置约为9～10m。

由于钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标反映对应的物理参数的敏感性存在一定差异，图6和表2中的各个钻孔的K1值随孔深的变化，并未发现实质性的规律，无法判断出“三带”位置。许多孔深较深位置测得的K1数据甚至比孔深较浅位置还小，考虑主要是因为孔深较深位置测得的钻屑量混有上一段已解吸过的钻屑，且孔深较深的位置的钻屑量排出孔口需要更长的时间，这段时间钻屑仍会解吸，最终导致测试的结果出现异常现象。

合理的瓦斯抽采钻孔的封孔深度应超出巷帮的卸压带或塑性区范围，同时又应小于巷帮应力峰值点的深度。因此钻孔的封孔深度一方面必须足够长，以避免空气通过裂隙进入抽采钻孔，从而保证瓦斯的抽采纯量；另一方面封孔深度又应尽量缩短，以节省材料和避免抽采盲区的出现。亭南煤矿304工作面的原有封孔深度为8m，但整体瓦斯抽采浓度并不高，需进一步提高瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度。通过数值模拟和现场实测数据分析，确定亭南矿顺层钻孔合理的封孔深度应为9m左右。

3合理封孔深度现场验证

本次试验首先沿304工作面运输巷距开切眼720m处施工第1个本煤层顺层平行预抽钻孔，每间隔7m施工下一个预抽钻孔，共计施工9个钻孔，依次编号C1，C2，…，C9。钻孔参数均为方位角270°，倾角3°，长度50m。每3个一组，封孔深度分别为8m，9m，10m，封孔材料均选用聚氨酯。然后将9个钻孔作为一组进行联网抽采，抽采负压为16kPa，用高浓度瓦斯光学测试仪每隔3d对C1～C9钻孔的瓦斯浓度进行监测，同时记录好各个钻孔随抽采时间变化的瓦斯浓度数据，见表4。对3个封孔深度相同的抽采钻孔在同一时间的瓦斯浓度求平均值，不同封孔深度的平均瓦斯抽采浓度随抽采时间变化见图7。

从表4和图7可以看出：

(1)同一抽采时间条件下，封孔深度为9m，10m的钻孔瓦斯抽采平均浓度均比封孔深度为8m的平均抽采浓度要高，说明封孔深度的提高对瓦斯抽采效果具有显著影响。

表4　钻孔瓦斯抽采浓度测定　%

图7　不同封孔深度的平均瓦斯抽采浓度与抽采天数关系

(2)封孔深度为8m，9m和10m的抽采钻孔浓度衰减系数分别为0.010，0.015和0.016；后两者的浓度衰减系数相差不大，但与前者差值较大，说明随着抽采时间的变化，三者衰减到同一抽采浓度，封孔深度为9m，10m的抽采钻孔所需要的时间更长，能够在较长时间段内保持较高的瓦斯浓度。因此封孔深度为9m，10m均比封孔深度为8m要合理。

(3)封孔深度为8m，9m和10m的钻孔抽采40d后的平均瓦斯抽采浓度分别为30.4%，38.1%，39.3%，后两者与前者的浓度差值分别为7.7%，8.9%，后两者的浓度差值为1.2%；三者的封孔深度虽都处于应力集中带内，也均超过了卸压区的范围，但抽采浓度并未随着封孔深度的增加而显著增加，这很可能是由于10m的封孔深度已超出了应力峰值点的深度，导致卸压区末端与应力峰值点之间由于应力过于集中使得该段煤体的透气性下降，进而形成屏障，阻隔了该区域煤体瓦斯的流动、运移和卸压。因此，合理封孔深度并不能一味地追求抽采浓度高，而应尽可能地接近应力峰值点的深度，且不要超过这一深度。

因此，通过瓦斯抽采效果验证，证明数值模拟和钻屑法确定合理封孔深度误差在合理范围内，能够满足现场封孔需要，最终确定304工作面的顺层瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度为9m。

4结论

(1)运用FLAC3D数值模拟，得出煤巷开挖后围岩塑性区、垂直应力分布情况，初步判定煤巷两帮0～6.1m为垂直应力降低区域，6.1～18.2m为垂直应力集中区域，在8.9m的位置达到了应力峰值。通过钻屑法现场试验，煤巷开挖后出现应力峰值的位置约为9～10m。

(2)瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度应该超出巷道两帮的卸压带或塑性区范围，但同时又要小于巷帮应力峰值点的深度。综合数值模拟和钻屑法现场试验结果，通过不同封孔深度抽采钻孔的抽采效果验证，最终确定亭南矿顺层瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度为9m。

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[责任编辑：施红霞]

Reasonable Sealing Length of Gas Extraction Borehole in Full Coal Roadway

HUANG Zhi-peng1，WEI Guo-ying1,2,3

(1.College of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control (Henan Polytechnic University),Jiaozuo 454003，China；3.The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan，Jiaozuo 454003，China)

Abstract：In order to improve the efficiency of bedding gas drainage borehole of Tingnanmine，based on the importance of rational sealing depth，using numerical simulation software FLAC3Dsimulates plastic zones and the vertical stress distribution case after coal roadway excavation.And using the Tecplot software to extract of the roadway coal and rock vertical stress values，and finally get the stress distribution curve away from roadway at different depths after fitting. According to drilling bits amount，cuttings gas desorption indexmethod field data，to determine the scope of the seam roadway three stress partition. Through the effect of extraction proof bedding reasonable sealing gas drainage drilling depth should be beyond the scope of relief with or plastic zone of two sides roadway，but also less than the peak stress point roadway depth. So the rational borehole sealing depth of Tingnanmine is 9m.

Key words：hole drilled along seam；gas drainage；rational sealing depth；drilling bits amount；cuttings gas desorption index

[中图分类号]TD712

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0101-04

[作者简介]黄致鹏(1991-)，男，河南信阳人，在读硕士研究生，主要从事瓦斯地质理论及瓦斯灾害防治技术研究。

[基金项目]国家科技重大专项资助项目(2011ZX05040-005)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1235)；河南理工大学博士基金资助项目(B2010-71)。

[收稿日期]2015-07-01

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.027

[引用格式]黄致鹏，魏国营.全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：101-104，100.