高家堡煤矿高压注水封孔长度研究

王倩男，周晓华，刘 浩，汪文瑞，司 雷

（1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713600）

高家堡自2014年7月施工以来，在大巷掘进期间多次出现冲击地压现象，灾害形式十分严峻。王刚等学者[1-2]引用煤层注水原理，对煤岩压裂进行了研究。煤层注水是一种积极主动降低工作面煤层冲击倾向性的有效方法，其主要通过向煤体预注高压水，利用压力水对弱面压裂、冲刷、楔入作用及水对煤体的物化作用，使煤岩体扩大原有裂隙，产生新裂隙，破坏煤岩体整体性，降低其强度，释放煤体压力，有效预防发生冲击地压事故。钻孔封孔是煤层注水前最重要的一步，而封孔长度影响钻孔封孔效果。因此，研究封孔长度对煤层注水顺利开展具有重要意义。

国内外学者通过理论分析、数值模拟及现场试验等方法对封孔长度进行了研究。张超等学者[3]模拟分析了浆液在钻孔周围的分布情况，进一步优化了封孔段的长度。陈建忠等学者[4]通过分析封孔长度与巷道应力“三带”的关系，用数值模拟和现场试验方法确定了合理的封孔长度。梅绪东[5]建立了密封抽采条件下压裂孔封孔长度计算模型，设计了重庆某矿水力压裂钻孔的封孔长度。葛兆龙等学者[6]通过建立水力压裂钻孔封孔力学理论模型，分析了封孔长度与封孔材料耐压能力的关系，并进行了现场试验。李春亭[7]、杨宏民[8]、成艳英[9]等学者提出瓦斯抽采钻孔的封孔长度要大于巷道卸压带的宽度，有效提高瓦斯抽采浓度。池秀文[10]、李占魁[11]等学者用不同的方法从理论上推导出塑性区宽度的计算方法，并提出了封孔长度要大于塑性区宽度。Chun－shanZheng等学者[12]模拟分析了瓦斯抽采过程中钻孔周围区域内空气泄漏量的情况，提出钻孔的封孔长度大于巷道应力集中区，防止空气流入钻孔。TongqiangXia等学者[13]构建了孔内和孔边裂隙漏气的物理耦合数学模型，模拟了不同封孔长度和漏气裂隙宽度条件下，钻孔抽采煤层瓦斯的过程，并对该数学模型进行了试验验证。因此，基于高家堡煤矿的实际情况，将胶囊长度与塑性区宽度结合分析，进行现场试验，最终确定合理的封孔长度。

1 胶囊封孔器的材料必备条件及工作原理

1.1 材料必备条件

高家堡煤矿施工注水钻孔直径为94 mm，研发高压注水封孔器应与钻孔配套，封孔器的材料需要满足以下条件：①所选材料膨胀性好，具有一定的强度，耐高压；②具有较强的密封性，保证封孔器无漏水现象发生；③封孔效果好，能够有效封堵高压水，满足高压注水的要求。

1.2 工作原理

胶囊封孔器结构示意图如图1。封孔器工作时，首先使用注水泵进行低压注水，低压水经注水管由三通阀的侧通口流入外壳内部，并经过侧通口处的进水孔进入胶囊，胶囊注水膨胀后与钻孔贴合，达到密封钻孔的作用。缓慢增大注水压力，压力泵持续供水，三通阀内的压力不断上升，当压力达到5 MPa时，注水管底端的压力片瞬间开启，压力水流入到孔底，进行下一步注水工作。

图1 胶囊封孔器结构示意图

2 煤层注水钻孔封孔长度研究

胶囊封孔器有效封孔需要同时满足以下2个条件：①胶囊与钻孔壁之间的摩擦力大于钻孔内高压水对胶囊封孔器的推力与封孔器重力及胶囊内水的重力在水平方向的分力之和，维持胶囊封孔器不被高压水推出；②封孔长度要大于塑性区宽度，水既不从胶囊与钻孔壁裂隙中流出，也不从钻孔周围裂隙中流出。

2.1 胶囊密封长度分析

为了方便研究胶囊长度，做出以下假设：①钻孔为圆柱体；②胶囊要有良好的膨胀性；③胶囊与钻孔壁之间的最大摩擦力系数取值固定。

胶囊封孔器封孔时，胶囊在钻孔内受力分析如图2。钻孔倾角为θ，胶囊长度为L，注水压力为p，封孔器重力G1以及胶囊内水的重力G2在水平方向的分力之和为G。

图2 胶囊在钻孔内受力分析图

胶囊封孔器快要被推出的临界状态，胶囊与钻孔壁之间的摩擦力等于钻孔内水对封孔器的推力与封孔器重力及胶囊内水的重力在水平方向的分力之和。

式中：Fw为钻孔内高压水对胶囊封孔器的推力，N；G为封孔器重力以及胶囊内水的重力在水平方向的分力之和，N；f为胶囊与钻孔壁之间的摩擦力，N；p 为注水压力，MPa；p1为胶囊膨胀压力，MPa；G1为封孔器的重力，N；G2为胶囊内水的重力，N；S1为胶囊顶端截面面积，m2；μ为摩擦系数；S2为胶囊与钻孔接触面积，m2；θ为钻孔倾角，（°）。

胶囊与顶端截面、钻孔接触面积：

式中：D1为钻孔直径，m；D2为注水管直径，m；L为胶囊长度，m。

胶囊内水的重力G2：

式中：ms为水的质量，kg；ρs为水的密度，kg/m3；v为胶囊内水的体积，m3；g为重力加速度，N/kg。

将式（3）～式（5）代入式（2）中移项得胶囊长度：

式中：mf为封孔器的质量，kg。

根据高家堡煤矿202工作面情况，钻孔直径为94 mm，注水管直径为10 mm，注水压力为30 MPa，胶囊膨胀压力为1 MPa，摩擦系数为0.5，胶囊封孔器质量为10 kg，水的密度为 1.0×103kg/m3，钻孔倾角为 3°（sin3°=0.052）。将数值代入式（6）中计算出胶囊长度为8.1 m。

2.2 塑性区宽度分析

对于塑性区宽度的计算，徐浩[14]等学者通过建立瓦斯煤层力学模型，提出3个边界条件，构建塑性区本构方程和6种不同的弹性区本构方程，得出相对应的6种煤层水平、垂直应力及扰动区深度的计算公式，然后结合提出的边界条件，推导出了塑性区宽度的计算公式。

选用其第6种弹性区本构方程，根据x=xp时，σxI=σxII（σxI为塑性区水平方向应力，MPa；σxII为弹性区水平方向应力，MPa），得出塑性区宽度式（7）：

式中：pr为煤层前方支护阻力，MPa；cc为煤岩界面黏聚力，MPa；φc为煤岩界面摩擦角，（°）；H 为内摩擦角的单参数函数；αpl为原始瓦斯压力，MPa；L为扰动区深度，m；I为黏聚力和内摩擦角的双参数函数；μ为煤体泊松比，通常取为0.3；h为煤层厚度；λ为侧压力系数；q为垂直应力，MPa；xp为塑性区宽度，m。

选取高家堡煤矿202工作面作为研究对象，煤层高度为1.75 m，侧压力系数为0.8，煤层前方支护阻力为0.2 MPa，垂直应力为17.8 MPa，煤层宽度为1.5 m，煤体黏聚力为0.5 MPa，煤体内摩擦角为22°（tanφc=0.1），煤岩界面黏聚力为 1.2 MPa，有效应力系数为0.15，煤体泊松比为0.3，原始瓦斯压力为1.58 MPa。将数值代入式（7）中得出塑性区宽度为8.95 m。

3 胶囊封孔器应用效果

3.1 试验钻孔布置

本次试验地点为高家堡矿井202回风巷，钻孔布置如图3。在202回风巷施工了6个钻孔，钻孔直径94 mm，钻孔高度1.6 m，孔间距10 m。试验选用ZDY4000LR钻机，固定安装好钻机后，确定钻孔倾角为3°，最后开孔钻进。

3.2 封孔方案设计

图3 钻孔布置图

本次封孔试验在1#～6#钻孔进行封孔，6个钻孔的封孔长度依次为 7、8、9、10、11、12 m。以 4#钻孔为例，封孔设计方案如图4。将胶囊封孔器串联封孔，每个胶囊封孔器长为2 m，在最右边胶囊封孔器的出水口处安装压力片，胶囊封孔器实物图如图5。首先向胶囊内注水，设定注水压力为3 MPa，胶囊封孔器出水处的压力片未弹开，胶囊充分膨胀封住钻孔，之后慢慢增大注水压力到30 MPa。通过观察钻孔出水情况，进而判断封孔效果。

图4 封孔设计方案图

图5 胶囊封孔器实物图

3.3 封孔效果分析

通过观察钻孔是否出现漏水现象来判断封孔效果，试验封孔效果见表1。

表1 试验封孔效果表

由表1可知，钻孔的封孔长度小于8 m时，钻孔漏水比较严重，没有达到封孔的要求，封孔失败；钻孔的封孔长度为9 m时，钻孔有少量水流出，漏水为缓慢流淌状态，基本能够达到封孔要求；钻孔的封孔长度大于10 m时，钻孔没有出现漏水现象，能够达到封孔的要求，封孔效果好。

由此可知，采用10 m的封孔长度是合理的，能够达到封孔的要求，封孔效果良好。

为了进一步验证钻孔的封孔长度10 m是合理的，在4#钻孔又进行了一次试验。给予不同的注水压力，观察4#钻孔的漏水情况，其漏水情况见表2。

表2 4#钻孔漏水情况表

由表2可知，4#钻孔在不同注水压力下，由10 MPa增大到30 MPa，钻孔未出现漏水现象，最后试验将注水压力增大到38 MPa时，钻孔也没有出现漏水现象，说明钻孔的封孔长度10 m达到了封孔的要求，封孔效果好。因此，最终确定钻孔的封孔长度10 m是合理的。

4 结论

1）基于提出的胶囊封孔器有效封孔2个条件，建立关于胶囊力学理论模型，通过该模型分析了胶囊封孔时的受力情况，推导出胶囊长度的计算方法。

2）根据高家堡煤矿202回风巷的相关参数，计算出胶囊长度至少8.1 m，塑性区宽度为8.95 m，结合封孔条件，确定钻孔的封孔长度大于8.95 m。通过现场封孔试验，发现封孔长度为10 m时，钻孔未出现漏水现象，封孔效果好，最终确定合理的封孔长度为10 m。