钻孔新型封孔方法与封孔深度研究

2019-10-11苏三星

煤 2019年9期

苏三星，李博，李哲

(1.河南能源化工集团鹤煤公司八矿，河南鹤壁 451000； 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 454000)

目前我国矿井瓦斯抽采大部分钻孔漏气严重，抽采管路中瓦斯浓度下降迅速而煤体瓦斯并未被有效抽出。瓦斯抽采不仅是预防煤与瓦斯突出的主要方法[1]，瓦斯的有效利用对环境保护也有着重要的意义[2]。合理的封孔参数是封孔质量的关键，目的是保证对煤岩层原生与巷道围岩卸压变形产生的次生裂隙的密封。钻孔围岩破裂规律基本与巷道相同，钻孔轴向上每点的径向应力、切向应力趋近于该点巷道侧壁应力。为分析方便，将煤巷轮廓视为圆形截面，图1是巷道与钻孔叠加应力分布图。

随着钻孔钻进深度的不同，在巷道集中应力区内，钻孔周围径向应力产生先增大然后再减小的过程，径向应力向深部逐渐增加，两种应力共同作用造成钻孔轴向方向沿孔深形成不同的平衡半径。根据巷道壁向深部延伸的距离可以分为破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区。破碎区受到巷道采动直接卸压影响，破裂严重，基本不承载应力；塑性区内裂隙较为发育，形成了众多漏气通道，因此，封孔位置尽量错过两个影响剧烈区域[3]。

1 钻孔围岩裂隙影响范围研究

1.1 裂隙发育数值模拟

为了分析裂隙影响范围，确定合理的封孔深度，以鹤壁煤业八矿3202工作面为研究对象，应用RFPA2D数值模拟软件，分析巷道及钻孔掘进过程中围岩煤体的径向应力、切向应力变化，以及裂隙发育的范围和过程[4]，得出巷道和钻孔的采动影响范围，巷道与钻孔共同影响下的裂隙区域。为了减小模拟结果的误差，模型采用约十倍卸压范围大小尺寸，设定模型处于静水压力状态，模拟埋深为500 m时的压力状态。根据埋深煤层上覆岩层的重量为13 MPa，所以模拟时水平和垂直方向各施加13 MPa应力，对边界采用双向等压均布载荷加载。本次模拟建立两个正方形模型，分别模拟拱形巷道及钻孔共同采动应力影响范围和钻孔单独施工卸压区域，模型尺寸为40 m×40 m，一共分为250 000个单元格，每个单元格80 mm×80 mm。数值模型见图2。所需的力学参数如表1。

图1 巷道与钻孔叠加应力分布

图2 力学数值模型

力学参数3202巷道煤体均质度/m2.5弹性模量均值E0/MPa1 520抗压强度均值σ0/MPa5泊松比μ0.28内摩擦角φ/(°)28容重/(N·mm-3 )1.4×10-5压拉比10

1.2 模拟结果分析

巷道以及抽采孔的施工模拟中分为两部分进行，最终分析共同开挖的模拟结果，如图3-6所示。

图3 巷道施工完成后声发射

图4 巷道施工完成后切向应力动态分布

为了分析巷道及钻孔开挖对煤体围岩应力的影响，选择钻孔直径的轴向截面分析巷道两侧的应力。如图7和图8所示。

图7-8中系列1是原岩应力，系列2、3分别为巷道和抽采孔施工后应力变化，横坐标表示单元体个数，纵坐标表示应力大小。图中表明，由于巷道的开挖和抽放孔的钻进，破坏了原始应力场，周边围岩中应力发生变化。从巷道及抽采孔施工后各自声发射可以看出，巷道周围应力变化明显区域范围不大，抽采孔开挖并没有增加巷道卸压区域，仅是在钻孔周围有较为突出的应力降低，影响区域很小。

由图7-8能够看出，由于巷道及钻孔的施工，两个主应力都发生明显变化，最小主应力的变化最大。在巷道壁面外侧相距8m左右的范围内还有明显的应力扰动，应力的剧烈影响范围可达到16.5 m，再往围岩深处延伸，应力基本恢复至原岩应力。可得出巷道周围卸压区域的大小主要受巷道施工的影响。

图5 巷道及抽采孔施工完成后声发射

图6 巷道及抽采孔施工完成后应力分布

2 蠕变效应影响下裂隙发育范围

煤体属于强度较低的松软岩石，在采掘实际中，岩石本身会随着时间产生一定的变形位移，此时，巷道及钻孔周围的应力不发生改变，这种应力保持不变但是应变随时间改变的过程被称之为蠕变[5]。

图7 最小水平主应力

图8 最大水平主应力

2.1 弹性区应力及发育范围

由于弹性区应力是与塑性区半径有关的变量公式，因此，分析弹性区应力时选择Poynting-Thomson模型，弹性方程为：

(1)

弹塑性区交界面应力为常数，令所求的点r=ar2(t),a为比例系数，r2(t)为随时间而变的塑性区半径。随塑性区半径变化的点，应力状态不随时间变化，因此上式中应力速率为零，且平均应变及平均应变速率均为零，再令τG0=ηretG∞，ηret=τG0/G∞(延迟时间),则上式可以化为：

(2)

在轴对称条件下，弹性区体积变形为0，则有：

(3)

式中：εm是平均应变；u为位移，通过解上式可以得到：

(4)

令式(3)中r=r2(t),有：

(5)

将式(5)带入式(2)，考虑σr=σr2=q(1-sinφ)-Ccosφ,得到：

(6)

(7)

将上式分别代入(2)、(4)、(5)，得到弹性区应力和位移：

(8)

此时，r的数值大于r2。

2.2 塑性区应力及发育范围

根据摩尔-库伦塑性条件,将塑性区静力平衡方程化为：

(9)

(10)

由(10)得：

(11)

两边积分后得：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

围岩的性质决定了，弹性区和塑性区接合面应力为常数，不随塑性区范围和支护抗力变化，则支护抗力计算为：

将塑性圈外壁径向和切向应力代入塑型圈半径并合并求解得出：

(17)

设塑性区应变为0，则塑性区位移：

(18)

当r=r2(t)，上式可化为：

(19)

此时公式中r的数值小于r2。当r=r2，推出随时间变化的塑性区范围：

(20)

支护抗力与塑性区变形呈现反比例关系，考虑最不利情况，选择无支护抗力的存在，则：

r2=

(21)

式中，考虑原岩应力q，为下文现场试验做理论准备。选择八矿3202工作面运输巷实际数据，埋深500 m的应力13 MPa，强度减弱系数为δ=0.37，Kp是1.5倍的原岩应力，k为松弛时间，约是1 h，巷道宽度选择为4.2 m，带入上式，得到支护力为零的情况下巷道周围塑性区随时间变化的关系。如图9。

图9 塑性区宽度随时间的变化

图9显示，巷道初期形成时间内，塑性区范围扩展迅速；在100 d以后，开始发展缓慢，经过100～150 d的缓慢发展期，塑性区范围基本趋于稳定，大致发育时间在200 d左右。从巷道围岩壁面开始，塑性区范围为6.9 m左右。对于受巷道影响的钻孔，单纯从塑性破坏区而言，封孔距离至少应在6.9 m以上。

图10 弹性区宽度随时间的变化

同时,可以得到巷道周围弹性区范围，如图10。弹性区发展时间跟塑性区一样，呈现一个快速发展再逐渐变缓的趋势，最终范围大约是17.7 m左右。对于受巷道影响的钻孔，单纯从弹塑性区域而言，最佳封孔长度距离至少应在10.8 m。

结合前文对鹤壁八矿实际裂隙影响区域的数值模拟，可以确定合适的封孔深度，封孔起始位置：钻孔孔口向里6.9 m以上，合理的最长封孔长度为10.8 m，再增加封孔长度无益。

3 现场封孔试验

3.1 封孔装置介绍

基于原径向膨胀封孔技术[6]，做了部分改进。封孔装置包括瓦斯抽采管和瓦斯抽采花管，瓦斯抽采花管后端与瓦斯抽采管前端连接，瓦斯抽采管外段设有圆环形的前固定挡板、前移动挡板、后移动挡板和后固定挡板，前固定挡板和前移动挡板之间设有前橡胶变形筒体，后移动挡板和后固定挡板之间设有后橡胶变形筒体，前、后移动挡板前面设有后橡胶垫，瓦斯抽采管外部在前橡胶垫和后橡胶垫之间设有封孔混合液包，前橡胶垫的外边沿向后折弯形成盘状结构，后橡胶垫的外边沿向前折弯形成盘状结构，便于将径向强力膨胀抽采封孔装置固定到钻孔内。在前固定挡板和后固定挡板的阻挡下，前移动挡板和后移动挡板分别推动前橡胶变形筒体和后橡胶变形筒体产生径向变形，推动封孔液向裂隙渗透，对钻孔壁裂隙起到良好的封堵作用。如图11。

图11 封孔装置示意

3.2 现场试验

试验地点选在鹤煤八矿3202工作面运输巷，该区域平均煤厚6.8 m，煤层倾角23～26°；煤层底板标高-320～-480 m，地面标高为+138.8 m，埋藏深度458.8～618.8 m。垂直煤层透气性系数为3.60～7.15 m2/(MPa2·d)，瓦斯含量为6～10 m3/t。

抽采钻孔均为本煤层顺层钻孔，由工作面运输巷向煤体打钻。钻孔开孔处位于巷道上帮，垂直于巷道帮，坡度为23～26°，钻场处煤体未受采动影响，钻孔间距3 m。

3.3 试验结果对比分析

在3202工作面进行封孔技术对比试验。共实施试验钻孔12个，封孔试验持续观测时间40 d，观测参数为混合抽采流量和抽采浓度。为了便于与原来使用的聚氨酯和水泥浆联合封孔对比，选择平均抽采浓度和平均抽采纯量作为评价指标，结果对比如图12和图13。

由图12、13可以看出，径向膨胀法与原有聚氨酯封孔法相比，虽然两种工艺整体的平均抽采浓度都随着时间呈现衰减趋势，但是，采用径向膨胀法的抽采浓度、抽采纯量整体比聚氨酯高，平均单孔抽采浓度提高了72%，抽采纯量增加了59.7%。现场试验结果表明，径向膨胀密封工艺的钻孔抽采浓度与原聚氨酷封孔相比有较大幅度提高，长效性显著。