倾斜煤层穿层测压钻孔设计参数计算方法研究

马文伟

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 122113)

矿井瓦斯灾害是影响我国煤矿安全生产的主要灾害之一，尤其近年来，随着煤层开采深度的加大，煤矿瓦斯安全形势将更加严峻[1-5]。在防治煤与瓦斯突出的各项工作中，瓦斯基础参数测定是一切防治措施的基础，而煤层瓦斯压力测定又是瓦斯基础参数测定中的基础，故准确的测定煤层瓦斯压力，对防治煤与瓦斯突出具有极其重要的意义[6-10]。

煤层瓦斯压力是指煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，此作用力在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直[11]。在实际瓦斯压力测定中，测压钻孔的施工方式有穿层测压钻孔和顺层测压钻孔两种，相较于顺层钻孔，利用穿层钻孔进行煤层瓦斯压力测定，由于岩石段钻孔钻进时钻孔成型较完整，钻孔周边裂隙较少，瓦斯的泄露扩散通道减少，有利于钻孔的封孔，同时钻孔岩石段抗压强度大，可作为保护岩柱，防止喷孔时大量煤体的同时喷出，减少损害，故利用穿层钻孔进行瓦斯压力测定，在准确性和安全性上有很好的保障[12]。研究表明[13]，穿层钻孔瓦斯压力测定的准确性不仅与封孔效果有关，与钻孔的开孔位置、倾角、方位、钻孔长度等参数也具有密切关系。故研究穿层测压钻孔的参数设计方法具有重要的意义[14-16]。

目前，国内外的专家学者对于测压钻孔的设计参数进行了不同层次的研究。桑聪[17]等人以高抽巷测定待抽煤层瓦斯压力为原型，建立几何模型，对考虑伪倾角情况下的下行穿层测压钻孔参数的计算方法进行研究，并推导出相应的计算公式。石庆礼[13]等以测压巷道及钻场与煤层的6种空间位置关系为基础，推导出各种空间关系条件下，施工上行孔和施工下行孔时，钻孔位置、参数及参数选取的约束关系式。这些研究成果对现场钻孔施工的设计工作起到了一定的指导作用，但计算模型多变，空间关系较为复杂，在现场应用设计中考虑因素较多，本文在前人的研究的基础上，以钻场与待测煤层的2种相对位置关系为基础，研究上向测压钻孔与下向测压钻孔的参数设计计算方法，形成简单的计算公式，适用于煤矿现场快速的进行测压钻孔的参数设计。

1 测压钻孔参数计算模型建立

对于施工穿层钻孔的钻场，相对于测压煤层，有两种位置关系，一种为测压钻场位于煤层底板，通过施工上向穿层钻孔进行瓦斯压力测定，另外一种位置关系为测压钻场位于煤层顶板，通过施工下向穿层钻孔进行瓦斯压力测定。根据相关地测资料报告，通常可以确定测压地点的煤层倾角β，煤层倾向方位角γ'，钻孔起钻点位置与煤层垂直高度h及煤层厚度m，钻孔参数设计通常是要确定钻孔的倾角α，钻孔方位角γ及钻孔的长度L。为了模型计算方便，假设煤层赋存状态稳定，建立钻孔参数计算模型。

1.1 上向穿层钻孔参数计算模型

上向穿层钻孔参数计算模型如图1所示，由图1(a)、(b)可见，在钻场施工上向穿层钻孔，钻孔倾角为α，逆煤层倾向钻孔长度为L1，顺煤层倾向钻孔长度为L2，钻孔在煤层平面投影与煤层倾向所成锐夹角为φ，逆煤层倾向钻孔见煤点为A点，顺煤层倾向钻孔见煤点为B点，分别过A点和B点作与煤层平面平行的起钻点所在平面的垂线，交该平面于A′点、B′点，A与A′点距离和B与B′点距离即为钻孔起钻点位置与煤层垂直高度h。图1(b)为沿钻孔走向的剖面图，β′为煤层沿钻孔施工方向的伪倾角。由图1(b)所示几何关系，可得：

图1(c)中O1′A为钻孔O1A在煤层平面上的投影，为计算β′，沿煤层倾向作辅助线AA″，沿铅垂方向作辅助线AA′″，则∠AA″A′″即为煤层倾角β，∠O1′AA″为钻孔在煤层平面投影与煤层倾向所成锐夹角，由几何关系可知：

sinβ′=sinβ·cosφ

(6)

β′=arcsin(sinβ·cosφ)

(7)

sinβ′=sinβ·cosφ

(12)

β′=arcsin(sinβ·cosφ)

(13)

综合以上分析，可得逆煤层倾向上向钻孔长度和顺煤层倾向上向钻孔长度分别为：

1.2 下向穿层钻孔计算模型建立

下向钻孔参数设计计算模型如图2所示，由图2(a)可见，在钻场施工下向穿层钻孔，钻孔倾角为α，逆煤层倾向钻孔长度为L3，顺煤层倾向钻孔长度为L4，钻孔在煤层平面投影与煤层倾向所成锐夹角为φ，逆煤层倾向钻孔见煤点为C点，顺煤层倾向钻孔见煤点为D点，分别过起钻点O3点和O4点作与煤层平面的垂线，交煤层平面于O3′点、O4′点，O3与O3′点距离和O4与O4′点距离即为钻孔起钻点位置与煤层垂直高度h。图2(b)为沿钻孔走向的剖面图，β′为煤层沿钻孔施工方向的伪倾角。由图2(b)所示几何关系，可得：

图2 下向钻孔参数设计计算模型

依据图2(c)(d)中的几何关系，按照上向穿层钻孔的分析思路，最终可得逆煤层倾向下向钻孔长度和顺煤层倾向下向钻孔长度分别为：

综合以上分析，倾斜煤层穿层测压钻孔参数计算如下：

式中，L1为逆煤层倾向上向穿层钻孔孔长；L2为顺煤层倾向上向穿层钻孔孔长；L3为逆煤层倾向下向穿层钻孔孔长；L4为顺煤层倾向下向穿层钻孔孔长；h钻孔起钻点位置与煤层垂直高度；α为钻孔的倾角；β为煤层倾角；φ为钻孔在煤层平面投影与煤层倾向所成锐夹角。

2 算例分析

由式(20)、式(21)可知，穿层测压钻孔中参数的确定是一个相互联系的过程，一般来讲，在进行钻孔测压时，根据地测勘探资料可以确定当前待测压区的煤层倾角β，钻孔起钻点位置与煤层的垂直高度h及煤层倾向的方位角为γ′。

依据行业标准《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》规定[12]，测压钻孔应保证有足够的封孔深度，使穿层钻孔的见煤点位于巷道的卸压圈之外，最小封孔深度不应小于12m，同时上向测压钻孔的的钻孔倾角不小于5°，实际施工中也不应大于45°，否则会造成施工难度加大和封孔困难。

故进行算例分析时，假设待测区煤层倾角β为5°，钻孔起钻点位置与煤层的垂直高度h为15m，设置上向钻孔倾角为5°～45°，下向钻孔倾角为15°～90°，根据式(20)、式(21)，应用数学软件对上向钻孔及下向钻孔参数关系进行作图，如图3所示。

图3 穿层钻孔参数计算图

可见，在煤层倾角、钻孔起钻点位置与煤层垂直高度确定的前提下，钻孔施工长度、钻孔倾角、钻孔在煤层平面投影与煤层倾向所形成的锐夹角之间有着密切的联系。由图3(a)、(b)可见，对于上向钻孔，钻孔倾角较小时，钻孔施工长度会较长，钻孔施工工程量较大，且不利于压力的测定，故对于上向钻孔的设计，可首先预估一个钻孔长度范围，在钻孔长度范围内选择合适施工的钻孔倾角，最后确定钻孔方位角，如图4(a)所示，其中粗实线框图部分即为以算例数据为基础，预估钻孔长度35～70m范围为界所形成的钻孔参数选择范围。

对于下向钻孔，由于工人在现场为了方便施工，钻孔倾角容易设置偏大，因此其钻孔长度就会偏小，若钻孔的见煤点在巷道卸压圈之内时，就会严重影响到封孔效果和测压精度，故对于下向钻孔的设计，要以保证封孔质量为基础，可先确定钻孔的施工长度范围，进而确定合适的钻孔施工倾角和方位角，如图4(b)所示，其中粗实线框图部分即为以算例数据为基础，预估钻孔长度20～30m范围为界所形成的钻孔参数选择范围。

图4 测压钻孔参数选择方法示意图

3 现场实例分析

为了证实文中提出的穿层测压钻孔参数计算公式的准确性和方法的适用性，以中煤新集能源股份有限公司某矿进行的煤层突出危险性区域预测项目为依托，对其煤层进行瓦斯压力测定。根据地测资料，煤层在相应测压地点的赋存状况见表1。

表1 测压位置煤层赋存状态

根据地测资料及钻场与煤层的方位，应用上文所研究方法设计上向及下向穿层测压钻孔，计算结果与实际施工结果对比见表2，钻孔长度相对误差在10%左右。由于井下现场煤层埋藏赋存条件复杂，现场施工条件多变，故理论计算值相对误差控制在10%，能够相对准确的反映现场实际施工情况，该套钻孔参数设计计算方法能够有效的指导实际施工。

表2 计算结果与施工结果对比

4 结 语

1)以钻场与煤层的两种空间位置关系为基础，将穿层测压钻孔分为逆煤层倾向上向穿层钻孔、顺煤层倾向上向穿层钻孔、逆煤层倾向下向穿层钻孔、顺煤层倾向下向穿层钻孔4种类型。

2)以煤层产状为前提，测压钻场与煤层相对位置关系为基础建立几何模型，对穿层测压钻孔4种钻孔类型进行几何建模解算，推导出各种情况下测压钻孔长度、钻孔倾角、钻孔方位角关系的计算公式。

3)通过应用Mathematic数学软件分析计算公式，得到钻孔参数设计可首先确定钻孔长度范围保证封孔质量，而后在选择区域内取得钻孔倾角和方位角。

4)对比测压钻孔设计参数与实际施工钻孔值，理论计算值与实际值相对误差在10%左右，能够满足工业施工需求，表明该方法具有较强的准确性和适用性。