祁南煤矿72煤层顺层钻孔的有效封孔深度研究

文/杨 健（淮北矿业<集团>有限责任公司技术中心 ）

一、现状

矿井瓦斯是漫长地质成煤过程中的一种伴生气体，是造成煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸等灾害的主要因素，严重威胁着煤矿的安全生产。煤层瓦斯抽采是消除煤层突出危险性的直接有效的手段。

淮北矿区煤质松软，突出煤层地应力大、瓦斯压力大、瓦斯含量高。为消除煤层的突出危险，顺层钻孔间距通常为2～3m。这样密集的顺层钻孔不但用于预抽煤层瓦斯，还用于排出煤粉降低地应力。但低渗透性、封孔不合理等因素导致顺层钻孔的抽采效率不太理想，突出表现在瓦斯抽采流量衰减快、浓度低。在钻孔的服务期限内，钻孔抽采的瓦斯虽然能够满足消除突出危险的要求，但煤层的残余瓦斯含量仍然较大，从瓦斯资源开采与利用和煤炭安全开采的角度来说，这些大量施工的顺层钻孔并没有完全发挥抽采瓦斯的作用。

顺层钻孔直接进入煤层，理应获得高浓度瓦斯，而获得大量高浓度瓦斯的前提在于有效的封孔。现今的“两堵一注”“两堵两注”方法在淮北矿区广泛应用，取得了一定的效果，但也存在一些问题，主要体现在封孔深度上。有的矿井封孔深度达25m 以上，有的在15m 左右，如何确定顺层钻孔的有效封孔深度，实现抽采有效性和封孔经济性的平衡，是迫切需要解决的问题。

本文从淮北矿区祁南煤矿72煤层的实际条件出发，通过理论计算、钻孔施工过程的力学响应，结合巷道瓦斯排放要求，综合分析确定有效的封孔深度，并通过现场实践进行验证。

二、顺层钻孔有效封孔范围分析

顺层钻孔在煤层巷道内施工，煤层巷道导致围岩应力重新调整，进而引起巷周煤体裂隙系统、渗透性能的变化。沿径向不同深度依次处于应力降低区、应力升高区和原岩应力区，各区的渗透性能表现出不同的特征。巷道周围煤岩体裂隙演化特征及渗透率分布规律如图1 所示。

图1 巷道裂隙及载荷—渗透率分布示意图

巷道表层小范围煤体经历过集中应力的破坏，仅以残余强度支撑上部岩体重量，此为破碎区。该区域煤体卸荷裂隙极度发育，靠近巷道使裂隙有充足的膨胀扩容空间，裂隙连通性好、开度大，巷道轴向渗透性能与环向渗透性能处于一个数量级，可全方位渗流，从气体流动角度看破碎区属于高度渗流区。塑性区内煤体承受的应力逐渐增加，原本集中应力造成的大量煤体裂隙重新压缩，裂隙连通性和开度减弱，渗透性能逐步降低，但仍高于原始煤体；集中应力峰值后的煤体未遭到破坏，虽然发育有一定数量的微观、细观裂隙，但是高围压约束使得煤体渗透性逐渐降低，并在塑性区内一定范围（在塑性区与弹性区交界）达到最小值，形成渗流屏蔽区。经过塑性区后弹性区（粘弹性区）的应力逐渐降低到原岩应力状态，其渗透性也逐渐恢复到原岩状态。

从各区的裂隙发育和渗透率特征来看，一个合理的瓦斯抽采钻孔封孔长度应大于或等于巷道围岩塑性区厚度，而不仅仅是大于或等于巷道松动圈厚度。因此合理确定煤层巷道塑性区的范围对于瓦斯抽采钻孔封孔长度的确定至关重要。

三、煤层巷道塑性区的确定

巷道围岩塑性区厚度的计算或测定的方法有许多种，常见方法包括巷道围岩塑性区厚度的弹塑性理论、数值模拟计算等方法。淮北矿业集团祁南煤矿72煤层通过理论计算、钻机响应、下筛管反应和瓦斯排放几个方面综合确定有效的封孔深度。

1.理论计算

含瓦斯煤体具有流变的特性，煤层巷道周围煤体的稳定需要时间，因此塑性区的范围是时间的函数，通过理论计算，淮北矿业集团祁南煤矿72煤层的力学参数如下：f 值0.3，单轴抗压强度1.5MPa，残余强度0.3MPa，内摩擦角25°，软化系数η1为2.46，软化系数η2为1.3，瞬时剪切模量800MPa，长期剪切模量400MPa。经计算得到巷道半径为2m 时，巷道开挖之后，巷道周围形成塑性区半径17.61m，并且随着时间的增加而逐步增大，到第60 天时基本稳定在17.66m。

2.钻孔施工过程的应力变化

顺层钻孔施工时依序通过破碎区和塑性软化区，各区之间，甚至各区之内的应力变化也是不同的。如图2 所示，在钻孔钻进的前6m，钻头旋转破岩所需要的压力维持在较低水平且略有增加，所需压力3MPa 左右；钻进相对容易，推进速度也比较快，此间煤体具有破碎区围岩的特征。而后，钻进压力逐渐增加，且在钻进10m 开始迅速增加，表明钻孔已经进入应力逐渐增大的塑性区内。钻孔钻进14～20m 时，钻进的速度保持稳定，压力也趋于稳定；但20m 后钻进速度断崖式下降60%，这意味着集中应力的峰值在14～20m 范围内。钻进20m 后，钻孔钻进速度较低，钻进压力缓慢增加，具有原始应力带特征，也可能在粘弹性区的低应力范围。综合判断，集中应力峰值在14～20m 之间。

图2 钻孔钻进速度与钻孔钻进长度的关系

工作面顺层钻孔施工长度80m 左右，钻孔施工完成后向钻孔内放置筛管，筛管进入钻孔17～25m 左右时阻力明显增大，筛管难以进入。显然，钻孔内发生了坍塌或变形，坍塌的煤体散落在钻孔内部，阻碍了筛管向前运动。后期的实践表明，筛管通过17～25m 范围时，筛管的推进变得轻松、容易，80m 的钻孔通常能放置长度70～75m 的筛管，表明祁南煤矿7 煤层的应力集中区可达距离巷道壁20m。

表1 巷道预排瓦斯带宽度值

3.巷道瓦斯排放带

巷道开挖时与开挖后，周围煤体内的瓦斯向巷道空间涌出，造成巷道煤壁周围煤体瓦斯压力和瓦斯含量的下降，如表1 所示。

h值亦可采用下式计算：低变质煤h=0.808T0.55；高变质煤h=（13.85×0.0183T）/(1+0.0183T)

但瓦斯下降的范围是有限的，封孔的范围也要考虑巷道周围煤体瓦斯自然排放的因素。如果封孔深度过大，虽然能够保障抽采过程中瓦斯不进入钻孔内部，但封孔范围内远离巷道壁的煤体瓦斯得不到释放也得不到抽采，因此瓦斯压力和含量较大，存在安全隐患。

祁南煤矿7 煤层煤质为气肥煤。对整个工作面巷道来说，切眼附近煤层巷道的施工最晚，但开采最早，其瓦斯排放的时间最短。通常情况下，这段煤体的排放时间在200d 以上，巷道壁煤体的排放范围可达19.7m。

综上，通过理论计算获得的塑性区范围为17.66m、根据钻进压力确定的集中应力区为14～20m，结合巷道瓦斯有效的排放范围为19.7m，综合确定祁南煤矿72煤层顺层钻孔的有效封孔深度为20m。

四、试验效果分析

为了验证上述封孔的有效深度，分别进行了封孔深度为15m、20m 和25m 时的瓦斯浓度变化试验，结果如图3 所示。

图3 不同封孔深度下的抽采瓦斯浓度

测试时，钻孔直径、抽采负压、封孔方式相同，而且钻孔内部预置了筛管。从测定结果看，三种情况下瓦斯浓度的变化趋势是相同的，即封孔初期可保持80%甚至90%以上的浓度，而后逐渐下降，但其下降的速率差别较大。封孔深度为15m 的钻孔瓦斯浓度下降幅度最大且最快，封孔深度20m 的次之，而封孔深度25m 的下降幅度最小且最慢。就瓦斯浓度的下降幅度来说，封孔深度20m 和25m 的区别不大，这表明封孔深度20m 是合理的。

五、结论

巷道周围弹性范围与塑性范围交界的集中应力区渗透性降低，是阻碍外部空气进入的天然屏障，通过“两堵两注”封堵孔边裂隙和巷道裂隙，配合自然屏障，能实现有效的封孔；祁南煤矿72煤层通过理论计算获得的塑性区范围为17.66m、根据钻进压力确定的集中应力区为14～20m，结合巷道瓦斯有效的排放范围为19.7m，综合确定祁南煤矿72煤层顺层钻孔的有效封孔深度为20m。