高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔工艺优化研究

黄学满

(重庆工程职业技术学院 重庆 402260)

0 引言

井下钻孔瓦斯抽采是高瓦斯和突出矿井防治瓦斯灾害事故的根本措施，为实现抽采达标必须要保证瓦斯抽采效果。瓦斯抽采钻孔封孔是瓦斯抽采工程的重要环节，钻孔封孔质量的好坏直接影响着瓦斯抽采效果。山西天地王坡煤矿在井下开采过程中，3210工作面开采前，顺槽两侧均为采空区，形成高瓦斯孤岛工作面。在采前预抽钻孔施工过程中，受应力集中作用，成孔质量差，抽采钻孔采用一般封孔工艺时，封孔质量不理想，抽采效果差。而影响封孔质量的主要因素是封孔深度的合理选择。根据矿山岩层控制理论，煤体的开挖使围岩中的原岩应力受到扰动而重新分布，同时周围煤体因受力状态变化而产生不同程度的变形，从而形成了原生和次生共存的复合裂隙[1-4]。瓦斯钻孔的漏气通道主要就为这种煤体内的复合裂隙，其形成和分布与钻孔周围煤岩体的围岩应力分布紧密相关。孤岛工作面因相邻工作面均为采空区，矿压显现更为强烈，煤体的应力分布与普通工作面有所不同。因此，为提高孤岛工作面的预抽瓦斯效果，需在分析顺槽围岩应力特征的基础上，确定煤体内主要裂隙通道的分布范围，即预抽钻孔合理的封堵深度，并进一步优化封孔工艺。

针对孤岛工作面复杂的围岩应力特征，本文拟采用数值模拟与钻屑指标法综合分析顺槽围岩的应力与变形特征，进而确定合理的封孔深度，并基于此优化封孔工艺，提高抽采效果，以期为类似地质条件的工作面预抽瓦斯及封孔工艺研究提供技术参考。

1 本煤层钻孔封堵原理

孤岛工作面由于两侧均已采空，导致两侧顺槽的围岩应力集中区向深部转移[5]。工作面顺槽的应力集中程度高，造成预抽钻孔变形、破碎严重，甚至塌孔[6-8]。因此，为保证封孔质量，预抽钻孔的封孔段必须超过应力集中程度最严重的区域[9-10]。

根据钻孔围岩裂隙演化原理[11-12]，抽采钻孔周围裂隙场包括巷道松动裂隙和钻孔施工发育的裂隙两部分。这些裂隙分布于从钻孔开孔处至钻孔底部的周围煤体，构成了外界空气进入钻孔的主要通道，是导致钻孔漏气、抽采浓度低的根本原因。抽采钻孔封孔的目的就是切断钻孔周围与外界空气沟通的裂隙通道，保证钻孔的气密性。因此抽采钻孔的封孔段要达到巷道围岩的松动范围以外，封孔深度要超过应力峰值点[13]，如图1所示。

图1 钻孔裂隙带分布及顺层钻孔封孔示意

2 孤岛工作面基本情况

山西天地王坡煤矿3210工作面回采3号煤层，埋深约520 m，煤层平均厚度为4.9 m，走向长度2 179 m，开切眼长度160 m。工作面瓦斯含量约8.85 m3/t，两侧工作面均已采空，为高瓦斯孤岛工作面。布置有回风顺槽、瓦斯专用巷、运输顺槽，均呈矩形，采用锚杆、锚索联合支护，两侧均留设20 m保护煤柱。

煤层老顶为中砂岩，平均厚8.89 m；直接顶为砂质泥岩，夹薄层泥岩，平均厚4 m；伪顶为炭质泥岩随采掘脱落，平均厚0.3 m；直接底为泥岩，平均厚2.10 m；老底为中砂岩，平均厚3.20 m，局部煤体和围岩极其松软破碎。

3 合理封孔深度的确定

3.1 巷道围岩应力分布数值模拟3.1.1 模拟方案

运用计算机FLAC3D软件模拟孤岛工作面的应力分布特征。考虑到工作面两侧的煤柱与采空区，整个模型尺寸为619.5 m×100 m×120 m，3210孤岛工作面尺寸为160 m×100 m×6 m，3208工作面采空区尺寸为180 m×100 m×6 m，3212工作面采空区的尺寸为180 m×100 m×6 m，3210工作面回风顺槽的右侧上方直接顶砂质泥岩中设置3210瓦斯专用巷。模型定义为Mohr-Coulomb本构模型，网格采用矩形网格，模型网格×节点数量为158 720×170 625。其中，模型X，Y方向上单元格尺寸均为5 m×5 m，Z方向上煤层的单元格尺寸为1 m，其余岩层的单元格尺寸为2 m，建立的模型如图2所示。模型的煤岩层物理力学参数见表1。

图2 3210孤岛工作面数值模型

表1 模型采用的煤岩层物理力学参数(从上至下顺序)

将模型上覆岩层的重量以垂直应力的方式均匀施加于模型上方，模拟巷道埋深为520 m的应力条件。初始垂直应力为13 MPa，选取侧压系数为0.5，则初始水平应力为6.5 MPa；模型固定左右下边界，将上边界定义为自由界面；模型中初始应力平衡后模型进行运算调试。

首先模拟开挖3108工作面形成采空区，待模型收敛后再开挖3212工作面形成采空区，应力分布平衡后再先后开挖3210运输顺槽和3210回风顺槽，巷道开挖过程中将锚杆、锚索施加到已开挖的巷道中。数值模拟运行并结束后，采用Tecplot后处理软件对结果进行多角度切片出图。

3.1.2 巷道围岩应力分布特征

3210运输顺槽和3210回风顺槽开挖后模型的应力分布如图3所示。从图中可以看出，随着3208采空区和3212采空区的形成，3210工作面成为孤岛工作面，工作面两侧与采空区相邻的区域均出现了明显的应力集中现象。其中，模型左侧最大应力值为20 MPa，出现在3210运输顺槽的右侧12.5 m煤体位置，应力集中系数为1.54；模型右侧最大应力值为20.5 MPa，出现在3210回风顺槽左侧12.5 m煤体位置，应力集中系数为1.58。

图3 3210孤岛工作面煤岩应力分布云图

3210运输顺槽和回风顺槽围岩垂直应力分布特征如图4所示。从图中可知，两条顺槽向工作面煤体延伸的方向上，出现了明显的应力状态分区现象，自顺槽向煤体分别为应力降低区、应力集中区和原岩应力区，其中应力集中区分为峰前应力升高区和峰后应力升高区，应力峰值点位于应力集中区内[14]。距顺槽煤壁3 m范围内为应力降低区，该区域内的煤体在应力重新分布的过程中，经历远大于其极限强度的峰值应力而发生了塑性破坏，出现了大量的破碎裂隙，产生了卸压效应；距顺槽煤壁3～35 m范围内为应力集中区，该区域内的煤体处于弹塑性变形状态，仍具备一定的承压能力，应力峰值点位于12.5 m左右；距顺槽煤壁35 m以外范围内为原岩应力区，该区域距开挖区域较远，受到的开采扰动程度较小，其应力约为原始应力。从各应力分区的范围来看，孤岛工作面的应力集中区范围明显大于普通工作面的应力集中区范围，表明孤岛工作面两侧的煤体开挖对该工作面的应力状态影响较大。

(a)3210运输顺槽围岩应力分布云图

(b)3210回风顺槽围岩应力分布云图

综上所述，3210孤岛工作面巷帮0～3 m围岩易发生变形和破碎，封孔难以取得密封效果，因此有效封孔段应越过距煤壁3 m范围。该工作面的合理封孔深度应超过应力峰值点12.5 m的深度。此外，受孤岛工作面明显的应力集中作用，在距煤壁35 m范围内的钻孔施工较为困难，钻孔易发生垮塌或者显著变形。

3.2 钻孔钻屑指标测定分析

为验证数值模拟分析法确定的封孔深度的合理性，采用指标测定法对运输顺槽进行了现场测定。为避免单一指标的测定误差较大，选取钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标K1两个指标综合分析合理的封孔深度。3210运输顺槽煤体赋存稳定，本次试验共布置4个测定钻孔，其测定结果可以代表该区域的钻孔特点。

3.2.1 钻屑量S法测定

在巷道煤帮施工钻孔，开孔倾角为1°～2°，在孔口处采集钻出的煤渣，并用弹簧秤对钻孔每钻进1 m排出的钻屑量进行称重，共计测定20 m，钻屑量S随钻孔钻进深度的空间变化特征如图5所示。

图5 钻孔钻屑量S的空间变化特征

从图中可以看出，4个试验钻孔每米钻屑量变化趋势基本相同，自距煤壁1 m开始先升后降，然后趋于稳定，这也与数值模拟得到的煤体应力分布特征相符合。其中1#，4#钻孔钻屑量S峰值位于距煤壁12 m，随后在12～14 m时逐渐下降，在14～20 m时逐渐稳定；2#，3#钻孔钻屑量S峰值位于11 m，在11～14 m时逐渐下降，14～20 m时逐渐稳定。通过钻屑量S的变化趋势确定距煤壁14 m处的煤体处于应力集中程度较高区域。

3.2.2钻屑瓦斯解吸指标K1法测定

在钻屑量S测定过程中，同时测定了钻屑瓦斯解吸指标K1，其空间变化特征如图6所示。

图6 钻屑瓦斯解吸指标K1的空间变化特征

从图中可以看出，4个试验钻孔的钻屑瓦斯解吸指标K1随着钻孔深度的推移逐渐增大，在孔深12 m处达到峰值，随后逐渐减小，并有趋于稳定的趋势。钻屑瓦斯解吸指标K1的变化趋势表明钻孔孔深13 m处煤体处于应力集中程度较高区域。

4 封孔工艺优化及效果验证

4.1 封孔深度的确定

根据数值模拟分析和钻屑量S、钻屑瓦斯解吸指标K1现场测定结果，选取3种方法测定的最大值，3210孤岛工作面抽采钻孔的封孔深度应超过14 m。考虑现场抽采管路连接的可操作性，确定3210孤岛工作面抽采钻孔的封孔深度为距煤壁15 m。

4.2 封孔工艺优化方案

王坡煤矿3210孤岛工作面原采用“两堵一注”封孔工艺，如图7所示。“两堵一注”封孔工艺设计总封孔深度11 m，注浆段长度为8 m，有效封孔段长度10 m。注浆段两端采用封孔囊袋起堵板作用，封孔囊袋封堵两端后再向两个封孔囊袋之间注入封孔材料。

图7 原“两堵一注”封孔工艺示意

考虑到距帮壁3 m范围内的煤体破坏严重，形成漏气通道的裂隙较发育，为保证注浆材料与煤壁的紧密结合，将封孔段与孔口的距离优化为5 m。同时考虑距煤壁5 m范围内的钻孔孔壁会长时间暴露并自然排放瓦斯，多个钻孔同时施工会造成巷道瓦斯自然排放量和速度过大，增加风排压力，所以在孔口2 m处再增加一支封孔囊袋，从而将原有封孔工艺优化为“三堵一注”封孔工艺，如图8所示。优化后的“三堵一注”封孔工艺总封孔深度为15 m，有效封孔段10 m，注浆段8 m。

图8 “三堵一注”封孔工艺示意

4.3 试验钻孔参数

在3210孤岛工作面的运输顺槽施工试验钻孔，钻孔开孔高度距巷道底板1.4 m，方位夹角90°，倾角为煤层倾角+1°。两种封孔工艺分别布置10个钻孔，钻孔间距为2.5 m，钻孔组间距为10 m。钻孔长度设计为80 m。

4.4 试验效果分析

根据上述试验方案在3210运输顺槽中施工试验钻孔。试验钻孔分为两组，每组20个钻孔，其中A组采用原“两堵一注”封孔工艺封孔，B组采用优化后“三堵一注”封孔工艺封孔。在两组钻孔接抽后，对每组钻孔的抽采甲烷体积分数进行测定。两组钻孔平均甲烷体积分数随时间的变化趋势如图9所示。

图9 试验钻孔抽采效果对比

从图中可以看出，两组试验钻孔的初始平均甲烷体积分数均较高，其中A组钻孔初始平均甲烷体积分数为61.7%，B组钻孔为80.3%；随着时间的推移，受钻孔周围煤体瓦斯解吸、运移过程的不均衡性，两组试验钻孔的甲烷体积分数下降并呈现波动，而后趋于稳定。从两组数据对比来看，在60 d的测定期内，B组试验钻孔的平均甲烷体积分数为47.19%，A组试验钻孔的平均甲烷体积分数为31.28%，B组试验钻孔的平均甲烷体积分数较A组高15.90%，表明优化后的“三堵一注”封孔工艺的钻孔封孔效果明显优于“两堵一注”封孔工艺。

5 结论

(1)瓦斯抽采钻孔的封孔深度与巷道煤体的应力分布息息相关，通过数值分析或者实测的方法获得巷道煤体不同应力状态的分区范围，可以指导抽采钻孔合理封孔深度的确定。

(2)孤岛工作面受两侧煤体开挖的采动影响，巷道周围煤体内的应力集中程度显著高于普通工作面，从而影响工作面抽采钻孔封孔深度的确定，因此需针对孤岛工作面开展专门的研究确定合理的抽采钻孔封孔深度。

(3)采用数值模拟与钻屑指标测定法综合确定王坡煤矿3210孤岛工作面优化后的“三堵一注”封孔工艺封孔效果明显优于“两堵一注”封孔工艺，表明这种确定合理封孔深度的方法是科学有效的，两种方法相互验证，可以规避单一方法或指标的不可靠性。