底板巷穿层钻孔合理封孔段位置的研究与确定

曾学礼 鲁义 尹红球

（1.湖南煤矿安全监察局安全技术中心，湖南 长沙 410018；2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；3.湖南省煤业集团嘉禾矿业股份有限公司，湖南 郴州 424500；4.湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制国家安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201）

利用钻孔进行瓦斯抽采是煤与瓦斯突出灾害治理和瓦斯清洁能源利用的重要手段之一[1-2]。瓦斯抽采效果与很多因素有关，其中抽采钻孔封孔段位置对抽采效果具有重要影响[3]。封孔位置不合理，将会导致抽采效果不理想或者增加不必要的工程量[4]。因此确定合理的封孔段位置是提高瓦斯抽采浓度、确保煤层安全开采的关键因素之一。

1 概况

嘉禾矿业有限公司浦溪井为突出矿井，位于嘉禾县东北部。矿井共含煤七层，从上至下依次为II煤、III煤、IV煤、V煤、V2煤、VI煤和VII煤，其中V煤赋存稳定，为矿井主采煤层，II煤和VI煤为局部可采煤层。Ⅴ煤位于斗岭组中段的中部，煤厚0～13m，平均2.42m，煤层结构简单，煤层形态为层状或似层状，连续性较好，但厚度变化幅度大，煤层硬度极低，极易碎成粉末状，其坚固性系数仅为0.2左右。煤层透气性系数为0.5994 m2/MPa2·d，煤层瓦斯含量为10.55m3/t，钻孔流量衰减系数为0.1416d-1，煤层瓦斯压力为0.99MPa。目前矿井采用底板巷钻场穿层钻孔进行采前预抽。为了确定合理的封孔段位置，试验地点选在2254底板巷。

2 穿层钻孔封孔位置数值模拟

2.1 物理模型的建立

根据2254底抽巷的实际情况建立物理模型，通过软件对穿层钻孔的封孔位置进行模拟。2254底板巷为锚喷巷道，标高-100m，岩性为细砂岩。利用Comsol Multiphysic软件建立物理模型，如图1所示。该模型尺寸为50m×50m，半圆拱形巷道位于模型中部，模型下边界为固定约束边界，左右边界为辊边界，上部边界施加均布载荷模拟上覆岩层压力。煤岩层类别从上至下依次为砂岩、Ⅴ煤、砂岩、细砂岩、泥岩和Ⅵ煤。

图1 物理模型

2.2 煤岩物理模型

模拟的底板巷围岩材料性质如表1所示。

表1 煤岩物理模型参数

3 模拟结果分析

底板巷道在开挖过程中打破了原先的原岩应力平衡状态，发生应力转移变化，由巷道壁向深部岩体依次形成卸压区、应力集中区和原岩应力区。若在卸压区内进行封孔操作，由于大量裂隙的存在会使得封孔质量不佳。因此为了提高封孔质量，减小地应力对围岩的影响，封孔段必须越过卸压区，布置在巷道垂直方向上的应力集中区或原始应力区内[5]。

图2 巷道周围应力分布图

由图2所示的应力分布云图可以看出，巷道周边的围岩应力基本对称分布，巷道周围水平方向上的应力大于原始应力，而垂直方向上的应力低于原始应力，即底板巷左右两侧出现应力集中现象，巷道垂直方向上出现应力卸压现象。为更好地研究穿层钻孔周边岩体应力的变化情况，在模型中巷顶中部及偏右的方向上布置四组应力监测点，布置方式为每3m设置一个监测点。四组监测点分别是：（1）巷道中点；（2）巷道中点偏右0.5m；（3）巷道中点偏右1.0m；（4）巷道中点偏右1.3m。

图3 应力比值图

如图3所示，纵坐标表示监测点的应力与监测点原岩应力的比值。由曲线可以得知：四条曲线在距离巷顶6m时，开始接近；距离巷顶9m时基本重合；当距离巷顶18m时，应力比值逼近1:1，此时岩层中底板巷巷顶的应力基本等同于原岩应力。由曲线的走向可基本确定距离巷顶9～21m时为原岩应力区或接近原岩应力区。

综合以上情况，再结合现场底板巷与煤层底板之间的垂直距离为15m，故最终确定穿层钻孔封孔段布置在垂直距离底板巷巷顶9～15m的区域内。由于穿层钻孔抽采瓦斯时会预设多个倾斜钻孔，为了保证封孔质量，这些钻孔封孔段在垂直方向上的投影也应在距巷顶的垂直距离为9～15m的范围内。

4 现场试验

为了确定合理的封孔段位置，通过对比分析应用不同封孔段位置的钻孔瓦斯抽采效果，进而确定合理的封孔段位置。

试验地点选在2254底板巷，设置三组试验钻孔，每组施工5个钻孔。第一组、第二组和第三组钻孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度分别为7m、11m和13m，封孔长度为6m。各组钻孔施工的具体参数如表2所示。

表2 钻孔施工参数表

按照上述的钻孔布置方案施工钻孔并密封，并将各组的5个钻孔联网抽采，连续观测60d得到各组钻孔的瓦斯抽采浓度数据。整理数据后，绘制出各组的抽采浓度随时间的变化情况，如图4所示。

由图4可知，3个试验组的瓦斯浓度有不同变化。第一组的变化分为三个阶段：第一阶段，瓦斯浓度逐渐升高；第二阶段，瓦斯浓度先降低后趋于平缓；第三阶段，瓦斯浓度降低幅度较大。第二组和第三组的瓦斯浓度变化也分为三个阶段：第一阶段，瓦斯浓度逐渐升高；第二阶段，瓦斯浓度缓慢降低；第三阶段，瓦斯浓度变化逐渐趋于平缓。第二组和第三组的瓦斯抽采浓度均较高，且差别较小，抽采效果均较好。第一组的抽采浓度低于第二组和第三组，且瓦斯浓度变化幅度较大，抽采效果较差。因此从经济方面和抽采效果考虑，钻孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度为11m时，既能保证抽采效果，又能节约施工成本。

图4 各组抽采钻孔瓦斯浓度变化图

5 结论

（1）通过Comsol Multiphysic软件模拟巷道周围的应力分布，从而确定2254底板巷穿层钻孔封孔段布置在垂直距离底板巷巷顶9～15m的区域内。为了保证封孔质量，倾斜钻孔封孔段在垂直方向上的投影也应在距巷顶的垂直距离为9～15m的范围内。

（2）通过分析应用不同封孔段位置抽采钻孔的抽采效果可知，2254底板巷穿层钻孔的起始封孔位置在垂直方向上的投影高度为11m时，既能保证抽采效果，又能节约施工成本。