瓦斯抽采顺层钻孔封孔材料及深度优化研究

郭松 袁东 刘渊

摘 要：为提高保证顺层钻孔抽采瓦斯效率，基于摩尔库伦准则，分析了巷道及钻孔周围煤岩体破裂区及塑性区分布情况，借助COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立了三维顺层钻孔瓦斯抽采模型，以瓦斯压力小于0.74MPa为有效抽采区域，分析了不同封孔材料下有效抽采区域变化。研究表明：巷道或钻孔开挖后主要注浆加固区域为破裂区与塑性区，通过了理论分析得出了该工作面的封孔深度为8.5m，注浆半径为0.75m；以数值模拟聚氨酯及超细水泥基材料封孔处理后瓦斯抽采10d、30d、60d、90d后抽采区域体积为判断，超细水泥基瓦斯抽采效率高于聚氨酯材料41%、36%、33%、34%，幅度随抽采天数逐渐降低，最终稳定在33%左右，得出了最佳封孔参数为封孔深度为8.5m，注浆半径为0.75m，注浆材料为超细水泥基封孔材料，研究顺层钻孔封孔深度及封孔材料优化提供参考。

关键词：顺层钻孔；封孔材料；参数优化；数值模拟

煤炭是我国的主体能源，是我国持续发展不可缺少的重要支撑［12］。我国西南地区煤炭储量丰富，但煤炭赋存条件较差，煤炭的开采常伴随着煤层瓦斯的解吸释放，使矿井常发生瓦斯突出灾害，严重影响了矿井的安全、高效生产，同时瓦斯也是一种可利用的清洁能源，因此，矿井瓦斯的抽采作业是保证煤炭绿色开采的重要前提。顺层钻孔是瓦斯高效抽采的主要方式之一，然而，由于顺层钻孔布置在煤层当中，钻孔易受煤层采动影响导致钻孔稳定性较差，为保证钻孔的高效抽采，选择合适的封孔材料并对钻孔易失稳段进行封孔，提高钻孔孔周煤岩体强度，对保证瓦斯的高效抽采具有重要意义。

选择合理的顺层钻孔封孔材料能有效提高钻孔孔周煤岩体稳定性，减少孔周煤岩体漏气通道。郝晋伟［3］分析了瓦斯在煤体中的渗流效应，得到了顺层钻孔抽采瓦斯过程中孔周煤体的裂隙发育规律，研制了新型密封材料。郭鑫［4］设计了响应面正交实验，得出了各个材料相互作用的影响程度，研制出了高性能的封孔材料。选用合理的顺层钻孔封孔材料后，需对钻孔的准确封孔深度进行研究，若封孔深度过大，易降低煤岩体深度瓦斯的解吸量，导致钻孔抽采难以达到瓦斯抽采标准；若封孔深度过小，导致钻孔稳定性降低，钻孔易塌孔，会导致钻孔孔周重新产生漏气通道，降低了瓦斯抽采效率。齐庆杰等［5］分析了顺层钻孔孔周瓦斯等流体的压力及流速规律，得到了钻孔最佳封孔深度及瓦斯抽采负压。许克南［6］得到了孔周煤岩体弹性区、塑性区、破裂区应变解析式，得到了顺层钻孔封孔深度解析式。

国内外许多学者针对提高瓦斯抽采效率的措施做了大量研究，得出了巷道围岩应力场部分及钻孔孔周应力场分布，研究了瓦斯的扩散规律与煤岩体的耦合关系及新型封孔工艺，研究内容丰富，但传统的矿用封孔材料封孔前期流动性小、径粒大等，导致封孔深度低，封孔效果差。此外，煤矿中的封孔深度多依据于经验计算，具有较大的不确定性，因此，采用合理的顺层钻孔材料及合理的封孔深度的研究对提高瓦斯抽采效率具有重大意义。

一、工程概况

为分析顺层钻孔封孔材料性能及封孔深度在矿井中的应用效果，选取贵州某矿井为13#煤层11311回风顺槽作为实验现场，11311工作面走向长度为550m，工作面长度为170m，煤层厚度平均为0.93m，煤层平均倾角23°，13#煤层埋深为253m，煤层瓦斯压力达1.32MPa，煤层瓦斯吸附量为11.05m3/t，煤层游离瓦斯含量为0.31m3/t，煤层原始瓦斯含量为11.36m3/t。

二、封孔材料及深度分析

（一）封孔材料選择

顺层钻孔封孔材料选择聚氨酯封孔材料及超细水泥基封孔材料。聚氨酯封孔材料具有在较短时间内体积膨胀数倍的特性，能有效封堵住顺层钻孔孔周煤岩体裂隙，减少煤岩体中裂隙数量，提高了瓦斯抽采效率，但聚氨酯材料抗压强度低，易受煤层采动及巷道掘进的影响导致钻孔发生二次塌孔。此外，聚氨酯材料具有成本高、封孔工艺较为复杂、膨胀后具有一定的收缩性等缺点，其中，聚氨酯材料注入至煤岩体中发生膨胀后具有一定的收缩性，提供了新的漏气通道，降低了瓦斯抽采效率。超细水泥基封孔材料具有径粒小、强度高、来源广、成本低且具有一定膨胀性的特点。对于封孔材料的选择，径粒越小的材料在进行注浆作业时更易渗入微小裂隙，达到了煤岩体的充分封堵，大幅减小了漏气通道的数量，该材料具有膨胀性的特点，使材料渗入煤岩体深部裂隙后膨胀，不仅对煤岩体深部裂隙具有封堵作用，同时膨胀压裂煤体增加瓦斯解吸效率，在封孔后短期内瓦斯抽采纯量有较大提升。

（二）封孔深度确定

地下岩体中未开挖时煤岩体各点的应力状态一致，当钻孔钻进后，破坏了煤岩体原始的应力状态，使煤岩体中的应力重新分布。钻孔孔周煤岩体应力场重新分布的过程中，部分煤岩体所受到的应力激增，超越了煤岩体的强度极限，导致煤岩体破坏并伴随着大量裂隙的产生。如图1所示，以钻孔断面的轴为原点建立平面坐标轴，孔周煤岩体随着坐标轴正方向向外延伸，煤岩体所受到的应力状态可以分为四个区域，分别为破裂区、塑性区、弹性区与原始应力区，各区域下煤岩体受到的应力状态不同导致了煤岩体本身性质的不同。处于破裂区中的煤岩体裂隙发育程度远大于其他区域，该区域煤岩体中瓦斯迅速解吸释放，因此，钻孔成孔后瓦斯抽采前期阶段，瓦斯抽采纯量高，若钻孔孔周破裂区位于巷道煤岩体的破裂区或塑性区中，该区域煤岩体已经经过巷道掘进的扰动，煤岩体本身已受到一定程度的破坏，产生的裂隙较为发育，瓦斯抽采效率低。塑性区中的煤岩体虽未产生较为明显的破坏，但由于本身所受到的应力已达到了煤岩体的屈服极限，已经产生了塑性变形，其内部已经有裂隙发育的趋势，受煤层开采或巷道掘进等因素的影响也会产生裂隙，虽然该区域煤岩体较为完整，但综合分析该区域仍作为封孔注浆的重点区域。位于弹性区及原始应力区的煤岩体未产生破坏，煤岩体较为完整，因此，该区域的煤岩体不作为封孔注浆的重点区域。

图1 顺层钻孔孔周应力区分布

采用摩尔库伦准则作为判断煤岩体是否破坏的判据，采用该准则对煤岩体破坏情况进行分析时必须遵守以下几个基本假设：（1）应力及位移为连续变形；（2）煤岩体为各向同性介质；（3）煤岩体为理想弹塑性体。摩尔库伦准则表达式为：

σ1=σ31+sinφ1-sinφ－2C1+sinφ1-sinφ（1）

式中：σ1为第一主应力；σ3为水平主应力；C为煤岩体的内聚力；φ为煤岩体的内摩擦角。

塑性区半径为：

Rp=r0（P0+Ccotφ）（1－sinφ）q+Ccotφ1－sinφ2sinφ（2）

式中：Rp为塑性区半径，m；P0为原岩应力，MPa。

参考文献［7］提供了破裂区半径的表达式：

Rs=r0（P0+Ccotφ）（1－sinφ）（1+sinφ）（q+Ccotφ）1－sinφ2sinφ（3）

根据上述分析及试验矿井的地质条件，可知该工作面巷道破裂区与塑性区半径为3.11m、4.76m，钻孔孔周破裂区与塑性区半径为0.29m、0.41m。考虑到煤层采动及巷道掘进的影响，应在上述结论上加大封孔深度与注浆半径，因此，综合分析得出该工作面的封孔深度为8.5m，注浆半径为0.75m。

三、数值模拟分析

《防治煤与瓦斯突出细则》中规定煤层瓦斯压力大于0.74MPa或者煤层瓦斯含量大于8m3/t的煤层具有突出危险。为选择出最佳封孔材料及深度，以瓦斯压力小于074MPa的煤层范围为钻孔的有效抽采半径，并以有效抽采半径的体积为指标判断封孔材料的优劣。

采用COMSOL Multiphysics建立三维模型模拟顺层钻孔不同封孔材料下瓦斯抽采效率变化，建立的模型为20×0.5×1的三维数值模拟模型，模型上部设置了8MPa的边界荷载，底部设置了固定约束，模型的前后、左右分别设置了辊支承，且各边界均设置为无流动。模型中顺层钻孔为自由变形，瓦斯抽采负压为20kPa。模型网格划分共66301个单元数，最小单元质量为0.2251，平均单元质量为0.6585。模拟经过聚氨酯材料与超细水泥基封孔处理过的顺层钻孔瓦斯抽采模拟，模拟天数为90d，并通过软件内置的积分模块对钻孔瓦斯抽采有效抽采半径进行积分计算，得出具体的有效抽采体积。图2分别为经过聚氨酯材料与超细水泥基封孔后瓦斯有效抽采范围变化及煤层瓦斯压力变化，表1为超聚氨酯与超细水泥基封孔材料作用下钻孔各天数瓦斯抽采有效抽采区域体积。

由图2及表1可知，采用聚氨酯封孔材料对顺层钻孔进行封孔处理后，钻孔瓦斯抽采10d时，模型计算出的有效抽采区域体积可达0.3928m3；瓦斯抽采20d时，有效抽采区域体积增加至0.88357m3；瓦斯抽采60d及90d时，有效抽采区域体积增加至1.3847m3与1.7368m3，瓦斯抽采后期有效抽采区域体积日增加量逐渐降低，但总体依旧是处于增长趋势。经过超细水泥基封孔材料注浆处理后，顺层钻孔90天内瓦斯有效抽采范围不断增大，瓦斯抽采天数10d时，有效抽采区域体积为0.66701m3，较聚氨酯材料封孔处理后10d瓦斯抽采有效区域体积要高出约41%；瓦斯抽采天数30d时，有效抽采区域体积为1.3913m3，较聚氨酯材料封孔处理后30d瓦斯抽采有效区域体积要高出约36%；瓦斯抽采60d及90d时，其有效抽采区域体积分别为2.0822m3与2.6297m3，较聚氨酯材料封孔处理的有效抽采区域体积分别要高出约33%与34%。相较于聚氨酯材料封孔处理，超细水泥基封孔后瓦斯抽采效率有较大提升，特别是抽采前期提升幅度高达约41%，随着瓦斯抽采作业的不断进行，煤层中瓦斯解吸量逐渐降低，但最终稳定在33%左右。综上所述，封孔深度为8.5m，注浆半径为0.75m，注浆材料为超细水泥基封孔材料为封孔最佳参数选择。

四、结论

（1）采用摩尔库伦准则作为判断煤岩体是否破坏的判据，分析计算了钻孔及巷道破裂区、塑性区半径，得出了该工作面的封孔深度为8.5m，注浆半径为0.75m。

（2）采用COMSOL Multiphysics建立三维模型模拟顺层钻孔不同封孔材料下瓦斯抽采效率变化，以瓦斯压力小于0.74MPa的煤层范围为钻孔的有效抽采半径，并以有效抽采半径的体积为指标判断封孔材料性能的优劣。

（3）通过数值模拟得出了聚氨酯及超细水泥基材料封孔处理后瓦斯抽采90天内有效抽采区域的体积变化。超细水泥基封孔较聚氨酯材料封孔处理瓦斯抽采效率提升最大为41%，随抽采天数提升幅度逐渐降低，最终稳定在33%，得出最佳封孔参数为封孔深度为8.5m，注浆半径为0.75m，注浆材料为超细水泥基封孔材料。

参考文献：

［1］康红普，谢和平，任世华，等.全球產业链与能源供应链重构背景下我国煤炭行业发展策略研究［J］.中国工程科学，2022，24（06）：2637.

［2］任世华，谢亚辰，焦小淼，等.煤炭开发过程碳排放特征及碳中和发展的技术途径［J］.工程科学与技术，2022，54（01）：6068.

［3］郝晋伟.瓦斯抽采钻孔密封性控制理论与技术研究［D］.北京：煤炭科学研究总院，2019.

［4］郭鑫.高流态瓦斯抽采钻孔封孔材料的研制及应用研究［D］.淮南：安徽理工大学，2022.

［5］齐庆杰，赵尤信，贾新雷，等.深部煤层抽采钻孔自然发火原因分析与防治［J］.中国安全科学学报，2019，29（01）：3742.

［6］许克南，王佰顺，朱京京，等.基于DP准则的煤层钻孔封孔深度分析［J］.中国安全生产科学技术，2017，13（12）：111117.

［7］宋宏伟，郭志宏，周荣章，等.围岩松动圈巷道支护理论的基本观点［J］.建井技术，1994（Z1）：39+95.

作者简介：郭松（1983— ），男，汉族，贵州瓮安人，本科学历，硕士学位，黔南州煤炭安全生产技术中心副主任，主要负责煤矿安全生产技术工作；袁东（1988— ），男，汉族，贵州人，本科，助理工程师，研究方向：煤矿安全监管；刘渊（1974— ），男，汉族，贵州盘州人，本科，工程师，研究方向：采矿工程。