顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究.pdf

第 ４８ 卷第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ８ ２０２０ 年８ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ.２０２０ 移动扫码阅读 马智会ꎬ潘荣锟ꎬ马智勇ꎬ等.顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８８ ９０－９６􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０１１ ＭＡ ＺｈｉｈｕｉꎬＰＡＮ ＲｏｎｇｋｕｎꎬＭＡ Ｚｈｉｙｏｎｇꎬｅｔ ａｌ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｌａｗ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｌａｙｅｒｅｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８８９０－９６􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０１１ 顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究 马智会１ꎬ２ꎬ潘荣锟１ꎬ马智勇３ꎬ李 聪１ꎬ胡代民１ １.河南理工大学 安全科学与工程学院ꎬ河南 焦作 ４５４０００ꎻ２.义马煤业集团股份有限公司 生产技术处ꎬ河南 三门峡 ４７２３００ꎻ ３.中煤科工集团重庆研究院有限公司ꎬ重庆 ４０００３７ 摘 要顺层钻孔瓦斯抽采时ꎬ在矿山压力作用下ꎬ极易出现抽采漏气的情况ꎬ为了提高顺层钻孔瓦斯 抽采效果ꎬ据巷道围岩应力分布规律ꎬ分析了抽采钻孔轴向和径向的应力和裂隙分布特征ꎬ提出顺层 抽采钻孔的 ４ 种漏气通道分别为封孔材料漏气、钻孔周围煤体漏气、封孔材料与钻孔壁间隙漏气以 及邻近钻孔影响漏气ꎮ 基于漏气通道分析结果ꎬ得出顺层钻孔抽采应堵实钻孔径向松动圈和设计合 理的封孔长度的封孔原则ꎮ 根据钻孔漏气机理及封孔原则并结合现场条件ꎬ对孟津煤矿原聚氨酯封 孔工艺进行考察并优化ꎬ得出优化后的封孔深度应为 ２０ ｍꎬ并结合径向裂隙范围ꎬ提出了两堵一注全 程注 ＳＲＳ－Ⅱ高强微膨胀型快速凝固封孔材料的封孔工艺ꎬ在 １２０３０ 运输巷进行了工业试验ꎮ 通过对 封孔优化前后的跟踪监测数据进行对比分析ꎬ得出封孔优化后的瓦斯抽采体积分数为原封孔工艺瓦 斯抽采体积分数的 １.１１.９ 倍ꎬ优化后的瓦斯抽采纯量为原封孔工艺的 ２.６ 倍左右ꎬ且原封孔工艺较 封孔优化后的抽采体积分数和抽采纯量衰减明显ꎮ 因此ꎬ优化后的封孔工艺抽采效果较原工艺明显 提高ꎬ为同类型矿井顺层抽采封孔提供了借鉴ꎮ 关键词顺层抽采ꎻ围岩应力ꎻ钻孔应力ꎻ裂隙分布ꎻ漏气通道ꎻ封孔ꎻ抽采效果 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００８－００９０－０７ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｌａｗ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｌａｙｅｒｅｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ＭＡ Ｚｈｉｈｕｉ１ꎬ２ꎬＰＡＮ Ｒｏｎｇｋｕｎ１ꎬＭＡ Ｚｈｉｙｏｎｇ３ꎬＬＩ Ｃｏｎｇ１ꎬＨＵ Ｄａｉｍｉｎ１ １.Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ２.Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬ Ｙｉｍａ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬ Ｓａｎｍｅｎｘｉａ ４７２３００ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ３.Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐꎬ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３７ꎬ Ｃｈｉｎａ 收稿日期２０２０－０４－０２ꎻ责任编辑王晓珍 基金项目国家自然科学基金资助项目５１６７４１０３ 作者简介马智会１９８５ꎬ男ꎬ河南义马人ꎬ工程师ꎬ博士研究生ꎮ Ｅ－ｍａｉｌｈｕａｅｒ７０２＠ １６３.ｃｏｍ 通讯作者潘荣锟１９８０ꎬ男ꎬ广西南丹人ꎬ副教授ꎬ博士生导师ꎮ Ｅ－ｍａｉｌｐｒｋ２００８＠ １２６.ｃｏｍ ＡｂｓｔｒａｃｔＷｈｅｎ ｇａｓ ｉｓ ｐｕｍｐｅｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｕｍꎬ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｅａｓｙ ｔｏ ｏｃｃｕｒ.Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｅｄｄｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓꎬ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｈｏｌｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ. Ｆｏｕｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｉｒ ｌｅａｋｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌꎬ ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ ｃｏａｌ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅꎬ ｌｅａｋａｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｌｌꎬ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ａｄｊａｃｅｎｔ ｂｏｒｅｈｏｌｅ. Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌｓꎬ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｌｏｏｓｅｎｉｎｇ ｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅ￣ ｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｌｅｄ ｈｏｌｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ. Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇꎬ ｃｏｍ￣ ｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ Ｍｅｎｇｊｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ. Ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ２０ ｍ. Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｒａｎｇｅꎬ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｗｏ ｂｌｏｃｋｓ ａｎｄ ｏｎｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＲＳ－Ⅱ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｍｉｃｒｏ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｒａｐｉｄ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ. Ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ Ｎｏ.１２０３０ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｒｏａｄｗａｙ. Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａ￣ ｔｉｏｎꎬ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｉｓ １.１１.９ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｏｌｅ ０９ 马智会等顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究２０２０ 年第 ８ 期 ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２.６ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｕｒｅ ｖｏｌｕｍｅ. Ｔｈｅｒｅ￣ ｆｏｒｅꎬ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏ￣ ｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｍｉｎｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ ｓｅａｌｉｎｇ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｅｄｄｉｎｇ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎꎻ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｔｒｅｓｓꎻ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒｅｓｓꎻ ｃｒａｃｋ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎻ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌꎻ ｓｅａｌｉｎｇ ｈｏｌｅꎻ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ０ 引 言 防治煤与瓦斯突出细则要求顺层钻孔及穿 层钻孔抽采是针对不具备保护层开采条件的矿井区 域消突的主要措施[１]ꎬ而顺层瓦斯抽采效果能否成 功的关键技术就是封孔的质量[２]ꎮ 目前ꎬ现有的封 孔工艺有黄泥浆封孔、水泥砂浆封孔、混合浆液封 孔、聚氨酯封孔等ꎮ 黄泥封孔已基本被淘汰ꎻ水泥浆 封孔在经历矿压作用后ꎬ容易漏气ꎻ聚氨酯封孔应用 范围广、适用性较强ꎬ但是成本高、膨胀后强度低ꎻ两 堵一注适用性强ꎬ但仍存在工艺复杂等缺点[３－８]ꎮ 因此ꎬ无论采用何种形式的封孔工艺ꎬ都存在不同程 度的漏气现象ꎮ 目前ꎬ国内部分学者及工程技术人员对封孔的 漏气机理已进行了研究ꎮ 乔元栋等[９]建立了顺层 钻孔漏气通道模型ꎬ得出钻孔周围卸压区与巷道的 卸压区叠加贯通ꎬ形成钻孔漏气的主要通道ꎮ 王振 峰等[１０]认为由于煤体应力的动态转移ꎬ使水泥浆封 孔段被破坏ꎬ从而在水泥与煤壁之间形成漏气通道ꎻ 胡胜勇等[１１]指出在抽采负压作用下ꎬ外界空气经巷 道松动圈和钻孔松动圈进入孔内ꎬ且在不同的抽采 阶段表现为不同漏气特点ꎮ 周福宝等[１２]建立了孔 内漏气和孔外裂隙漏气的数学模型ꎬ并通过现场实 测进行了验证ꎮ 王宁等[１３]测得孔内不同位置的瓦 斯浓度ꎬ得出钻孔内瓦斯流动特征及漏气的位置ꎮ 王志明等[１４]通过动态漏气圈模型ꎬ得出不同时间、 不同压力下钻孔的漏气圈特性及抽采过程中漏气圈 的动态变化特征ꎮ 郭平[１５]根据影响抽采效果的因 素ꎬ系统总结出 ６ 种井下瓦斯抽采钻孔漏气物理模 型ꎻ周厚权等[１６]把钻孔漏气点分为 ３ 类ꎬ即封孔材 料与抽采管的间隙、封孔材料与钻孔孔壁的间隙、钻 孔周围煤体存在的复合裂隙ꎮ 综上所述ꎬ针对顺层 瓦斯抽采钻孔的漏气机理的系统分析还少有涉及ꎮ 因此ꎬ笔者通过分析巷道和钻孔应力分布特征、 钻孔的裂隙分布特征ꎬ进而得出抽采钻孔的漏气通 道ꎬ再基于漏气通道提出封孔要求ꎬ并结合义马“三 软”煤层ꎬ开展了工业试验ꎬ对抽采钻孔封孔工艺进 行了合理优化ꎮ １ 钻孔应力及裂隙分布特征 １.１ 巷道围岩应力分布特征 巷道开挖后ꎬ围岩应力重新分布ꎬ在巷道周边形 成破碎区、塑性区和弹性区[１７]ꎻ巷道应力重新分布 必然导致钻孔周围的应力及裂隙发生改变ꎮ 因此ꎬ 正确分析巷道的应力及裂隙特征才能更加准确地把 握钻孔的应力及裂隙分布特征ꎮ 巷道开挖前ꎬ煤岩体未受扰动ꎬ处于弹性状态ꎬ 煤层所受载荷为上覆岩层重力ꎮ 巷道开挖后ꎬ应力 重新分布ꎬ并出现应力集中图 １ꎮ 由图 １ 中 σ′ ｔ曲 线可知ꎬ最大应力小于煤体破坏强度ꎬ所以在巷道壁 面达到最大应力时ꎬ围岩仍处于弹性状态[１８]ꎮ 由图 １ 中 σｔ曲线可知ꎬ最大应力大于煤体强度ꎬ巷道壁面 煤体破坏ꎬ应力集中峰值向围岩深部转移ꎬ从而在巷 道围岩附近形成了破碎区、塑性区、弹性区和原岩应 力区ꎮ Ｐ０原岩应力ꎻσ应力ꎻε应变ꎻσ′ ｔ、σｔ煤体发生破坏前后的 切向应力ꎻσｒ径向应力ꎻａ巷道半径ꎻＲ塑性区半径ꎻ Ａ破碎区ꎻＢ塑性区ꎻＣ弹性区ꎻＤ原岩应力区ꎻ ＯＡ１Ｂ１Ｃ１应力－应变曲线 图 １ 巷道围岩弹塑性区及应力分布 Ｆｉｇ.１ Ｅｌａｓｔｉｃ ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ 图 １ 中的煤岩应力应变曲线ꎬ弹性区围岩对应 于 ＯＡ１段ꎬ塑性区围岩对应于 Ａ１Ｂ１段ꎬ破裂区对应于 Ｂ１Ｃ１段ꎮ 巷道开挖后ꎬ产生自由面ꎬ应力重新分布ꎬ围岩 １９ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 由三维应力状态变为二维应力状态ꎬ最大主应力为 切向应力ꎬ当应力小于岩体强度时ꎬ在巷道壁的切向 应力为最大值ꎬ如图 １ 中 σｔ′所示ꎬ最小主应力为径 向应力ꎬ在巷道壁径向应力最小ꎬ向围岩深部逐渐变 大[１９]ꎬ如图 １ 中 σｒ所示ꎮ 这个应力调整过程是瞬间 完成的ꎮ 巷道开挖后ꎬ如果集中应力高于岩体的强 度ꎬ那么巷道壁面煤岩体就会发生破坏ꎬ应力转移至 巷道围岩深部ꎬ直到围岩应力稳定为止ꎮ １.２ 钻孔裂隙分布特征 钻孔的应力分布同巷道应力分布基本一样ꎬ因此钻 孔周围裂隙区域可划分为破碎区、塑性区和弹性区ꎮ １.２.１ 钻孔轴向应力及裂隙分布 巷道开挖后ꎬ应力重新分布ꎬ而抽采钻孔形成 后ꎬ应力平衡再次被破坏ꎬ钻孔周围应力再次重新分 布ꎬ根据煤体所处的力学状态ꎬ可将孔附近围岩沿轴 线方向划分为卸压区、峰前应力集中区、峰后应力集 中区和原岩应力区ꎮ 卸压区煤体经历了极限应力ꎬ发生了塑性变形ꎬ 围岩破碎、裂隙发育且已无承载能力ꎬ所以卸压区属 于破碎区图 ２ꎻ峰后应力集中区煤体经历了最大 应力转移后ꎬ煤体发生破坏ꎬ形成宏观裂缝ꎻ峰前应 力集中区煤体虽未经历极限应力ꎬ但所承受的支承 压力逐渐增加ꎬ但还未达到煤体的破坏强度ꎬ煤体未 发生破坏ꎻ原岩应力区煤体力学状态和瓦斯赋存情 况未发生变化ꎮ ｋ应力集中系数ꎻγ煤层上覆岩层容重ꎻｈ煤层采深 图 ２ 钻孔轴向应力分布示意 Ｆｉｇ.２ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｂｏｒｅｈｏｌｅ 通过多个矿区现场实测ꎬ得出回采巷道的侧向 支承压力峰值区域一般自巷道壁至煤体深部 １０１５ ｍꎬ抽采钻孔必然要经历上述 ４ 个区域ꎬ忽略钻孔本 身的影响ꎬ可认为钻孔轴向裂隙从孔口至应力峰值 区为裂隙发育区ꎮ １.２.２ 钻孔径向应力及裂隙分布 抽采钻孔形成后ꎬ孔壁周围的煤体同巷道开挖 后一样ꎬ分为破碎区、塑性区和弹性区ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 根据孔周围的应力分布特征可知ꎬ钻孔的卸压区半 径图３ 中的 ＲＭꎬ等于钻孔中心到恢复至原岩应力 的距离塑性区与弹性区的交界处ꎮ 图 ３ 钻孔径向煤体裂隙分布示意 Ｆｉｇ.３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｄｉａｌ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ 将孔周围煤体假设为理想弹塑性软化模型ꎬ由 式１可近似计算得出抽采钻孔卸压区的半径ꎬ即 ＲＭ＝ １ ＋ １ ２μｒ 􀅱１ － ｓｉｎ φ １ ＋ ｓｉｎ φｌｎ γＨ σｃ ｒ０１ 式中σｃ为煤的单轴抗压强度ꎬＭＰａꎻμｒ为摩擦因数ꎬ 一般取为 ０.４ꎻφ 为煤的内摩擦角ꎬꎻｒ０为钻孔半 径ꎬｍꎻγ 为岩体容重ꎬＮ/ ｍ３ꎻＨ 为原始岩体垂深ꎬｍꎮ ２ 抽采钻孔漏气规律 ２.１ 抽采钻孔漏气通道分析 由于瓦斯抽采钻孔工艺复杂ꎬ封孔材料不同ꎬ现场 环境变化大等因素ꎬ并结合钻孔周围的裂隙分布特征ꎬ分 析瓦斯抽采钻孔的漏气通道主要存在以下４种形式ꎮ １漏气通道一封孔材料本身漏气ꎬ如图 ４ 中 绿色箭头所示ꎮ 封孔材料千差万别ꎬ再加之封孔过 程中的操作的差异ꎬ部分封孔材料膨胀硬化后ꎬ材料 内部颗粒之间的孔隙增大ꎬ孔隙之间发生贯通ꎬ在抽 采负压的作用下ꎬ外界空气容易从封孔材料的内部 孔隙进入钻孔ꎬ形成漏气ꎮ ２漏气通道二钻孔周围的煤体漏气ꎬ如图 ４ 所示ꎮ 钻孔形成后ꎬ钻孔周围裂隙发育并破碎ꎬ如果 封孔材料不能有效地对破碎区的裂隙进行封堵ꎬ就 会使外界空气在抽采负压作用下通过裂隙进入抽采 钻孔ꎮ 另外ꎬ抽采钻孔形成后ꎬ在矿山压力作用下ꎬ 其轴向裂隙为卸压区、峰后应力集中区、峰前应力集 中区和原始应力区ꎬ如果钻孔封孔长度太短ꎬ不能对 卸压区和应力集中区的裂隙进行有效充填封堵ꎬ在 抽采负压作用下ꎬ空气也会从煤体裂隙进入钻孔ꎬ造 成抽采效果差ꎮ ３漏气通道三封孔材料与钻孔壁间隙漏气ꎬ 如图 ５ 所示ꎮ 钻孔封孔后ꎬ在矿山压力的作用下ꎬ钻 孔发生变形ꎮ 由于水泥、聚氨酯等封孔材料存在抗 压强度低或充填材料本身的收缩等ꎬ在钻孔变形后ꎬ ２９ 马智会等顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究２０２０ 年第 ８ 期 封孔材料对钻孔不能形成有效的填充和支撑ꎬ在钻 孔壁和封孔材料之间形成间隙ꎬ从而使得外界空气 在抽采负压作用下进入钻孔ꎬ产生漏气情况ꎮ 图 ４ 抽采钻孔漏气通道示意 Ｆｉｇ.４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｂｏｒｅｈｏｌｅ 图 ５ 封孔材料变形后与孔壁接触情况示意 Ｆｉｇ.５ Ｃｏｎｔａｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｗａｌｌ ａｆｔｅｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ４漏气通道四邻近钻孔影响漏气ꎮ 当抽采钻 孔孔深较大时ꎬ由于地质条件或设备原因ꎬ钻孔轨迹 容易发生偏转ꎬ造成钻孔交叉贯通ꎬ或由于钻孔间距 过近ꎬ使钻孔之间的破碎区贯通ꎬ造成当其中一个钻 孔漏气时ꎬ邻近的钻孔也极易漏气ꎬ如图 ６ 所示ꎮ 图 ６ 邻近钻孔贯通漏气示意 Ｆｉｇ.６ Ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｄｊａｃｅｎｔ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ２.２ 封孔原则 通过对抽采钻孔周围的应力和裂隙分析ꎬ得出 抽采钻孔的漏风通道主要为封孔材料本身、钻孔周 围煤体、封孔材料与钻孔壁间隙以及邻近钻孔影响 ４ 种漏气通道ꎮ 根据钻孔裂隙场及漏风通道ꎬ在抽 采钻孔封孔中应做到以下 ２ 点ꎮ １堵实钻孔径向松动圈ꎮ 封孔材料应具备渗 透性好ꎬ能够进入裂隙ꎬ对裂隙进行有效封堵充填ꎮ 封孔材料应具备一定的抗压性能ꎬ避免在矿山压力 作用下产生变形ꎮ 封孔材料膨胀后ꎬ材料本身不 收缩ꎮ ２合理设计封孔长度ꎮ 根据钻孔轴向裂隙分 布特征可知ꎬ合理的封孔深度应该覆盖卸压区和峰 后应力集中区ꎬ从而使封孔长度有效覆盖钻孔裂隙 范围ꎮ ３ 工程应用 ３.１ 工程概况 义煤集团孟津煤矿设计生产能力 １２０ 万 ｔ/ ａꎬ立 井两水平上下山开拓ꎬ中央并列式通风ꎬ采用倾斜长 壁采煤法ꎮ 主采煤层 ２－１ 煤ꎬ属稳定煤层ꎬ煤层顶 板为泥岩、中砂岩ꎬ底板为泥岩、砂质泥岩ꎬ煤层呈粉 状产出ꎬ组织疏松ꎮ ２－１ 煤属于突出煤层ꎬ实测瓦斯 含量为 ６.９７ ｍ３/ ｔꎬ瓦斯压力为 ０.３３.１ ＭＰａꎮ １２０３０ 工作面标高－２５３－３２０ ｍꎬ走向长度 １２５ ｍꎬ倾斜长 度 ５５０ ｍꎬ煤层厚度 ２.８ ｍꎬ煤层平均倾角为 ４ꎮ ３.２ 封孔工艺对比 ３.２.１ 原有封孔工艺抽采效果 孟津煤矿 １２０３０ 轨道巷瓦斯抽采钻孔原封孔工 艺为瓦斯抽采管采用 ２ ｍ５０ ｍｍ/ 根的 ＰＶＣ 管 ７ 根ꎬ其中实管 ５ 根、花管 ２ 根ꎮ 封孔段采用聚氨酯封 孔ꎬ封孔时将聚氨酯导入封孔带后快速送入钻孔ꎬ实 现封孔ꎬ其中封孔深度 １０ ｍ、封孔长度 ２ ｍꎮ 经过采 集资料ꎬ统计了 １２０３０ 工作面轨道巷原抽采钻孔 ８８０、８７８、７５８ 和 ７４４ 号 ４ 个抽采钻孔的数据ꎬ如图 ７ 所示ꎬ抽采孔深均为 ６５ ｍꎮ 由图 ７ 可知ꎬ４ 个抽采钻孔瓦斯浓度变化规律 较一致ꎬ基本呈指数形式变化ꎬ表现为抽采初始孔口 ３９ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 图 ７ 原封孔工艺瓦斯浓度变化 Ｆｉｇ.７ Ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 浓度较大ꎬ后期呈指数形式衰减ꎮ 抽采初期ꎬ４ 个钻 孔瓦斯体积分数分别为 ５０％、８５％、５５％和 ９０％ꎬ抽 采时间达５ ｄ 时ꎬ４ 个抽采钻孔瓦斯体积分数均衰减 至 ３５％以下ꎬ抽采时间达 ５５ ｄ 时ꎬ４ 个抽采钻孔孔 口瓦斯体积分数均已降至 ５％以下ꎮ 抽采纯量变化规律和抽采浓度相似ꎬ呈指数衰 减图 ８ꎮ 监测钻孔抽采纯量为 ０. ０４７、０.０６５、 ０.０３９、 ０. ０２６ｍ３/ ｍｉｎꎬ ２０ｄ后 基 本 衰 减 至 ０.００３ ｍ３/ ｍｉｎ 左右并趋于稳定ꎮ 所以ꎬ采用原有封 孔工艺ꎬ并不能有效地对瓦斯进行抽采ꎮ 图 ８ 原封孔工艺抽采纯量变化 Ｆｉｇ.８ Ｐｕｒｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｄｒａｉｎａｇｅ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ３.２.２ 封孔工艺优化 结合钻孔漏气规律及封孔原则ꎬ从封孔长度、封 孔材料两方面对原封孔工艺进行优化ꎮ １封孔深度优化ꎮ 根据钻孔的应力分布特征ꎬ 由图 ２ 可知ꎬ沿钻孔轴向分为卸压区、峰后应力集中 区、峰前应力集中区和原始应力区ꎮ 其中卸压区通 常指巷道的松动圈ꎬ该区域煤体已发生破坏ꎬ裂隙发 育ꎮ 峰后应力集中区ꎬ煤体发生了强度破坏ꎬ产生大 量裂隙ꎬ相互交叉ꎬ形成宏观裂隙ꎮ 因此ꎬ封孔深度 应覆盖卸压区和峰后应力集中区ꎮ 因此确定封孔深度前ꎬ首先要确定卸压区的范 围ꎬ常用的方法有数值模拟、钻孔应力计、钻屑瓦斯 解吸等方法ꎮ 本次工业试验采用钻屑解吸指标判定 测试卸压区范围[２０]ꎮ 通过在 １２０３０ 工作面运输巷 旁进行打钻ꎬ测得钻孔不同深度煤屑瓦斯解吸指标ꎬ 来确定卸压区范围ꎬ测试结果如图 ９ 所示ꎮ 图 ９ 钻孔不同深度钻屑瓦斯解吸指标 Ｆｉｇ.９ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｃｕｔｔｉｎｇｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅ 由图 ９ 的变化曲线可知ꎬ随着钻孔深度的增加ꎬ 钻屑瓦斯解吸指标不断变大ꎬ但在 １１ ｍ 处出现拐 点ꎬ拐点后瓦斯解吸指标开始大幅度增长ꎬ据此可判 定卸压区的范围为 １１ ｍꎬ所以原封孔深度 １０ ｍꎬ无 法覆盖卸压区ꎮ 因此 １２０３０ 运输巷封孔深度应大于 １１ ｍꎮ 支承压力峰后应力区可根据三角关系得出ꎬ一 般煤巷两帮应力集中系数不超过 ２ꎬ此时峰后应力 集中区范围等于卸压区范围ꎬ所以将 １２０３０ 运输巷 抽采钻孔合理的封孔深度确定为 ２０ ｍꎮ ２钻孔破碎区封堵ꎮ 根据 １２０３０ 工作面抽采钻 孔实际情况ꎬ按式１分别取 ｒ０＝０.０４４ ５ ｍ、φ＝３０、 Ｈ＝８００ ｍ、σｃ＝２.２５ ＭＰａ、γ＝ ２.５ ｋＮ/ ｍ３可得出钻孔 卸压直径为 ０.１０２ ｍꎬ考虑到孟津煤矿煤体强度较 低ꎬ所以卸压区直径会较计算值更大ꎮ 由于聚氨酯 渗入煤体裂隙效果较差ꎬ无法对钻孔周围的卸压区 进行有效封堵ꎬ因此ꎬ采用两堵一注ꎬ注浆段采用自 制的 ＳＲＳ－Ⅱ高强微膨胀型快速凝固封孔材料ꎬ该材 料由 Ａ、Ｂ 两种组分按比例混合组成ꎬ其黏合力高、 渗透性高、机械性能好ꎬ凝固后强度高且使用寿命 长ꎬ可与被填充空间周围的岩壁产生高强度黏合ꎮ 该封孔材料可渗入到煤体裂隙中ꎬ产生胶凝、膨胀、 聚合、硬化ꎬ对裂隙起到有效封堵作用[２１]ꎮ 优化后 的封孔工艺如图 １０ 所示ꎮ ３.２.３ 封孔工艺优化后抽采效果 现场在运输巷选择 ９９２、８５５、８２６ 和 ７５６ 号钻孔 进行工业试验ꎬ采用全程注浆工艺封孔ꎬ试验结果如 图 １１ 所示ꎮ 初始孔口瓦斯抽采体积分数分别为 ９５％、９０％、 ６５％和 ９５％ꎬ抽采时间 ３０ ｄ 时ꎬ孔口瓦斯体积分数 分别为 ８０％、３５％、３５％和 ３０％ꎻ在抽采时间达 ５０ ｄ 时ꎬ孔口瓦斯体积分数分别为 ３２％、３０％、３０％ 和 ３０％ꎬ较 ３０ ｄ 时的抽采浓度并无明显衰减ꎮ ４９ 马智会等顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究２０２０ 年第 ８ 期 图 １０ 优化后封孔示意 Ｆｉｇ.１０ Ｓｅａｌｉｎｇ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 图 １１ 封孔工艺优化后抽采浓度 Ｆｉｇ.１１ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 抽采纯量变化规律和抽采浓度相似图 １２ꎮ 监测钻孔抽采纯量分别为 ０.０４２、０.０１８、０.０２６、０.０４７ ｍ３/ ｍｉｎꎬ２０ ｄ 后基本衰减至 ０.００８ ｍ３/ ｍｉｎ 左右ꎬ并 逐渐趋于稳定ꎮ 图 １２ 封孔工艺优化后抽采瓦斯纯量 Ｆｉｇ.１２ Ｐｕｒｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 因此ꎬ通过封孔优化前后的跟踪监测抽采数据 对比分析ꎬ原封孔工艺较封孔优化后的瓦斯抽采体 积分数和抽采纯量有明显下降ꎮ 封孔优化后的抽采 体积分数为原封孔瓦斯抽采体积分数的 １.１ １.９ 倍ꎬ优化后的抽采纯量为原封孔工艺的 ２.６ 倍左右ꎮ 所以优化后的封孔工艺较原封孔工艺在瓦斯抽采效 果上有了明显提高ꎮ ４ 结 论 １根据矿山压力理论ꎬ分别从钻口轴向和径向 分析了裂隙的分布规律ꎬ提出了抽采钻孔的 ４ 种漏 气通道分别为封孔材料本身漏气、钻孔周围的煤体 漏气、封孔材料与钻孔壁间隙漏气和邻近钻孔影响 漏气ꎮ ２根据抽采钻孔周围的应力和裂隙分布ꎬ 基于 ４ 种漏气通道形式ꎬ提出堵实钻孔径向松动圈和设 计合理的封孔长度的封孔原则ꎮ ３根据孟津煤矿实际地质条件ꎬ优化了封孔工 艺ꎬ提出两堵一注全程注浆封孔工艺ꎬ封孔浆液采用 自制的 ＳＲＳ－Ⅱ高强微膨胀型快速凝固封孔材料ꎬ封 孔优化后的瓦斯抽采体积分数为原封孔瓦斯抽采体 积分数的 １.１ １.９ 倍ꎬ优化后的抽采纯量为原封孔 工艺的 ２.６ 倍左右ꎬ优化后的封孔工艺取得了良好 的抽采效果ꎮ 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 王 刚ꎬ杨曙光ꎬ张寿平ꎬ等.新疆煤矿区瓦斯抽采利用技术现 状及展望[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８３１５４－１６１. 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