底板巷穿层钻孔合理封孔段位置的研究与确定.pdf

282020 年第 8 期 底板巷穿层钻孔合理封孔段位置的研究与确定 曾学礼 1 鲁义2,4 尹红球3 （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） 摘 要 为了提高矿井瓦斯抽采钻孔的抽采效果，本文通过 Comsol Multiphysic 软件模拟了巷道围岩的应力分布，确定了 浦溪矿井 2254 底板巷穿层钻孔的封孔段位置，并在 2254 底板巷进行了现场试验。结果表明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。 关键词 穿层钻孔 封孔 位置 中图分类号 TD712.6 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.010 Study and Determination of the Position of the Reasonable Sealing Section in Floor Lane Zeng Xue-li1 Lu Yi2,4 Yin Hong-qiu3 1.Safety Technology Center of Hunan Coal Mine Safety Supervision Bureau, Hunan Changsha 410018; 2.Institute of Resource Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Hunan Xiangtan 411201; 3.Hunan Coal Industry Group Jiahe Mining Co., Ltd., Hunan Chenzhou 424500; 4.National Key Laboratory of Gas and Roof Disaster Prevention and Control in Southern Coal Mine of Hunan University of Science and Technology, Hunan Xiangtan 411201 Abstract In order to improve the drainage effect of mine gas drainage boreholes, this paper simulates the stress distribution of roadway surrounding rock by Comsol Multiphysic software, determines the sealing section position of 2254 floor roadway crossing layer in Puxi Mine, and carries out field test in 2254 floor roadway. The results show that when the projection height of the initial sealing position of 2254 floor roadway in the vertical direction is 11m, it can not only ensure the extraction effect, but also save the construction cost. Key words drilling through the hole sealing position 收稿日期 2020-05-20 基金项目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助（51974119，51604110， 51774135，51874131）， 中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目 （2017M612558，2018T110831），教育部高等学校特色专业建 设点项目（TS11624） 作者简介 曾学礼（1975-），男，湖南省宜章县人，采矿助理 工程师，1995 年毕业于湖南煤炭工业学校采矿工程专业，在湘 潭大学进修煤炭开采技术专业大专学历，现任湖南煤矿安全监察 局安全技术中心主任，长期在煤矿一线和安监系统从事煤矿技术 管理及煤矿安全监管监察工作。 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 013m，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/ MPa2d，煤层瓦斯含量为 10.55m3/t，钻孔流量衰减 292020 年第 8 期 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 50m50m，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 煤岩层 名称 弹性模量 （MPa） 体积模量 （MPa） 内聚力 （MPa） 抗拉强度 （MPa） 密度 （kg/m3） 砂岩25000122202.503.602487 Ⅴ煤11806300.680.201350 砂岩1250083302.061.132487 细砂岩401020802.402.163258 泥岩361021702.802.482699 Ⅵ煤220010001.200.601430 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 11，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 921m 时为原岩 应力区或接近原岩应力区。 302020 年第 8 期 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 组别孔号 倾角 （） 岩孔长 （m） 煤孔长 （m） 第一组 1-16522.52.8 1-25525.23.7 1-34627.04.0 1-43930.53.0 1-53336.64.2 第二组 2-16522.05.7 2-25524.66 2-34627.34.6 2-43932.84.0 2-53335.93.8 第三组 3-16521.24.6 3-25524.03.5 3-34627.53.4 3-43931.66.0 3-53336.85.0 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。 【参考文献】 ［1］ 张俊武 . 金家庄煤矿瓦斯抽采技术研究 [D]. 辽宁 工程技术大学，2015. ［2］ 侯少杰，程远平，王海锋，等 . 单一松软强突出 煤层瓦斯抽采技术[J].煤矿安全， 2010， 41 （02） 25-27. ［3］ 程志恒 . 底抽巷穿层钻孔封孔深度与布孔间距优化 研究 [J]. 煤炭科学技术，2017，45（02）76-82. ［4］ 刘晓刚 . 基于围岩应力 - 裂隙特征的封孔深度优 化研究 [J]. 煤矿安全，2018，49（05）63-66. ［5］ 冯涛 .“两堵一注”钻孔封孔工艺参数研究 [D]. 辽宁工程技术大学，2017.