考慮松動(dòng)圈影響的鉆孔瓦斯抽放合理封孔長(zhǎng)度確定研究*

王書明陳學(xué)習(xí)張沖

（1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 南京211169； 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院 北京101601；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 江蘇徐州221116）

考慮松動(dòng)圈影響的鉆孔瓦斯抽放合理封孔長(zhǎng)度確定研究*

王書明1陳學(xué)習(xí)2張沖3

（1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 南京211169； 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院 北京101601；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 江蘇徐州221116）

以王行莊礦11071工作面為工程試驗(yàn)地點(diǎn)，通過(guò)超聲波和鉆孔窺視現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合理論計(jì)算，開展了瓦斯抽采煤巷松動(dòng)圈范圍和瓦斯抽放鉆孔合理封孔長(zhǎng)度確定的研究。確定了王行莊11071工作面二1煤層圍巖卸壓區(qū)寬度為8.87m，極限平衡區(qū)寬度為9.87m，合理封孔深度為10m；通過(guò)極限平衡法理論計(jì)算得到的結(jié)果與超聲波法、鉆孔窺視法的測(cè)試結(jié)果基本相符。

松動(dòng)圈 瓦斯抽放鉆孔 合理封孔長(zhǎng)度 超聲波 鉆孔窺視

0 引言

目前，我國(guó)瓦斯抽采的現(xiàn)狀不盡如人意，存在抽出瓦斯?jié)舛鹊?、流量小的?wèn)題，使得煤層瓦斯的抽采效果及利用價(jià)值都大打折扣。瓦斯抽采效果不理想的原因除了煤層賦存條件復(fù)雜、煤層透氣性差、抽采工藝不配套等原因外，封孔質(zhì)量也是決定抽采效率的重要因素之一，而封孔深度是影響封孔質(zhì)量好壞的重要因素［1－3］。巷道松動(dòng)圈范圍直接關(guān)系到瓦斯抽采鉆孔合理深度的確定 ，瓦斯抽采鉆孔深度又直接決定了瓦斯抽采效果是否理想 ，因此，在鉆孔瓦斯抽采之前進(jìn)行瓦斯抽采巷道松動(dòng)圈的測(cè)定，對(duì)有效提高瓦斯抽采濃度和效率 ，保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義［4－5］，但是由于巷道松動(dòng)圈存在于圍巖內(nèi)部，不能直接進(jìn)行觀測(cè)，需要依靠一定的技術(shù)及方法。

本文以王行莊煤礦11071工作面上順槽瓦斯抽采煤巷為研究對(duì)象，進(jìn)行理論計(jì)算，并采用超聲測(cè)井探測(cè)法和光學(xué)鉆孔窺視法兩種方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，綜合確定煤層巷道松動(dòng)圈范圍 ，為瓦斯抽采封孔深度提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)概況

王行莊11071工作面上順槽為沿煤層掘進(jìn)巷道，局部見煤層底板。煤層位于山西組大占砂巖之下，距太原組頂界一般7m左右。煤層厚度4.40～5.33 m，平均厚4.8 m。煤層不穩(wěn)定系數(shù)3.5，變異系數(shù)70%。該煤層為礦井全區(qū)主要可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含有夾矸。煤巖特征為黑－灰黑色，半亮型，屬低中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量貧煤或貧瘦煤。煤層質(zhì)軟，f＝0.21左右；底板砂質(zhì)泥巖，f＝4左右；頂板砂質(zhì)泥巖，f＝4～6。11071上順槽巷道斷面為直墻半圓拱形，采用可塑性29U型鋼棚支護(hù)，下凈寬4.54m、凈高3.12m。

2 基于極限平衡法的巷道松動(dòng)圈范圍計(jì)算

2.1 極限平衡方法簡(jiǎn)介

松散介質(zhì)極限平衡理論簡(jiǎn)稱極限平衡理論，主要用于煤層介質(zhì)巷道的松動(dòng)圈范圍的計(jì)算，極限平衡狀態(tài)是土體由靜力平衡轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài) ，而極限平衡理論必須滿足3個(gè)基本假設(shè)：介質(zhì)在達(dá)到極限平衡狀態(tài)之前視為理想剛塑性材料 ；達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)中的每一點(diǎn)都達(dá)到極限狀態(tài)；介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度符合莫爾—庫(kù)侖破壞條件。

井下采掘作業(yè)使煤體中的應(yīng)力重新分布，形成卸壓區(qū)（A－E）、應(yīng)力集中區(qū)（E－B－G）和原始應(yīng)力區(qū)（G之后），見圖1。集中應(yīng)力區(qū)又可分為塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū) ，x0～x1為塑性變形區(qū)。

采掘作業(yè)之前，卸壓區(qū)和塑性變形區(qū)的煤體應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。巷道開挖之后，導(dǎo)致煤層界面或軟弱夾層處首先出現(xiàn)塑性變形和破壞，原先處于平衡狀態(tài)的煤體最容易從頂?shù)装鍘r石間或軟弱分層處擠出，在煤層界面上會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力τxy。煤體中的應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖2所示。

圖1煤巷圍巖中應(yīng)力分布狀態(tài)

圖2 y方向破壞范圍預(yù)測(cè)示意

為了方便分析，作如下假設(shè)：

①在應(yīng)力極限平衡區(qū)內(nèi)，煤體為均質(zhì)，且各向同性，滿足連續(xù)介質(zhì)條件。

②煤層界面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著距巷道周邊距離的增加而增加，直到峰值應(yīng)力處，它的值等于應(yīng)力集中區(qū)的最高應(yīng)力，故有

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)，γ為巖石的容重，H為開采深度。

③在x＝x1的截面上，水平應(yīng)力以界面垂直應(yīng)力的平均值表示，則有

式中，A0為側(cè)壓系數(shù)。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)極限平衡理論，應(yīng)力極限平衡區(qū)煤層界面應(yīng)力可通過(guò)下式求解：

式中，C，φ為煤層或軟分層界面的粘聚力和內(nèi)摩擦角，m為煤層或軟分層厚度。

當(dāng)x＝x1時(shí)，σy＝KγH；x＝x0時(shí)，σy＝γH，代入（3），可分別獲得應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x1和卸壓區(qū)寬度x0：

假設(shè)在卸壓區(qū)中，煤體破壞條件服從莫爾強(qiáng)度理論，其抗拉強(qiáng)度，式（6）改寫為

式中，f（tanφ）為煤層界面的摩擦因素，σt為煤層或軟分層的抗拉強(qiáng)度。

2.2 王行莊礦二1煤層斯抽放鉆孔深度的計(jì)算

經(jīng)測(cè)定，王行莊礦二1煤層或軟分層界面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角C，φ值分別為2.0 MPa和26.0°。該煤層11071工作面平均開采深度H＝358.0m，直接頂、老頂分別為泥巖、砂巖，泥巖密度為2.595×103kg／m3，砂巖密度為2.638×103kg／m3，取其平均密度ρ＝2.62×103kg／m3。工作面回采巷道剖面形狀為直墻半圓拱形，其毛斷面平均高度m＝3.46m，應(yīng)力集中系數(shù)K＝2.0～3.0，側(cè)壓系數(shù)A0＝0～1.0?？紤]到王行莊煤礦二1煤層為“三軟”煤層，故在此取值K＝3，A0＝0.2。將上述參數(shù)代入式（5）和式（7）可計(jì)算得到，王行莊礦二1煤層工作面順層瓦斯抽放巷道的極限平衡區(qū)寬度為9.53 m，卸壓區(qū)寬度為8.75 m。

據(jù)此確定王行莊煤礦工作面順層瓦斯抽放巷道鉆孔封孔長(zhǎng)度至少為8.75 m，但在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，可慮到可靠系數(shù)的需要，可以在9.0～10.0 m范圍內(nèi)選擇。

3 基于超聲波和鉆孔窺視的巷道圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 超聲波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試地點(diǎn)在11071工作面上順槽，自超前工作面100m開始，每隔20m布置1個(gè)測(cè)站，共計(jì)3個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，即在巷道兩幫和頂板各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，結(jié)果見圖3～圖5?？梢钥闯?，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的卸壓區(qū)寬度分別為9.20，8.60，8.80 m，平均為8.87m；極限平衡區(qū)的寬度分別為10.00，9.80，9.80 m，平均為9.87m，對(duì)比前面理論計(jì)算值可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值略大，但是基本接近，說(shuō)明數(shù)據(jù)是可靠的。

圖3 1號(hào)測(cè)點(diǎn)的超聲波測(cè)試結(jié)果

圖4 2號(hào)測(cè)點(diǎn)的超聲波測(cè)試結(jié)果

圖5 3號(hào)測(cè)點(diǎn)的超聲波測(cè)試結(jié)果

3.2 光學(xué)鉆孔窺視現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

鉆孔窺視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的工作面順槽幫部圍巖的破碎狀況，見圖6和圖7。處理窺視結(jié)果，得到巷道周邊的塑性區(qū)分布范圍，即1號(hào)測(cè)站的卸壓區(qū)寬度為8.6m，極限平衡區(qū)寬度為9.6m；2號(hào)測(cè)站的卸壓區(qū)寬度為8.8 m，極限平衡區(qū)寬度為9.7 m；巷道卸壓區(qū)平均寬度8.7m，極限平衡區(qū)平均寬度9.65m。

3.3 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鉆孔合理封孔長(zhǎng)度確定

對(duì)比前面理論計(jì)算值（卸壓區(qū)寬度8.75 m，極限平衡區(qū)寬度9.53 m），可以發(fā)現(xiàn)超聲波實(shí)測(cè)值略大，光學(xué)鉆孔窺視基本接近，但總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值的接近度好，數(shù)據(jù)可靠度高。因此，結(jié)合超聲波和光學(xué)鉆孔窺視的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，最終確定王行莊礦二1煤層工作面順層瓦斯抽放巷道的合理封孔長(zhǎng)度為10m。

圖6 1號(hào)測(cè)站幫不同深度的鉆孔窺視觀測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)極限平衡理論計(jì)算得出王行莊礦二1煤層11071工作面順層瓦斯抽放巷道的極限平衡區(qū)寬度9.53m，綜合理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，最終確定合理封孔長(zhǎng)度為10 m；卸壓區(qū)的寬度8.75 m；并通過(guò)超聲波和光學(xué)鉆孔窺視技術(shù)，對(duì)該巷道的松動(dòng)圈范圍進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值的接近度好。

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Study on the Determ ination of Reasonable Borehole Length of Gas Drainage Considering the Impact of Loose Circle

WANG Shuming1CHEN Xuexi2ZHANG Chong3
（1.Faculty of Architectural Engineering，Jinling Institute of Science and TechnologyNanjing211169）

In this paper，through ultrasonic and drilling into the field testand theoretical calculation，the study is carried out to determine the rangeof loose ring of coalmining and reasonable length of hole sealing of the gas drainage borehole on No 11071 working face ofWanghangzhuangmine.It is determined that thewidth of unloading zone of surrounding rock is 8.87m atNo 2－1 coal seam，and limitwidth of equilibrium zone is 9.87m with 10m of reasonablehole sealing depth.The theoretical calculation result from limitequilibrium method is consistentwith test results obtained bymethods of ultrasonicwave and boreholemonitoring.

loose circle gas drainage borehole reasonable length of hole sealing ultrasound boreholemonitoring

王書明，男，1968年生，副教授，博士，主要從事安全管理、工程管理等方面教研工作。

2016－07－08）

江蘇省住建廳科研項(xiàng)目（2014ZD68），金陵科技學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（jit－b－201230）。