高家堡煤礦高壓注水封孔長度研究

王倩男，周曉華，劉 浩，汪文瑞，司 雷

（1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600）

高家堡自2014年7月施工以來，在大巷掘進(jìn)期間多次出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象，災(zāi)害形式十分嚴(yán)峻。王剛等學(xué)者[1-2]引用煤層注水原理，對煤巖壓裂進(jìn)行了研究。煤層注水是一種積極主動降低工作面煤層沖擊傾向性的有效方法，其主要通過向煤體預(yù)注高壓水，利用壓力水對弱面壓裂、沖刷、楔入作用及水對煤體的物化作用，使煤巖體擴大原有裂隙，產(chǎn)生新裂隙，破壞煤巖體整體性，降低其強度，釋放煤體壓力，有效預(yù)防發(fā)生沖擊地壓事故。鉆孔封孔是煤層注水前最重要的一步，而封孔長度影響鉆孔封孔效果。因此，研究封孔長度對煤層注水順利開展具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗等方法對封孔長度進(jìn)行了研究。張超等學(xué)者[3]模擬分析了漿液在鉆孔周圍的分布情況，進(jìn)一步優(yōu)化了封孔段的長度。陳建忠等學(xué)者[4]通過分析封孔長度與巷道應(yīng)力“三帶”的關(guān)系，用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗方法確定了合理的封孔長度。梅緒東[5]建立了密封抽采條件下壓裂孔封孔長度計算模型，設(shè)計了重慶某礦水力壓裂鉆孔的封孔長度。葛兆龍等學(xué)者[6]通過建立水力壓裂鉆孔封孔力學(xué)理論模型，分析了封孔長度與封孔材料耐壓能力的關(guān)系，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。李春亭[7]、楊宏民[8]、成艷英[9]等學(xué)者提出瓦斯抽采鉆孔的封孔長度要大于巷道卸壓帶的寬度，有效提高瓦斯抽采濃度。池秀文[10]、李占魁[11]等學(xué)者用不同的方法從理論上推導(dǎo)出塑性區(qū)寬度的計算方法，并提出了封孔長度要大于塑性區(qū)寬度。Chun－shanZheng等學(xué)者[12]模擬分析了瓦斯抽采過程中鉆孔周圍區(qū)域內(nèi)空氣泄漏量的情況，提出鉆孔的封孔長度大于巷道應(yīng)力集中區(qū)，防止空氣流入鉆孔。TongqiangXia等學(xué)者[13]構(gòu)建了孔內(nèi)和孔邊裂隙漏氣的物理耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了不同封孔長度和漏氣裂隙寬度條件下，鉆孔抽采煤層瓦斯的過程，并對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了試驗驗證。因此，基于高家堡煤礦的實際情況，將膠囊長度與塑性區(qū)寬度結(jié)合分析，進(jìn)行現(xiàn)場試驗，最終確定合理的封孔長度。

1 膠囊封孔器的材料必備條件及工作原理

1.1 材料必備條件

高家堡煤礦施工注水鉆孔直徑為94 mm，研發(fā)高壓注水封孔器應(yīng)與鉆孔配套，封孔器的材料需要滿足以下條件：①所選材料膨脹性好，具有一定的強度，耐高壓；②具有較強的密封性，保證封孔器無漏水現(xiàn)象發(fā)生；③封孔效果好，能夠有效封堵高壓水，滿足高壓注水的要求。

1.2 工作原理

膠囊封孔器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。封孔器工作時，首先使用注水泵進(jìn)行低壓注水，低壓水經(jīng)注水管由三通閥的側(cè)通口流入外殼內(nèi)部，并經(jīng)過側(cè)通口處的進(jìn)水孔進(jìn)入膠囊，膠囊注水膨脹后與鉆孔貼合，達(dá)到密封鉆孔的作用。緩慢增大注水壓力，壓力泵持續(xù)供水，三通閥內(nèi)的壓力不斷上升，當(dāng)壓力達(dá)到5 MPa時，注水管底端的壓力片瞬間開啟，壓力水流入到孔底，進(jìn)行下一步注水工作。

圖1 膠囊封孔器結(jié)構(gòu)示意圖

2 煤層注水鉆孔封孔長度研究

膠囊封孔器有效封孔需要同時滿足以下2個條件：①膠囊與鉆孔壁之間的摩擦力大于鉆孔內(nèi)高壓水對膠囊封孔器的推力與封孔器重力及膠囊內(nèi)水的重力在水平方向的分力之和，維持膠囊封孔器不被高壓水推出；②封孔長度要大于塑性區(qū)寬度，水既不從膠囊與鉆孔壁裂隙中流出，也不從鉆孔周圍裂隙中流出。

2.1 膠囊密封長度分析

為了方便研究膠囊長度，做出以下假設(shè)：①鉆孔為圓柱體；②膠囊要有良好的膨脹性；③膠囊與鉆孔壁之間的最大摩擦力系數(shù)取值固定。

膠囊封孔器封孔時，膠囊在鉆孔內(nèi)受力分析如圖2。鉆孔傾角為θ，膠囊長度為L，注水壓力為p，封孔器重力G1以及膠囊內(nèi)水的重力G2在水平方向的分力之和為G。

圖2 膠囊在鉆孔內(nèi)受力分析圖

膠囊封孔器快要被推出的臨界狀態(tài)，膠囊與鉆孔壁之間的摩擦力等于鉆孔內(nèi)水對封孔器的推力與封孔器重力及膠囊內(nèi)水的重力在水平方向的分力之和。

式中：Fw為鉆孔內(nèi)高壓水對膠囊封孔器的推力，N；G為封孔器重力以及膠囊內(nèi)水的重力在水平方向的分力之和，N；f為膠囊與鉆孔壁之間的摩擦力，N；p 為注水壓力，MPa；p1為膠囊膨脹壓力，MPa；G1為封孔器的重力，N；G2為膠囊內(nèi)水的重力，N；S1為膠囊頂端截面面積，m2；μ為摩擦系數(shù)；S2為膠囊與鉆孔接觸面積，m2；θ為鉆孔傾角，（°）。

膠囊與頂端截面、鉆孔接觸面積：

式中：D1為鉆孔直徑，m；D2為注水管直徑，m；L為膠囊長度，m。

膠囊內(nèi)水的重力G2：

式中：ms為水的質(zhì)量，kg；ρs為水的密度，kg/m3；v為膠囊內(nèi)水的體積，m3；g為重力加速度，N/kg。

將式（3）～式（5）代入式（2）中移項得膠囊長度：

式中：mf為封孔器的質(zhì)量，kg。

根據(jù)高家堡煤礦202工作面情況，鉆孔直徑為94 mm，注水管直徑為10 mm，注水壓力為30 MPa，膠囊膨脹壓力為1 MPa，摩擦系數(shù)為0.5，膠囊封孔器質(zhì)量為10 kg，水的密度為 1.0×103kg/m3，鉆孔傾角為 3°（sin3°=0.052）。將數(shù)值代入式（6）中計算出膠囊長度為8.1 m。

2.2 塑性區(qū)寬度分析

對于塑性區(qū)寬度的計算，徐浩[14]等學(xué)者通過建立瓦斯煤層力學(xué)模型，提出3個邊界條件，構(gòu)建塑性區(qū)本構(gòu)方程和6種不同的彈性區(qū)本構(gòu)方程，得出相對應(yīng)的6種煤層水平、垂直應(yīng)力及擾動區(qū)深度的計算公式，然后結(jié)合提出的邊界條件，推導(dǎo)出了塑性區(qū)寬度的計算公式。

選用其第6種彈性區(qū)本構(gòu)方程，根據(jù)x=xp時，σxI=σxII（σxI為塑性區(qū)水平方向應(yīng)力，MPa；σxII為彈性區(qū)水平方向應(yīng)力，MPa），得出塑性區(qū)寬度式（7）：

式中：pr為煤層前方支護阻力，MPa；cc為煤巖界面黏聚力，MPa；φc為煤巖界面摩擦角，（°）；H 為內(nèi)摩擦角的單參數(shù)函數(shù)；αpl為原始瓦斯壓力，MPa；L為擾動區(qū)深度，m；I為黏聚力和內(nèi)摩擦角的雙參數(shù)函數(shù)；μ為煤體泊松比，通常取為0.3；h為煤層厚度；λ為側(cè)壓力系數(shù)；q為垂直應(yīng)力，MPa；xp為塑性區(qū)寬度，m。

選取高家堡煤礦202工作面作為研究對象，煤層高度為1.75 m，側(cè)壓力系數(shù)為0.8，煤層前方支護阻力為0.2 MPa，垂直應(yīng)力為17.8 MPa，煤層寬度為1.5 m，煤體黏聚力為0.5 MPa，煤體內(nèi)摩擦角為22°（tanφc=0.1），煤巖界面黏聚力為 1.2 MPa，有效應(yīng)力系數(shù)為0.15，煤體泊松比為0.3，原始瓦斯壓力為1.58 MPa。將數(shù)值代入式（7）中得出塑性區(qū)寬度為8.95 m。

3 膠囊封孔器應(yīng)用效果

3.1 試驗鉆孔布置

本次試驗地點為高家堡礦井202回風(fēng)巷，鉆孔布置如圖3。在202回風(fēng)巷施工了6個鉆孔，鉆孔直徑94 mm，鉆孔高度1.6 m，孔間距10 m。試驗選用ZDY4000LR鉆機，固定安裝好鉆機后，確定鉆孔傾角為3°，最后開孔鉆進(jìn)。

3.2 封孔方案設(shè)計

圖3 鉆孔布置圖

本次封孔試驗在1#～6#鉆孔進(jìn)行封孔，6個鉆孔的封孔長度依次為 7、8、9、10、11、12 m。以 4#鉆孔為例，封孔設(shè)計方案如圖4。將膠囊封孔器串聯(lián)封孔，每個膠囊封孔器長為2 m，在最右邊膠囊封孔器的出水口處安裝壓力片，膠囊封孔器實物圖如圖5。首先向膠囊內(nèi)注水，設(shè)定注水壓力為3 MPa，膠囊封孔器出水處的壓力片未彈開，膠囊充分膨脹封住鉆孔，之后慢慢增大注水壓力到30 MPa。通過觀察鉆孔出水情況，進(jìn)而判斷封孔效果。

圖4 封孔設(shè)計方案圖

圖5 膠囊封孔器實物圖

3.3 封孔效果分析

通過觀察鉆孔是否出現(xiàn)漏水現(xiàn)象來判斷封孔效果，試驗封孔效果見表1。

表1 試驗封孔效果表

由表1可知，鉆孔的封孔長度小于8 m時，鉆孔漏水比較嚴(yán)重，沒有達(dá)到封孔的要求，封孔失敗；鉆孔的封孔長度為9 m時，鉆孔有少量水流出，漏水為緩慢流淌狀態(tài)，基本能夠達(dá)到封孔要求；鉆孔的封孔長度大于10 m時，鉆孔沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，能夠達(dá)到封孔的要求，封孔效果好。

由此可知，采用10 m的封孔長度是合理的，能夠達(dá)到封孔的要求，封孔效果良好。

為了進(jìn)一步驗證鉆孔的封孔長度10 m是合理的，在4#鉆孔又進(jìn)行了一次試驗。給予不同的注水壓力，觀察4#鉆孔的漏水情況，其漏水情況見表2。

表2 4#鉆孔漏水情況表

由表2可知，4#鉆孔在不同注水壓力下，由10 MPa增大到30 MPa，鉆孔未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，最后試驗將注水壓力增大到38 MPa時，鉆孔也沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，說明鉆孔的封孔長度10 m達(dá)到了封孔的要求，封孔效果好。因此，最終確定鉆孔的封孔長度10 m是合理的。

4 結(jié)論

1）基于提出的膠囊封孔器有效封孔2個條件，建立關(guān)于膠囊力學(xué)理論模型，通過該模型分析了膠囊封孔時的受力情況，推導(dǎo)出膠囊長度的計算方法。

2）根據(jù)高家堡煤礦202回風(fēng)巷的相關(guān)參數(shù)，計算出膠囊長度至少8.1 m，塑性區(qū)寬度為8.95 m，結(jié)合封孔條件，確定鉆孔的封孔長度大于8.95 m。通過現(xiàn)場封孔試驗，發(fā)現(xiàn)封孔長度為10 m時，鉆孔未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，封孔效果好，最終確定合理的封孔長度為10 m。