低透氣性軟煤層瓦斯抽采鉆孔封孔參數的確定

郝瑞云

(山西煤炭進出口集團 科學技術研究院有限公司， 山西 太原 030002)

目前，我國瓦斯治理普遍采用順層平行長鉆孔抽采瓦斯[1-2]. 在低透氣性松軟煤層，抽采鉆孔采用密集布置，因封孔密封性差，鉆孔瓦斯流量衰減快，導致抽采瓦斯流量小、瓦斯濃度低，造成抽采效果不佳[3-5]. 尤其在松軟煤層中由于鉆孔圍巖受二次應力作用，導致鉆孔圍巖裂隙發育嚴重，與煤壁裂隙貫通，與外部環境聯通形成導氣通道。外部氣體在聯孔高負壓作用下沿裂隙通道滲入鉆孔內，造成瓦斯抽采濃度低，同時封孔難度增加，嚴重影響瓦斯抽采效果，給煤礦安全生產帶來隱患。因此，提高鉆孔密封性及瓦斯抽采濃度成為低透氣性松軟煤層亟待解決的工程難題[6].

以霍爾辛赫礦3#煤層為背景，為提高鉆孔瓦斯抽采效果，對軟煤順層瓦斯抽采鉆孔封孔參數進行研究，采用數值模擬及理論計算，分析鉆孔破壞變形規律，確定最優封孔參數。

1 工程概況

霍爾辛赫礦3#煤層埋深 550 m左右，煤層平均厚度5.6 m，構造較簡單，屬于穩定煤層。鉆孔d113 mm，計算建模尺寸為長286 m×寬5 m×高86 m，模型共35 800個單元體，26 000個網格節點。煤層鉆孔采用摩爾庫倫本構模型，巖石物理力學參數見表1，模擬鉆孔在等圍壓作用下變形破壞特性。上覆巖層重量由模型頂部施加均布載荷實現，其余邊界設置為固定邊界。

表1 巖石物理力學表

2 數值模擬分析

2.1 鉆孔應力模擬分析

鉆孔垂直應力云圖與監測曲線見圖1. 從圖1a)可以看出，鉆孔垂直應力分散在其四周，呈上下、左右對稱式分布，垂直應力集中區發生在鉆孔左右兩側，鉆孔上下為卸壓區。從圖1b)可以看出，鉆孔左右兩側垂直應力上升區為0～0.25 m，最大應力峰值為15.6 MPa，垂直應力下降區為0.25～0.5 m，應力下降為11.7 MPa后保持穩定不變。

圖1 鉆孔垂直應力云圖及監測曲線圖

鉆孔水平應力分布云圖及水平應力監測曲線見圖2. 從圖2a)可以看出，鉆孔在等圍壓作用下水平應力呈四周分散狀，上下、左右對稱式分布，水平應力集中區發生在鉆孔上下兩側，鉆孔上下為卸壓區。從圖2b)可以看出，鉆孔左右兩側水平應力卸壓區為0～0.5 m，水平應力急劇增加至10.6 MPa后，保持穩定不變。

圖2 鉆孔水平應力云圖及監測曲線圖

2.2 鉆孔位移模擬分析

鉆孔垂直位移云圖及位移監測曲線見圖3. 從圖3a)可以看出，鉆孔垂直位移呈上下、左右對稱式分布，受上下垂直應力作用影響圍巖破碎嚴重，影響范圍是鉆孔直徑的5～6倍。從圖3b)可以看出，位移量沿鉆孔徑向逐漸減少，在距離鉆孔壁0～0.18 m位移量變化速率較快，位移有增大趨勢，最大位移量為2.88 mm，在0.18～0.5 m位移量變化緩慢，位移量逐漸減少，在0.5 m以外位移量保持恒定。

圖3 鉆孔垂直位移云圖及位移監測曲線圖

鉆孔水平位移云圖及位移監測曲線見圖4. 從圖4a)可以看出，鉆孔水平位移呈上下、左右對稱式分布，受水平應力作用左右兩側圍巖破壞較為嚴重，最大水平位移量為2.88 mm，上下兩側無明顯變化。從圖4b)可以看出，水平位移量沿鉆孔徑向逐漸減少，在距離鉆孔壁0～0.18 m位移量急劇降低，在0.18～0.5 m位移量變化緩慢，在0.5 m以外位移量保持恒定。

圖4 鉆孔水平位移云圖及位移監測曲線圖

通過模擬鉆孔圍巖煤體受力變形破壞特征，分析鉆孔圍巖應力及位移變化，認為鉆孔周圍0.18～0.5 m為應力集中區，應力峰值點在0.25 m處出現。研究得出鉆孔圍巖松動圈分布為距孔壁0～0.18 m為破碎區，0.18～0.25 m為塑性區，0.25～0.5 m為彈性區。

3 封孔合理參數計算

3.1 封孔深度

霍爾辛赫煤層賦存深度H=550 m，上覆巖層容重r=2 500 kN/m3，通過計算確定巷道圍巖原始應力po=rh=13.75 MPa，內聚力c=1 MPa，內摩擦角φ=20°，修正系數取 1.5. 將參數帶入圍巖裂隙分布公式計算，可確定巷道圍巖內破碎區半徑RS=3.1 m、塑性區半徑RS=6.21 m，彈性區半徑RS=12.42 m.

通過計算確定巷道圍巖松動圈分布塑性區半徑為6.21 m，彈性區半徑為12.42 m，鉆孔封孔深度應滿足覆蓋塑性區延伸至彈性區，封孔范圍為6～12 m. 《防治煤與瓦斯突出細則》中規定本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔深度不低于8 m，按照同比例的富余系數計算，確定現場封孔深度取值為8～16 m.

3.2 壓裂深度

根據霍爾辛赫3#煤層巷道實際賦存條件，煤層平均厚度5.6 m，鉆孔d113 mm，鉆孔應力場按照各向等壓計算為11.25 MPa，煤內聚力為c=0.24 MPa，內摩擦角為φ=30°，修正系數1.3. 將參數帶入圍巖裂隙分布公式計算，可確定鉆孔圍巖松動圈分布范圍，煤體破碎區半徑RS=0.17 m、塑性區半徑RS=0.2 m及彈性區半徑Re=0.4 m. 注漿密封應深入鉆孔塑性區延伸至彈性區，確定合理壓裂深度取值為0.2～0.4 m. 為保證注漿封孔效果能夠滲入鉆孔圍巖發育裂隙當中形成密封層，余量系數取1.25，確定現場封孔壓裂深度取值為0.25～0.5 m.

3.3 注漿參數

1) 注漿壓力確定。

為保證注漿漿液在圍巖裂隙中形成密封層，按照漿液擴散范圍覆蓋鉆孔圍巖塑性區，注漿擴散半徑根據公式按最大值計算[7]：

式中：

Pg—注漿壓力，MPa；

t—注漿時間，s，取900；

γg—注漿半徑，cm，取63；

RZ—鉆孔半徑，mm，帶壓注漿取60；

ω—裂隙張度，cm，取0.04；

r—漿液黏度，MPa·s，取40.

由公式可確定注漿壓力為1.3～1.5 MPa.

2) 注漿量確定。

注漿量對封孔效果產生直接影響。注漿量分為3部分：充填鉆孔圍巖裂隙注漿量、圍巖壓裂注漿量及鉆孔封孔注漿量。注漿量根據公式計算[8]：

式中：

Vk—鉆孔漿液體積，m3；

Vt—裂隙漿液體積，m3；

Vf—壓裂漿液體積，m3；

Vg—封孔漿液體積，m3；

r—鉆孔體積擴大系數，取1.3；

RZ—鉆孔半徑，mm，取60；

rc—篩管半徑，mm，取25；

L—封孔深度，m，取8～16；

hf—壓裂半徑，mm，取12；

B—鉆孔封孔段縫槽數量，一般取 1～3；

rg—裂隙半徑，m，取0.025；

ω—壓裂體積修正系數，取1.2；

φ—漿液余量系數，取1.2；

θ—漿液裂隙體積系數，取0.25.

通過公式計算確定最優封孔參數取值范圍，在現場進行封孔作業時，封孔深度控制在8～16 m，封孔壓裂深度控制在0.25～0.5 m，注漿壓力控制在1.3～1.5 MPa，注漿量控制在 0.25～0.4 m3.

4 結 論

1) 通過模擬鉆孔圍巖煤體受力變形破壞特征，分析鉆孔圍巖應力及位移變化，認為鉆孔周圍0.18～0.7 m為應力集中區，應力峰值點在0.25 m處出現。得出鉆孔圍巖距孔壁0～0.18 m為破碎區，0.18～0.25 m為塑性區，0.25～0.5 m為彈性區，推出鉆孔圍巖裂隙發育深度為距孔壁0～0.25 m.

2) 通過分析鉆孔圍巖松動圈分布情況及理論計算結合現場實際確定最優封孔參數取值區間，得出最優的封孔深度為8～16 m，壓裂深度為0.25～0.5 m，注漿壓力為1.3～1.5 MPa，注漿量為0.25～0.4 m3.