基于鉆屑理論的抽采鉆孔合理封孔深度研究

毛桃良 申宏敏

1.中煤昔陽能源有限責任公司 白羊嶺煤礦 山西昔陽 045300 2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院 江蘇徐州 221008

1 分析鉆屑量的指標理論

在實施大量的試驗之后，可以確定在打鉆區(qū)域的瓦斯含量、地應力大小、鉆頭的直徑數(shù)值以及煤自身被破壞效果對于整體的鉆屑量有著較大程度的影響。另外需要明確的是，如果鉆頭的直徑被固定，證明鉆屑量的指標屬于常量，進而可以確定除了此類問題，其他三個因素都是影響鉆屑量的重要因素。而結(jié)合相關的資料和理論說明，鉆孔內(nèi)部的鉆屑量主要是由動態(tài)和靜態(tài)鉆屑量組成。

（1）靜態(tài)鉆屑量主要是在鉆孔半徑（r0）其周圍的原有煤屑量，這種煤屑量主要出現(xiàn)在鉆孔破碎圈之前，而利用其長度來計算，可以將原有的煤屑量體積質(zhì)量利用ρ0表示，其公式為：

（2）動態(tài)鉆屑量主要是在鉆孔成功后，鉆孔周圍應力重新分布，在孔壁位移之后所產(chǎn)生的鉆屑量，其中包含Se1（表示為孔彈性變形所生成的鉆屑量）；Sp（在孔內(nèi)部由于破碎帶的作用使煤體本身發(fā)生擴容產(chǎn)生的碎屑量）以及Se2（表述為在破碎帶形成之后，彈性區(qū)域和其交界處基于彈性的基礎上所導致的碎屑量）。

①Se1計算方法：結(jié)合效應力等作用的原理和分析，在破壞多孔介質(zhì)期間所產(chǎn)生的作用力為有效應力：，公式為：

式中：W 為總應力，MPa；λ 表示為煤體自身摩擦角與內(nèi)聚力相關系數(shù)；P 表示為煤層之間的瓦斯造成的壓力，單位利用MPa 表示；ν 表示煤體存在的泊松比；E 表示煤體本身的彈性模量，單位為N·mm-2。

②Sp的表達式計算表示為：

③Se2計算表達式為：

由以上公式可以看出：

（1）在煤層范圍相同時，煤的ρ0（體積質(zhì)量）可以被看做每一個地方都是相同的；另外當鉆頭的直徑被固定，每一個地方的靜態(tài)鉆屑量也相對相同。所以結(jié)合此分析可以看出，動態(tài)鉆屑量決定了整體鉆屑量的區(qū)別和差異。

（2）在動態(tài)鉆屑量計算和分析中，其主要的影響因素為煤體本身所受到的力性大小，當鉆孔直徑被固定之后，ρ0（煤體體積模量）與ν（泊松比）與動態(tài)的煤屑量呈現(xiàn)正比關系，但是動態(tài)煤屑量與E（煤彈性模量）卻呈現(xiàn)反比關系；另外需要注意的是，動態(tài)鉆屑量與煤體個因素都存在一定的關系，如松散系數(shù)或者自身內(nèi)聚力等。并且結(jié)合煤體自身的軟化模型性質(zhì)，在地應力增加時，會導致煤質(zhì)發(fā)生變軟的情況，進而使鉆孔出現(xiàn)較大量的變形，增加動態(tài)鉆屑量[2]。

結(jié)合上述對鉆屑量和煤體的分析得知，在鉆頭直徑和同一煤層基礎上，靜態(tài)鉆屑量為定值，而煤層地應力對于動態(tài)鉆屑量指標有著較大的影響作用，所以在巷道的“三帶”范圍分布預測中，可以采取動態(tài)鉆屑量指標進行，結(jié)合其指標的變化趨勢和規(guī)律，將煤體內(nèi)部所存在的地應力進行規(guī)律分析，將抽采瓦斯所需要鉆孔的封孔深度加以確定。

2 測試巷道“三帶”范圍情況

測試原理：

在沿著煤層順序開挖巷道期間，會破壞原有的應力平衡，以此，巷道周圍的煤體其內(nèi)部應力從三向轉(zhuǎn)變?yōu)槎颍@時候，煤體層的應力值會變化且重新分布，造成集中應力，并且在開挖的作用下，會降低媒體巖層的強度。需要注意的是，如果此時的強度仍大于集中應力，此時周圍的巖石層依舊是彈塑性情況。而如果出現(xiàn)相反的情況，會破壞煤體巖層，逐漸向著更深部位擴散，一直到新的三向應力平衡形成之后停止。在停止之后巷道周圍煤體自身層次會變?yōu)樵紤А⒓袘Ш托秹簬Вㄓ赏庀騼?nèi)）。根據(jù)上述相關的分析和指標理論探討，煤層地應力的變化情況會對于動態(tài)鉆屑量指標有著嚴重的影響。因此，可通過向煤巷巷幫打順層鉆孔，測量不同深度處煤體鉆屑量的方法，將煤體鉆屑量中在不同的單位、長度和深度的變化進行分析，將煤體內(nèi)部應力的分布情況加以明確，以此來將“三帶”在巷道周圍的范圍進行確定。

3 結(jié)語

綜上所述，在鉆屑量的分析中，其主要包含動態(tài)與靜態(tài)兩方面。如果將鉆頭的直徑確定，其靜態(tài)鉆屑量則為定值，此時動態(tài)鉆屑量會決定總體鉆屑量的差異。而在此期間，煤層的地應力對于其作用和影響較大，所以可以結(jié)合鉆屑量指標的變化相關分析來將媒體內(nèi)部應力分布情況加以確定[3]。