瓦斯抽采钻孔合理封孔长度确定方法

试验·研究
（ 2012 － 08）
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的空气会经卸压带的贯穿裂隙被抽入钻孔，从而降 低瓦斯抽 采 浓 度 和 瓦 斯 抽 采 效 果［4］。 钻 孔 封 孔 长 度必须达到原始应力带的范围方可保证抽采负压的 影响下，钻孔不漏气。因此，准确测定巷道周围煤体 应力“三带”的范围可以确定钻孔的合理封孔长度。
［6］ 马国龙，王兆丰，童碧，等． 潘三矿 11 － 2 煤瓦斯突出预 测敏感指标及临界值初步确定［J］． 煤矿安全，2009， 40（ 3） ： 87 － 89．
［7］ 杨云，程远平，王亮，等． 近煤层岩巷掘进中防治煤与 瓦斯突出技术研究［J］． 煤炭科学技术，2009，39（ 10） ： 31 － 34．
由于同一试验地点对 S 值和 q 值的敏感性不 同，不能一致反映煤体深部应力的变化，所以，采用
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试验·研究
好的抽采效果，另一方面也说明了施工抽采钻孔后， 煤体裂隙发育延伸到了煤壁向里 8 ～ 10 m 处，必须 将此段完全封堵。
5结语
图 4 S 值随孔深变化关系
Байду номын сангаас
1） 采用数值模拟和现场实测的手段，得出了十 二矿煤巷掘进工作面应力“三带”的范围为： 卸压带 深度 0 ～ 4 m，应力集中带深度 4 ～ 10 m，原始应力带 深度 ＞ 10 m。
作者简介： 陈建忠（ 1983 － ） ，河南项城人，助理工程师， 硕士，2010 年毕业于河南理工大学，现从事瓦斯灾害防治方 面的技术工作，发表论文 3 篇。
通过连续 6 d 的观测，得到了 3 个抽采孔的抽 采负压。在相同的抽采条件下，1# 钻孔抽采负压为 8． 9 ～ 10． 2 kPa，平均 9． 5 kPa，小于《防治煤与瓦斯 突出规定》要求的 13 kPa，这是因为并没有将 1# 钻 孔 8 m 以深的裂隙完全封堵，造成漏气现象，导致抽 采负压低； 2#钻孔抽采负压为 13． 2 ～ 15． 6 kPa，平均 14． 1 kPa，3#钻孔抽采负压为 13． 1 ～ 16． 1 kPa，平均 14． 2 kPa，2 个钻孔抽采负压几乎相同，且均达到 13 kPa。这一方面说明封孔深度为 10 m 时，能取得很
2） 通过现场试验验证，确定了顺层抽采钻孔的 封孔长度为 10 m，为提高矿井瓦斯抽采率提供了依 据。
图 5 q 值随孔深变化关系
这 2 个参数测试出的应力“三带”范围并不完全一 致。研究认为，集中应力带离工作面越近，应力集中 值越高，如果瓦斯压力较大、瓦斯含量较高，集中应 力很可能导致突出［7］。为安全起见，并结合数值模 拟结果，确定卸压带范围为煤体暴露面向里 0 ～ 4 m，集中应力带范围为煤体暴露面向里 4 ～ 10 m，原 始应力带深度 ＞ 10 m，因此，可以初步确定十二矿顺 层钻孔合理封孔长度为 10 m。
2 应力“三带”的数值模拟
2． 1 基本假设 1） 工作面前方煤体连续均匀，各向同性介质。 2） 煤层属线弹性体，遵循虎克定律，即加载和
卸载过程中煤体应力和应变存在一一对应的关系。 3） 煤与瓦斯耦合作用可以忽略不计。
2． 2 数值模拟 应用 ANSYS 软件进行模拟。 1） 指定单元类型和材料属性。沿煤巷的掘进
CHEN Jian － zhong，DAI Zhi － xu （ Gas Institute of Pingdingshan Tian＇an Coal Industry Co． ，Ltd． ，Pingdingshan 467000，China） Abstract： In order to determine the reasonable sealing length of bedding extraction borehole in No． 12 coal mine，and to improve the extraction effect，the relationship between the sealing length and " three zones" of stress is analyzed in this paper． The distribution characteristics of roadway stress " three zones" are determined by numerical simulation and field measurement method． The range of pressure released zone is from the coal wall to the inside 0 ～ 4 m； the range of stress concentration belt is from coal wall to the inside 4 ～ 10 m； and the range of original stress belt is from coal wall to the inside 10 m deep，which determines a reasonable sealing length of 10 m． Through on － site test inspection，it is verified that the sealing length of 10 m is reasonable． Key words： gas extraction； sealing length； " three zones" of stress； numerical simulation
平顶山天安煤业股份有限公司十二矿是煤与瓦 斯突出矿井，主要开采己15 煤层。随着开采深度的 不断增加，煤层瓦斯含量和瓦斯压力逐渐增大，煤与 瓦斯突出危险性也越来越大，瓦斯灾害治理的难度 也越来越大，因此，如何快速消除煤与瓦斯突出危险 性，实现“双不”目标，必须实施高强度的瓦斯抽采， 因此，提高本煤层瓦斯抽采效果至关重要。提高本 煤层瓦斯抽采率的途径主要有 2 个： 一是采用人为 方法提高煤层的透气性，主要有水力压裂、水力割缝 等水力化措施以及预裂爆破等； 二是合理布置钻孔 和改变钻孔参数。近几年来，十二矿与科研单位合 作，先后进行了煤层水力挤出、水力压裂、交叉钻孔 等多项研究，取得了很好的效果。但在钻孔布置参 数，尤其是封孔长度方面研究不足。
m 以深，从而确定了合理封孔长度为 10 m，并通过现场考察，验证了封孔长度为 10 m 是合理的。
关键词： 瓦斯抽采； 封孔长度； 应力“三带”； 数值模拟
中图分类号： TD712 + ． 6
文献标志码： A
文章编号： 1003 － 496X（ 2012） 08 － 0008 － 03
The Method of Determining Reasonable Sealing Length of Gas Extraction Borehole
截面方向建立二维平面模型，选取具有 4 节点的二 维 Plane42 单元。此类单元适合分析弹塑性、有裂 隙、面积大的模型，正好适合煤体分析。并且，这样 的选择可以在较少的单元个数情况下得到足够的分 析精度。
2） 建立几何模型、网格划分。模型的范围选择 有 3 m 长的已掘巷道，10 m 长的煤体，3． 5 m 高的掘 进面以及上、下 1 m 厚的岩层。在模型的顶部施加 原始应力、左右边界以及以掘巷道的左右帮取零位 移边界条件。然后进行网格划分，模型外边界选择 每 0． 5 m 1 段，为了得到足够精度，钻孔长度方向选 择 0． 25 m 1 段，钻孔端面选择 0． 02 m 1 段，共得到 786 个单元，866 节点。
4 现场考察
在 17200 回风顺槽垂直巷帮施工了 3 个钻孔， 钻孔间距 2 m，施工和封孔参数见表 1。通过考察不 同封孔深度的钻孔瓦斯抽采负压和抽采浓度，进一 步验证封孔长度为 10 m 是否合理。
钻孔 编号
1# 2# 3#
表 1 抽采钻孔施工参数
孔深 /m
60 60 60
孔径 / mm
94 94 94
1） 按照图 3 所示，用风煤钻在 15108 进风顺槽 正前和两帮施工 5 个钻孔； 钻孔施工过程中，每钻进 1 m，测试 1 次钻屑量 S 值； 每钻进 2 m 测试，测试钻 孔钻孔瓦斯涌出初速度 q 值。
图 3 掘进工作面应力分布测定钻孔布置图
2） 分别计算不同孔深处 S 值和 q 值的平均值， 并绘制 2 个参数随钻孔深度变化曲线，如图 4、图 5。 3． 3 测试结果及分析
煤巷工作面掘进后，巷道周围煤体的应力会发 生变化，由巷道煤壁向深部煤体依次形成卸压带、应 力集 中 带 和 原 始 应 力 带，简 称 为 巷 道 应 力“三 带”［1 － 2］，如图 1。卸压带的煤体松散，孔隙率增加，
图 1 掘进工作面前方煤体应力带分布
由于卸压带的煤层得到较充分卸压，形成大量 的贯穿裂隙，如果抽采钻孔的封孔长度小于卸压带 深度，会一定 程 度 地 导 致 抽 采 钻 孔“短 路 ”，巷 道 内
处达到最大，为 16． 8 ～ 17． 6 MPa，对比图 1 可以初 步确定，巷道周围煤体集中应力带范围为约煤壁以 里 5 ～ 9 m； 原始应力带深度 ＞ 9 m； 卸压带深度为煤 壁以里 0 ～ 5 m。 3 应力“三带”的现场测试 3． 1 测试原理
在应力“三带”范围内，应力的变化会引起作用 煤体的物理特性的改变而形成塑性变形区和弹性变 形区，而钻屑量 S 值反映了掘进工作面前方煤体瓦 斯潜能和地应力的大小［5］，钻孔瓦斯涌出初速度 q 值全面反映了应力状态、煤层原始瓦斯压力、自然瓦 斯含量、煤 层 透 气 性 及 煤 层 力 学 性 质 等 因 素 的 变 化［6］。2 个参数都与煤体应力的变化有关，因此，通 过测试 S 值和 q 值来确定巷道应力“三带”的范围。 3． 2 测试过程
3） 求解。选择 D － P 准则，将求解精确度调整 为 0． 01，进入求解器解算，模型解算历时 52 min，利 用求解器估计误差为 5． 8% ，满足精度要求。求解 后，根据模拟结果绘制巷道周围煤体不同深度处的 应力变化曲线，如图 2。
图 2 掘进工作面前方煤体应力模拟结果
从图 2 可以看出，煤体应力在煤壁以里 6 ～ 8 m
对比图 4 和图 1，可以确定应力“三带”范围： 卸 压带深度为煤壁向里 0 ～ 4 m，应力集中带深度为 4 ～ 8 m，原始应力带深度 ＞ 8 m； 对比图 5 和图 1，可 以确定应力“三带”范围： 卸压带深度为煤壁向里 0 ～ 6 m，应力集中带深度为 6 ～ 10 m，原始应力带深 度 ＞ 10 m。
倾角 /（ °）
0 0 0
方位角 /（ °）
0 0 0
封孔长度 /m
8 10 12
参考文献：
［1］ 罗新荣，夏宁宁，贾真真． 掘进煤巷应力仿真和延时煤 与瓦斯突出机理研究［J］． 中国矿业大学学报，2009， 35（ 5） ： 571 － 575．
［2］ 俞启香． 矿井瓦斯防治［M］． 徐州： 中国矿业大学出版 社，1992．
瓦斯抽采钻孔合理封孔长度确定方法
陈建忠，代志旭
（ 平顶山天安煤业股份有限公司 瓦斯所，河南 平顶山 467000）
摘 要： 为确定十二矿顺层抽采钻孔的合理封孔长度，提高抽采效果，分析了封孔长度与巷道应
力“三带”的关系，采用数值模拟和现场实测的方法确定了巷道应力“三带”的分布特征： 卸压带
范围为煤壁向里 0 ～ 4 m，应力集中带范围为煤壁向里 4 ～ 10 m，原始应力带范围为煤壁向里 10
影响结构不发生变化图1掘进工作面前方煤体应力带分布由于卸压带的煤层得到较充分卸压形成大量的贯穿裂隙如果抽采钻孔的封孔长度小于卸压带深度会一定程度地导致抽采钻孔短路巷道内8第43卷第8期试验研究的空气会经卸压带的贯穿裂隙被抽入钻孔从而降低瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采效果4
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试验·研究
煤层透气性剧增，游离瓦斯容易流动，瓦斯放散速度 增加； 集中应力带的煤体在自身重力、构造应力和支 撑应力的相互作用下被压缩、压实，煤体内的原生裂 隙、孔隙减少，煤层透气性降低，瓦斯流动困难，瓦斯 放散速度减小； 原始应力带的煤体由于不受外力的 影响，结构不发生变化［3］。
1 合理封孔深度与巷道应力“三带”的关系
［3］ 王兆丰，杨利平，田坤云，等． 高瓦斯油气共生易自燃 厚煤层巷道松动圈范围的确定［J］． 煤矿安全，2007， 38（ 2） ： 1 － 3．
［4］ 丁守根，李德参． 煤层抽采钻孔合理封孔深度的确定 ［J］． 淮南职业技术学院学报，2009，9（ 1） ： 4 － 6．
［5］ 田坤云，陈立伟，姜琳． 大宁煤矿瓦斯突出预测敏感指 标的分析［J］． 煤矿安全，2008，39（ 10） ： 89 － 91．