双柳煤矿煤层瓦斯抽采钻孔封孔长度研究

赵仕元

[摘 要]本文在研究煤层巷道周围应力的基础上，对封孔段位置的选择进行了分析，数值模拟表明，在巷道两侧5～8m为应力集中区，应力越大，渗透率越小，煤岩体的透气性越差，为提高钻孔封孔段的密封效果，因此封孔段应该选择在应力集中区即巷道两侧6m左右位置。另外，工程实践表明，根据双柳煤矿在33414运巷大量抽采试验钻孔封孔效果，3+4煤层抽采钻孔最适封孔长度定为8～10m，同时该采区煤层瓦斯及地质情况在本井田及离柳矿区具有一定的代表性，因此对于指导相似条件下煤层瓦斯抽采封孔有一定的参考意义。

[关键词]封孔 瓦斯抽采 巷道应力 封孔长度

中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0001-02

前言

钻孔是煤矿瓦斯治理的基础技术手段，广泛应用于瓦斯抽放、参数测试、煤层注水、煤层增透等各个方面。而打好钻孔后一般都要求对钻孔进行密封，钻孔密封是保持孔底负压或正压的关键因素。封孔质量的好坏直接影响各类钻孔作用的发挥。

我国约有2/3的瓦斯抽放矿井封孔长度短而且密封质量很差。我国约有65%的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%，未能达到《防治煤与瓦斯突出规定》的要求，充分反映了抽放钻孔封孔质量差的现状。汾西矿业双柳煤矿也存在工作面预抽瓦斯浓度低，高浓度维持时间短等问题，其主要原因有封孔长度短，封孔材料选择不合适，施工人员操作不当，长期以来，矿井对于封孔长度、封孔材料一直处于摸索阶段，尚未总结出适合双柳煤矿煤层的最适封孔长度和封孔材料，因此针对性的施工试验钻孔来探索最适封孔长度、封孔材料对于指导煤矿瓦斯抽采有着极其重要的现实意义。

1.瓦斯抽采钻孔封孔机理

在煤层瓦斯抽放中，以往进行钻孔密封时经常会发现密封介质总是流出钻孔，但不清楚原因何在，也就无从下手改善密封效果。因此研究钻孔密封段的密封机理势在必行。

一般来说，被密封的介质往往是以窜漏、渗漏或扩散的形式而泄露到密封连接处的彼侧，而对于钻孔而言，其泄露的方式尤以窜漏和渗漏的形式为主。通过实验和现场实际观察，不难发现造成泄漏的原因多是密封连接处存在间隙或者是钻孔周围存在裂隙，密封介质在压力差的作用下通过间隙和裂隙而发生泄漏。因此，要使钻孔连接处达到密封，必须减少密封连接处的间隙或消除间隙。通常采用的办法是靠密封力使密封面相互贴紧、接触甚至嵌合来实现密封。而要实现这一目的，密封材料的密封能力是一个关键性的因素，即密封材料的密封能力必须能够保证在最小接触压力情况下，消除密封连接处的间隙，并在密封使用时能维持初始压力值。只有这样，才能使钻孔保持一定的密封性同时产生一定的摩擦力以阻止孔内瓦斯压力所产生的推力。

衡量流体密封性能好坏的主要技术指标是泄漏量、寿命和使用条件。因此，泄漏量通常是密封性的重要指标。在评定流体密封的密封等级时，下式表示：

因此，，即在同样的密封等级情况下，泄漏量是和钻孔直径成正比。所以，为了减少泄漏量，提高钻孔的密封性，以缩小钻孔直径为宜。另外根据现场经验，封孔长度越长，漏气量就越小，封孔质量就越好，但封孔过长又可能造成不必要的浪费，因此研究合适的封孔长度对于指导煤矿封孔煤矿封孔有着现实的意义。

2.巷道周围应力变化分析

影响封孔质量的原因很多，其中最主要是封孔工艺、材料以及封孔长度，一般封孔长度越长，封孔质量会越好，另外根据矿山压力理论，巷道形成后，在两侧一定范围内会形成卸压区、应力集中区、原始应力区，根据国内外对应力与透气性关系的研究，煤岩体渗透率与应力呈负指数关系，即应力越大，渗透率会越小，而封孔质量的优劣直接取决于钻孔周围的密闭性，因此钻孔封孔应选择在巷道两侧应力较大，渗透率较小的应力集中区域。

2.1 巷道煤层区域中应力分布状态

巷道掘进过程中，煤体中的应力重新分布，首先在采掘空间界面附近形成较高的集中应力（又称支撑应力），当集中应力值达到煤体的强度极限后，该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部传播，经过一定时间后，形成卸压区（应力松弛区）、应力集中区和原始应力区，如图1所示。

（1）卸压区：由于集中应力（或支撑压力）的作用，使煤体边缘首先被压酥，形成裂隙，造成煤体强度显著降低，只能承受低于原岩应力的载荷，故称之为卸压区。此区域裂隙发育较多，巷道周围煤岩体透气性较好，封孔密封段应尽量避开此区域。（2）集中应力区：由于煤层与顶底板之间摩擦力逐渐增加，使煤体所受的水平挤压力增大，此时，煤体受力状态为双向乃至三向，其强度增大，所受压力逐渐增高直至集中应力峰值。在应力集中区域，由于集中应力的作用，煤体被大大压缩，使透气性系数减小。因此密封段位置应选择在应力集中区里面，达到原始应力区域。（3）原始应力区：该阶段煤体由于远离采掘空间，不受采动压力的影响，故煤体所受应力仍处于原始应力状态。

2.2 巷道周围应力数值模拟研究

为了分析巷道周围的应力分布情况，进而确定瓦斯抽采最适封孔长度，须对巷道周围的应力分布进行研究，确定巷道周围的应力状态，将封孔段设置在合理的位置。本文建立了一个40×40×40m的数值模型，模型上部采用压力边界条件，并施加20MPa的压力，其余面采用滚支边界条件，固定面上的各个节点。应为模型尺寸远远大于巷道尺寸，所以滚支边界不会对巷道周围的应力造成错误性影响。模型参数取值和棋那面的模拟参数相同。模型如图2所示：

计算得到的巷道平面应力如图3、4、5所示。

从以上图中可以看出，在巷道的两侧5～8m处存在应力集中现象，应力由原始的20MPa升高到30MPa左右，在应力集中区域内侧则形成了应力释放区域，在应力集中区域外侧则为原始应力区域。因此，为能够保证封孔质量，要求封孔长度应该超过应力集中区域，或者封孔段位置应该安装在应力集中区域或原始应力区域，一定避免安装在卸压区域。

在巷道两侧应力集中区域，由于集中应力的作用，煤体被大大压缩，使透气性系数减小。因此密封段位置应选择在应力集中区里面，达到原始应力区域。因此，将密封段的中心位置选择在工作面前方或巷道壁内6m左右，对于不同卸压区宽度的煤体，此位置为应力集中区塑性区或弹性区，均比原始煤体透气性差。

3.现场工业性试验

封孔实验在33414运巷进行，试验为研究双柳煤层条件下最适封孔长度和最适封孔材料，共顺层施工40个钻孔，其中封孔长度分别为6m、10m、12m、16m，分别用聚氨酯、PD材料各封孔5个即相同封孔长度、封孔材料施工5个钻孔，通过取5个钻孔的数据平均值来提高试验准确性。根据模拟，巷道两侧5～8m为应力集中区，封孔长度为10m、12m、14m试验钻孔已覆盖巷道两侧应力集中区域。

3.1 工作面及钻孔布置概况

33414工作面位于三采区前进方向的北翼，西侧工作面尚未采掘。工作面设计走向长度2060m，可采长度1631.5m，倾斜长度为191.8m，实体长187m。

该工作面所采的（3+4）合并层属二叠系山西组下段顶部煤层，煤层平均厚度3.90m；区内煤层稳定，结构复杂，含两层到四层深灰--黑色碳质泥岩、泥岩夹矸层，夹矸层厚0.04～0.2m，煤层倾角0-10°，平均5°，瓦斯含量6.8～9.4m3/t。

试验钻孔布置在33414运巷，共施工顺层钻孔40个，俯角沿煤层倾角，孔径75mm，孔深20m，钻孔间距10m，封孔长度、封孔材料根据试验目的选定。

3.2 效果考察分析

3.2.1 单孔浓度分布

本煤层瓦斯抽放随着时间推移，瓦斯浓度会慢慢降低，高浓度瓦斯抽放时间是衡量本煤层密封的重要手段之一，本次根据所封钻孔，按照不同阶段钻孔浓度维持天数进行考核，如图6所示。

通过对图6分析可知，不同封孔长度封孔后几天瓦斯抽放浓度都比较高，钻孔瓦斯浓度维持在80%以上天数所占比重均在30%以上，封孔长度越长，高浓度维持天数越长，封孔长度为14m时，80%以上天数可达40天；随之时间推移瓦斯浓度成缓慢下降趋势，如图6所示，封孔长度6m，浓度在60%以上的天数达到41%，而浓度40%以上天数占总天数72%；封孔长度10m，浓度在60%以上的天数达到66%，而浓度40%以上天数占总天数96%；封孔长度10m钻孔，钻孔瓦斯浓度三个月后仍能维持在40%左右，封孔长度越长，钻孔高浓度维持时间越长，封孔效果越好。

3.2.2 浓度变化分析

根据图7可知，封孔完成10天内，各封孔长度钻孔瓦斯浓度均维持在一个较高水平（90%以上），短时间内封孔长度、封孔材料对封孔浓度影响不对，随着时间的推移，钻孔瓦斯浓度开始下降，不同封孔长度、封孔材料的试验钻孔瓦斯浓度下降幅度有较大区别，由图7（a）可以看出，封孔长度6m钻孔瓦斯浓度下降幅度最大，封孔长度14m下降幅度最小，封孔长度越长，钻孔瓦斯浓度下降幅度越小，高浓度瓦斯维持时间越长，封孔效果越好，但随着钻孔封孔长度的增加，同时间后单孔瓦斯浓度增加幅度减少，45天后，封孔长度6m瓦斯浓度为48%，封孔长度8m浓度为64%，增长33%，封孔长度10m浓度为73%，相对于封孔长度8m钻孔增长13%，封孔长度14m浓度为78%，相对与封孔长度10m钻孔增加7%，封孔长度增加到一定程度时对提高封孔质量效果有限，从工程角度考虑，封孔长度越长，成本越大，因此综合分析封孔长度10m既能获得较高的抽采浓度，同时单孔长度、成本也较为适中。

另外，不同封孔材料封孔质量也有较大差别，对比图7（a）（b），封孔长度10m时，45天后，PD水泥材料封孔钻孔瓦斯浓度平均为88%，聚氨酯封孔钻孔瓦斯浓度平均为72%，90天后PD水泥材料封孔钻孔瓦斯浓度为51%，聚氨酯封孔钻孔瓦斯浓度平均为37%，相对与聚氨酯，PD水泥材料封孔效果更好。

4.结论

（1）煤岩体渗透率与应力呈负指数关系，即应力越大，渗透率会越小，而封孔质量的优劣直接取决于钻孔周围的密闭性，因此钻孔封孔应选择在巷道两侧应力较大，渗透率较小的应力集中区域，根据巷道数值模拟，在巷道的两侧3～8m处存在应力集中现象，因此钻孔封孔重点在于封孔钻孔6m左右区域。

（2）根据双柳煤矿在33414运巷进行的钻孔封孔试验，综合考虑在3+4煤层最适封孔长度为10m左右，封孔材料为PD水泥材料，该煤层瓦斯及地质情况在本井田及离柳矿区具有一定的代表性，对于指导相似条件下煤层瓦斯抽采封孔有一定的参考意义。

在巷道两侧应力集中区域，由于集中应力的作用，煤体被大大压缩，使透气性系数减小。因此密封段位置应选择在应力集中区里面，达到原始应力区域。因此，将密封段的中心位置选择在工作面前方或巷道壁内6m左右，对于不同卸压区宽度的煤体，此位置为应力集中区塑性区或弹性区，均比原始煤体透气性差。

3.现场工业性试验

封孔实验在33414运巷进行，试验为研究双柳煤层条件下最适封孔长度和最适封孔材料，共顺层施工40个钻孔，其中封孔长度分别为6m、10m、12m、16m，分别用聚氨酯、PD材料各封孔5个即相同封孔长度、封孔材料施工5个钻孔，通过取5个钻孔的数据平均值来提高试验准确性。根据模拟，巷道两侧5～8m为应力集中区，封孔长度为10m、12m、14m试验钻孔已覆盖巷道两侧应力集中区域。

3.1 工作面及钻孔布置概况

33414工作面位于三采区前进方向的北翼，西侧工作面尚未采掘。工作面设计走向长度2060m，可采长度1631.5m，倾斜长度为191.8m，实体长187m。

该工作面所采的（3+4）合并层属二叠系山西组下段顶部煤层，煤层平均厚度3.90m；区内煤层稳定，结构复杂，含两层到四层深灰--黑色碳质泥岩、泥岩夹矸层，夹矸层厚0.04～0.2m，煤层倾角0-10°，平均5°，瓦斯含量6.8～9.4m3/t。

试验钻孔布置在33414运巷，共施工顺层钻孔40个，俯角沿煤层倾角，孔径75mm，孔深20m，钻孔间距10m，封孔长度、封孔材料根据试验目的选定。

3.2 效果考察分析

3.2.1 单孔浓度分布

本煤层瓦斯抽放随着时间推移，瓦斯浓度会慢慢降低，高浓度瓦斯抽放时间是衡量本煤层密封的重要手段之一，本次根据所封钻孔，按照不同阶段钻孔浓度维持天数进行考核，如图6所示。

通过对图6分析可知，不同封孔长度封孔后几天瓦斯抽放浓度都比较高，钻孔瓦斯浓度维持在80%以上天数所占比重均在30%以上，封孔长度越长，高浓度维持天数越长，封孔长度为14m时，80%以上天数可达40天；随之时间推移瓦斯浓度成缓慢下降趋势，如图6所示，封孔长度6m，浓度在60%以上的天数达到41%，而浓度40%以上天数占总天数72%；封孔长度10m，浓度在60%以上的天数达到66%，而浓度40%以上天数占总天数96%；封孔长度10m钻孔，钻孔瓦斯浓度三个月后仍能维持在40%左右，封孔长度越长，钻孔高浓度维持时间越长，封孔效果越好。

3.2.2 浓度变化分析

根据图7可知，封孔完成10天内，各封孔长度钻孔瓦斯浓度均维持在一个较高水平（90%以上），短时间内封孔长度、封孔材料对封孔浓度影响不对，随着时间的推移，钻孔瓦斯浓度开始下降，不同封孔长度、封孔材料的试验钻孔瓦斯浓度下降幅度有较大区别，由图7（a）可以看出，封孔长度6m钻孔瓦斯浓度下降幅度最大，封孔长度14m下降幅度最小，封孔长度越长，钻孔瓦斯浓度下降幅度越小，高浓度瓦斯维持时间越长，封孔效果越好，但随着钻孔封孔长度的增加，同时间后单孔瓦斯浓度增加幅度减少，45天后，封孔长度6m瓦斯浓度为48%，封孔长度8m浓度为64%，增长33%，封孔长度10m浓度为73%，相对于封孔长度8m钻孔增长13%，封孔长度14m浓度为78%，相对与封孔长度10m钻孔增加7%，封孔长度增加到一定程度时对提高封孔质量效果有限，从工程角度考虑，封孔长度越长，成本越大，因此综合分析封孔长度10m既能获得较高的抽采浓度，同时单孔长度、成本也较为适中。

另外，不同封孔材料封孔质量也有较大差别，对比图7（a）（b），封孔长度10m时，45天后，PD水泥材料封孔钻孔瓦斯浓度平均为88%，聚氨酯封孔钻孔瓦斯浓度平均为72%，90天后PD水泥材料封孔钻孔瓦斯浓度为51%，聚氨酯封孔钻孔瓦斯浓度平均为37%，相对与聚氨酯，PD水泥材料封孔效果更好。

4.结论

（1）煤岩体渗透率与应力呈负指数关系，即应力越大，渗透率会越小，而封孔质量的优劣直接取决于钻孔周围的密闭性，因此钻孔封孔应选择在巷道两侧应力较大，渗透率较小的应力集中区域，根据巷道数值模拟，在巷道的两侧3～8m处存在应力集中现象，因此钻孔封孔重点在于封孔钻孔6m左右区域。

（2）根据双柳煤矿在33414运巷进行的钻孔封孔试验，综合考虑在3+4煤层最适封孔长度为10m左右，封孔材料为PD水泥材料，该煤层瓦斯及地质情况在本井田及离柳矿区具有一定的代表性，对于指导相似条件下煤层瓦斯抽采封孔有一定的参考意义。

在巷道两侧应力集中区域，由于集中应力的作用，煤体被大大压缩，使透气性系数减小。因此密封段位置应选择在应力集中区里面，达到原始应力区域。因此，将密封段的中心位置选择在工作面前方或巷道壁内6m左右，对于不同卸压区宽度的煤体，此位置为应力集中区塑性区或弹性区，均比原始煤体透气性差。

3.现场工业性试验

封孔实验在33414运巷进行，试验为研究双柳煤层条件下最适封孔长度和最适封孔材料，共顺层施工40个钻孔，其中封孔长度分别为6m、10m、12m、16m，分别用聚氨酯、PD材料各封孔5个即相同封孔长度、封孔材料施工5个钻孔，通过取5个钻孔的数据平均值来提高试验准确性。根据模拟，巷道两侧5～8m为应力集中区，封孔长度为10m、12m、14m试验钻孔已覆盖巷道两侧应力集中区域。

3.1 工作面及钻孔布置概况

33414工作面位于三采区前进方向的北翼，西侧工作面尚未采掘。工作面设计走向长度2060m，可采长度1631.5m，倾斜长度为191.8m，实体长187m。

该工作面所采的（3+4）合并层属二叠系山西组下段顶部煤层，煤层平均厚度3.90m；区内煤层稳定，结构复杂，含两层到四层深灰--黑色碳质泥岩、泥岩夹矸层，夹矸层厚0.04～0.2m，煤层倾角0-10°，平均5°，瓦斯含量6.8～9.4m3/t。

试验钻孔布置在33414运巷，共施工顺层钻孔40个，俯角沿煤层倾角，孔径75mm，孔深20m，钻孔间距10m，封孔长度、封孔材料根据试验目的选定。

3.2 效果考察分析

3.2.1 单孔浓度分布

本煤层瓦斯抽放随着时间推移，瓦斯浓度会慢慢降低，高浓度瓦斯抽放时间是衡量本煤层密封的重要手段之一，本次根据所封钻孔，按照不同阶段钻孔浓度维持天数进行考核，如图6所示。

通过对图6分析可知，不同封孔长度封孔后几天瓦斯抽放浓度都比较高，钻孔瓦斯浓度维持在80%以上天数所占比重均在30%以上，封孔长度越长，高浓度维持天数越长，封孔长度为14m时，80%以上天数可达40天；随之时间推移瓦斯浓度成缓慢下降趋势，如图6所示，封孔长度6m，浓度在60%以上的天数达到41%，而浓度40%以上天数占总天数72%；封孔长度10m，浓度在60%以上的天数达到66%，而浓度40%以上天数占总天数96%；封孔长度10m钻孔，钻孔瓦斯浓度三个月后仍能维持在40%左右，封孔长度越长，钻孔高浓度维持时间越长，封孔效果越好。

3.2.2 浓度变化分析

根据图7可知，封孔完成10天内，各封孔长度钻孔瓦斯浓度均维持在一个较高水平（90%以上），短时间内封孔长度、封孔材料对封孔浓度影响不对，随着时间的推移，钻孔瓦斯浓度开始下降，不同封孔长度、封孔材料的试验钻孔瓦斯浓度下降幅度有较大区别，由图7（a）可以看出，封孔长度6m钻孔瓦斯浓度下降幅度最大，封孔长度14m下降幅度最小，封孔长度越长，钻孔瓦斯浓度下降幅度越小，高浓度瓦斯维持时间越长，封孔效果越好，但随着钻孔封孔长度的增加，同时间后单孔瓦斯浓度增加幅度减少，45天后，封孔长度6m瓦斯浓度为48%，封孔长度8m浓度为64%，增长33%，封孔长度10m浓度为73%，相对于封孔长度8m钻孔增长13%，封孔长度14m浓度为78%，相对与封孔长度10m钻孔增加7%，封孔长度增加到一定程度时对提高封孔质量效果有限，从工程角度考虑，封孔长度越长，成本越大，因此综合分析封孔长度10m既能获得较高的抽采浓度，同时单孔长度、成本也较为适中。

另外，不同封孔材料封孔质量也有较大差别，对比图7（a）（b），封孔长度10m时，45天后，PD水泥材料封孔钻孔瓦斯浓度平均为88%，聚氨酯封孔钻孔瓦斯浓度平均为72%，90天后PD水泥材料封孔钻孔瓦斯浓度为51%，聚氨酯封孔钻孔瓦斯浓度平均为37%，相对与聚氨酯，PD水泥材料封孔效果更好。

4.结论

（1）煤岩体渗透率与应力呈负指数关系，即应力越大，渗透率会越小，而封孔质量的优劣直接取决于钻孔周围的密闭性，因此钻孔封孔应选择在巷道两侧应力较大，渗透率较小的应力集中区域，根据巷道数值模拟，在巷道的两侧3～8m处存在应力集中现象，因此钻孔封孔重点在于封孔钻孔6m左右区域。

（2）根据双柳煤矿在33414运巷进行的钻孔封孔试验，综合考虑在3+4煤层最适封孔长度为10m左右，封孔材料为PD水泥材料，该煤层瓦斯及地质情况在本井田及离柳矿区具有一定的代表性，对于指导相似条件下煤层瓦斯抽采封孔有一定的参考意义。