考虑松动圈影响的钻孔瓦斯抽放合理封孔长度确定研究*

王书明陈学习张冲

（1.金陵科技学院建筑工程学院 南京211169； 2.华北科技学院安全工程学院 北京101601；3.中国矿业大学安全工程学院 江苏徐州221116）

考虑松动圈影响的钻孔瓦斯抽放合理封孔长度确定研究*

王书明1陈学习2张冲3

（1.金陵科技学院建筑工程学院 南京211169； 2.华北科技学院安全工程学院 北京101601；3.中国矿业大学安全工程学院 江苏徐州221116）

以王行庄矿11071工作面为工程试验地点，通过超声波和钻孔窥视现场测试，结合理论计算，开展了瓦斯抽采煤巷松动圈范围和瓦斯抽放钻孔合理封孔长度确定的研究。确定了王行庄11071工作面二1煤层围岩卸压区宽度为8.87m，极限平衡区宽度为9.87m，合理封孔深度为10m；通过极限平衡法理论计算得到的结果与超声波法、钻孔窥视法的测试结果基本相符。

松动圈 瓦斯抽放钻孔 合理封孔长度 超声波 钻孔窥视

0 引言

目前，我国瓦斯抽采的现状不尽如人意，存在抽出瓦斯浓度低、流量小的问题，使得煤层瓦斯的抽采效果及利用价值都大打折扣。瓦斯抽采效果不理想的原因除了煤层赋存条件复杂、煤层透气性差、抽采工艺不配套等原因外，封孔质量也是决定抽采效率的重要因素之一，而封孔深度是影响封孔质量好坏的重要因素［1－3］。巷道松动圈范围直接关系到瓦斯抽采钻孔合理深度的确定 ，瓦斯抽采钻孔深度又直接决定了瓦斯抽采效果是否理想 ，因此，在钻孔瓦斯抽采之前进行瓦斯抽采巷道松动圈的测定，对有效提高瓦斯抽采浓度和效率 ，保证煤矿安全生产具有重要意义［4－5］，但是由于巷道松动圈存在于围岩内部，不能直接进行观测，需要依靠一定的技术及方法。

本文以王行庄煤矿11071工作面上顺槽瓦斯抽采煤巷为研究对象，进行理论计算，并采用超声测井探测法和光学钻孔窥视法两种方法进行现场实测，综合确定煤层巷道松动圈范围 ，为瓦斯抽采封孔深度提供依据。

1 试验现场概况

王行庄11071工作面上顺槽为沿煤层掘进巷道，局部见煤层底板。煤层位于山西组大占砂岩之下，距太原组顶界一般7m左右。煤层厚度4.40～5.33 m，平均厚4.8 m。煤层不稳定系数3.5，变异系数70%。该煤层为矿井全区主要可采煤层，煤层结构简单，局部含有夹矸。煤岩特征为黑－灰黑色，半亮型，属低中灰、特低硫、低磷、高发热量贫煤或贫瘦煤。煤层质软，f＝0.21左右；底板砂质泥岩，f＝4左右；顶板砂质泥岩，f＝4～6。11071上顺槽巷道断面为直墙半圆拱形，采用可塑性29U型钢棚支护，下净宽4.54m、净高3.12m。

2 基于极限平衡法的巷道松动圈范围计算

2.1 极限平衡方法简介

松散介质极限平衡理论简称极限平衡理论，主要用于煤层介质巷道的松动圈范围的计算，极限平衡状态是土体由静力平衡转向运动的临界状态 ，而极限平衡理论必须满足3个基本假设：介质在达到极限平衡状态之前视为理想刚塑性材料 ；达到极限状态时，介质中的每一点都达到极限状态；介质的抗剪强度符合莫尔—库仑破坏条件。

井下采掘作业使煤体中的应力重新分布，形成卸压区（A－E）、应力集中区（E－B－G）和原始应力区（G之后），见图1。集中应力区又可分为塑性变形区和弹性变形区 ，x0～x1为塑性变形区。

采掘作业之前，卸压区和塑性变形区的煤体应力处于极限平衡状态。巷道开挖之后，导致煤层界面或软弱夹层处首先出现塑性变形和破坏，原先处于平衡状态的煤体最容易从顶底板岩石间或软弱分层处挤出，在煤层界面上会产生剪应力τxy。煤体中的应力分布状态，如图2所示。

图1煤巷围岩中应力分布状态

图2 y方向破坏范围预测示意

为了方便分析，作如下假设：

①在应力极限平衡区内，煤体为均质，且各向同性，满足连续介质条件。

②煤层界面的正应力和剪应力随着距巷道周边距离的增加而增加，直到峰值应力处，它的值等于应力集中区的最高应力，故有

式中，K为应力集中系数，γ为岩石的容重，H为开采深度。

③在x＝x1的截面上，水平应力以界面垂直应力的平均值表示，则有

式中，A0为侧压系数。

在上述假设的基础上，依据极限平衡理论，应力极限平衡区煤层界面应力可通过下式求解：

式中，C，φ为煤层或软分层界面的粘聚力和内摩擦角，m为煤层或软分层厚度。

当x＝x1时，σy＝KγH；x＝x0时，σy＝γH，代入（3），可分别获得应力极限平衡区宽度x1和卸压区宽度x0：

假设在卸压区中，煤体破坏条件服从莫尔强度理论，其抗拉强度，式（6）改写为

式中，f（tanφ）为煤层界面的摩擦因素，σt为煤层或软分层的抗拉强度。

2.2 王行庄矿二1煤层斯抽放钻孔深度的计算

经测定，王行庄矿二1煤层或软分层界面的内聚力和内摩擦角C，φ值分别为2.0 MPa和26.0°。该煤层11071工作面平均开采深度H＝358.0m，直接顶、老顶分别为泥岩、砂岩，泥岩密度为2.595×103kg／m3，砂岩密度为2.638×103kg／m3，取其平均密度ρ＝2.62×103kg／m3。工作面回采巷道剖面形状为直墙半圆拱形，其毛断面平均高度m＝3.46m，应力集中系数K＝2.0～3.0，侧压系数A0＝0～1.0。考虑到王行庄煤矿二1煤层为“三软”煤层，故在此取值K＝3，A0＝0.2。将上述参数代入式（5）和式（7）可计算得到，王行庄矿二1煤层工作面顺层瓦斯抽放巷道的极限平衡区宽度为9.53 m，卸压区宽度为8.75 m。

据此确定王行庄煤矿工作面顺层瓦斯抽放巷道钻孔封孔长度至少为8.75 m，但在生产实践过程中，可虑到可靠系数的需要，可以在9.0～10.0 m范围内选择。

3 基于超声波和钻孔窥视的巷道围岩松动圈现场实测

3.1 超声波现场测试及结果分析

测试地点在11071工作面上顺槽，自超前工作面100m开始，每隔20m布置1个测站，共计3个测站，每个测站布置3个测点，即在巷道两帮和顶板各布置1个测点，结果见图3～图5。可以看出，3个测点的卸压区宽度分别为9.20，8.60，8.80 m，平均为8.87m；极限平衡区的宽度分别为10.00，9.80，9.80 m，平均为9.87m，对比前面理论计算值可以发现实测值略大，但是基本接近，说明数据是可靠的。

图3 1号测点的超声波测试结果

图4 2号测点的超声波测试结果

图5 3号测点的超声波测试结果

3.2 光学钻孔窥视现场测试结果分析

钻孔窥视现场实测的工作面顺槽帮部围岩的破碎状况，见图6和图7。处理窥视结果，得到巷道周边的塑性区分布范围，即1号测站的卸压区宽度为8.6m，极限平衡区宽度为9.6m；2号测站的卸压区宽度为8.8 m，极限平衡区宽度为9.7 m；巷道卸压区平均宽度8.7m，极限平衡区平均宽度9.65m。

3.3 基于现场实测的钻孔合理封孔长度确定

对比前面理论计算值（卸压区宽度8.75 m，极限平衡区宽度9.53 m），可以发现超声波实测值略大，光学钻孔窥视基本接近，但总的来说现场实测结果与理论计算值的接近度好，数据可靠度高。因此，结合超声波和光学钻孔窥视的现场实测结果，最终确定王行庄矿二1煤层工作面顺层瓦斯抽放巷道的合理封孔长度为10m。

图6 1号测站帮不同深度的钻孔窥视观测结果

4 结语

通过极限平衡理论计算得出王行庄矿二1煤层11071工作面顺层瓦斯抽放巷道的极限平衡区宽度9.53m，综合理论分析和现场实测结果，最终确定合理封孔长度为10 m；卸压区的宽度8.75 m；并通过超声波和光学钻孔窥视技术，对该巷道的松动圈范围进行了实测，实测结果与理论计算值的接近度好。

［1］申宏敏，毛桃良，张雷林 ，等 .基于钻屑理论的抽采钻孔合理封孔深度研究［J］.煤矿安全，2014，45（8）：39－41，45.

［2］魏风清，刘少博.新义矿顺层抽采钻孔合理封孔深度确定和应用［J］.煤炭技术，2014，33（5）：46－49.

［3］尚群.赵庄矿3＃煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究［D］.焦作：河南理工大学 ，2009.

［4］韩战，朱国龙，陶志刚 .沙吉海煤矿软岩巷道松动圈测试研究［J］.煤炭技术，2015，34（10）：79－71.

［5］邱邦汉，金银财，张国锋，等.新维煤矿总回风巷松动圈测试及围岩类型划分研究［J］.煤矿现代化 ，2016（1）：64－65.

Study on the Determ ination of Reasonable Borehole Length of Gas Drainage Considering the Impact of Loose Circle

WANG Shuming1CHEN Xuexi2ZHANG Chong3
（1.Faculty of Architectural Engineering，Jinling Institute of Science and TechnologyNanjing211169）

In this paper，through ultrasonic and drilling into the field testand theoretical calculation，the study is carried out to determine the rangeof loose ring of coalmining and reasonable length of hole sealing of the gas drainage borehole on No 11071 working face ofWanghangzhuangmine.It is determined that thewidth of unloading zone of surrounding rock is 8.87m atNo 2－1 coal seam，and limitwidth of equilibrium zone is 9.87m with 10m of reasonablehole sealing depth.The theoretical calculation result from limitequilibrium method is consistentwith test results obtained bymethods of ultrasonicwave and boreholemonitoring.

loose circle gas drainage borehole reasonable length of hole sealing ultrasound boreholemonitoring

王书明，男，1968年生，副教授，博士，主要从事安全管理、工程管理等方面教研工作。

2016－07－08）

江苏省住建厅科研项目（2014ZD68），金陵科技学院博士科研启动基金项目（jit－b－201230）。