孤岛工作面复杂应力条件下瓦斯抽放钻孔工艺研究

李云波 李笔文 陈天柱

（1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

王坡煤矿3206 工作面是位于二采区集中巷南侧的孤岛工作面，两侧为3204 和3208 工作面采空区，工作面应力分布复杂，局部应力集中现象明显且煤层破碎。瓦斯抽放钻孔面临深度浅、分布不均匀、抽采效率低、施工难度大等突出问题，瓦斯治理一直是保证煤矿安全生产的重要环节[1]。

本文在分析孤岛工作面矿压显现规律及其对钻孔路径影响的基础上，升级改造钻机钻具，同时优化本煤层瓦斯抽放钻孔施工工艺，达到降低成本、提高效率的目的。

1 孤岛工作面钻孔施工影响因素分析

1.1 孤岛工作面特点

所采3#煤层位于二叠系下统山西组下部，平均埋藏深度约500 m，平均厚度约5.76 m，倾角2°～10°，在研究区广泛分布，且全区可采。工作面长度约2.2 km，工作面分布如图1。

图1 工作面平面布置图

1.2 瓦斯抽放钻孔特点

瓦斯抽放钻孔抽采瓦斯是目前煤矿井下瓦斯治理最有效的措施，对保障煤矿安全生产起重要作用[2]。目前，国内已有系列化的用于瓦斯抽采钻孔施工全液压坑道钻机，并快速向着自动化、智能化的方向发展[3]。但是，松软突出煤层钻孔深度浅、成孔率低仍然是制约煤矿瓦斯抽采效率的主要因素，解决这类问题的关键技术及其装备研发是瓦斯防治领域最紧要的课题[4-5]。王坡煤矿孤岛工作面地质条件极为复杂，一方面，断层、陷落柱等不良地质构造发育，且煤体内部弱面发育，使煤层整体强度降低；另一方面，两侧采空区引起的应力重新分布及塑性破坏区的发育使得工作面钻孔施工难度进一步增加。

1.3 孤岛工作面对钻孔的影响分析

假设钻孔周围煤岩均质、各向同性的条件下，可以将钻孔周围应力简化为静水压力（λ=1），钻孔周围塑性区一般为圆形或椭圆形，范围有限；但在复杂地应力条件下（λ≠1），偏应力较大时，塑性区会表现为蝶形非线性破坏[6]，影响范围远超过理想的静水压力条件下的理论值。如图2。

图2 钻孔围岩受力模型

钻孔穿越塑性破坏区或者应力集中区时，容易造成卡钻或者塌孔事故，了解煤岩内部应力分布特征和破坏规律，是研究孔内事故发生、判别和防治的理论基础。

2 孤岛工作面应力分布与破坏特征

前文分析认为，影响孤岛工作面瓦斯抽放钻孔钻进效率和成孔效果的主要因素是其复杂的地应力特征，这里以王坡煤矿孤岛工作面水平钻孔施工为背景，利用有限差分软件FLAC 对研究区应力分布和破坏特征进行模拟。

2.1 数值模型的建立

3206 孤岛工作面宽度138 m，相邻3208、3204采空区宽度分别为173 m 和154 m，中间煤柱约30 m。工作面走向超过2000 m，前期钻孔施工是在停采期间进行，通过建立薄片模型对工作面中部垂直走向应力分布特征进行模拟研究。假定各地层内部均匀连续，且通过上部均匀荷载代替覆盖层压力，建立了横跨五个工作面的等比例计算模型，如图3。

图3 数值模型

2.2 数值模拟结果分析

1）应力分布特征

3206 孤岛工作面中最大主应力（图4a）与竖向应力（图4c）呈马鞍状，在煤壁一定距离有明显应力集中现象。分析煤岩特征及开采条件得出，由于工作面上覆岩层厚度大、完整度高，采空区上方出现应力拱壳效应，在拱脚位置应力增大，两侧应力叠加后在孤岛工作面出现这一特殊现象。同时，在拱脚上方XZ 向应力出现倒三角形的应力异常区，应力均指向采空区。

图4 孤岛工作面应力分布云图

2）变形破坏特征

工作面总位移（图5a）和竖向位移（图5b）表现为马鞍状，受应力集中作用和凌空面的影响，拱脚处位移量最大，工作面中心部位位移量小，局部出现上拱现象。水平位移（图5c）皆由煤壁指向采空区，且从采空区向内逐渐减小。

图5 孤岛工作面位移云图

孤岛工作面塑性区分布如图6。侧向支承压力作用于煤体，煤体发生塑性变形，尤其是煤壁附近的煤体内聚力大大降低，内摩擦角也变小，因此煤壁处煤体的抗剪强度很大程度地降低，煤体受力后更加容易破坏，从而发生煤壁破碎。煤壁附近顶板内形成倒三角形破坏区，在地质作用和采煤活动影响下，其容易贯穿顶板破坏工作面覆岩的稳定性。

图6 孤岛工作面塑性区分布

2.3 数值模拟的可靠性分析

孤岛工作面钻孔路径上应力分布如图7，开采前处于应力平衡状态，采煤活动打破了这种平衡，在采空区前方一定范围形成应力集中区。同时煤岩体应力状态表现出明显的规律性，根据空间分布特征将其划分成4 个区域：Ⅰ-应力消减区，Ⅱ-峰后应力增高区，Ⅲ-峰前应力增高区，Ⅳ-未扰动区。

图7 应力分布示意图

煤层开采后形成的采空区无法承载地应力，近距离的煤岩体发生塑性应变，出现应力集中现象，主要特征表现为：1）局部煤岩体承受应力超过强度上限，发生塑性破坏，内部弹性势能减小甚至消失，同时有大量裂隙出现。2）峰后应力增高区承受应力超过强度上限，内部产生许多的微小裂隙，最后贯通形成大裂隙，受集中应力影响，处于弹性软化变形阶段。3）峰前应力增高区应力逐渐变高，未超过强度极限的地质体属于弹性变形阶段，受围压影响，地质体内原有裂隙在挤压作用下闭合，同时产生又破坏产生新的裂隙，该区域裂隙轻微发育。4）未扰动区煤岩体应力分布未受到采动作用的影响，地层比较稳定。

通过对工作面应力特征的分析研究，对研究区瓦斯抽放钻孔过程中在20～50 m 范围遇到钻进困难的原因有了更加清楚的认识，也为钻孔工艺优化提供可靠的理论依据。

3 孤岛工作面钻孔工艺与试验效果

3.1 钻孔装备和施工工艺

1）装备优化改造

ZDY6500LP 是一款全液压履带式钻机，该钻机采用转盘结构、变幅机构、组合油缸等模块化结构形式，可实现中间加杆和后方加杆，满足不同工艺要求。根据前期试验，将钻机最大转矩由6000 N·m升级为了10 000 N·m，以更好满足王坡煤矿碎软煤层中成孔的需要。

现场试验了四种规格的钻杆，即Φ60.3/95 mm螺旋钻杆、Φ73/89 mm 螺旋钻杆、Φ89 mm 三棱螺旋钻杆和Φ63.5/100-28 mm 螺旋钻杆。通过控制变量的方法，对钻杆间连接方式、翼片结构、通孔直径等因素对成孔效果的影响进行试验研究。

2）螺旋钻杆回转钻进工艺

大螺旋排渣钻孔设计轨迹长、排渣距离远，受孤岛工作面复杂地压影响，易出现塌孔、堵孔等事故。在试验过程中针对钻孔轨迹控制、工程管理和孔内事故应对等因素进行了优化。

① 合理控制钻孔倾角。尽可能选择沿煤层倾向方向由低处向高处钻进，使钻孔保持一定的仰角。

② 设计阶段查清工作面地质状况，避开断层、陷落柱等破碎地质体，同时注意应力集中区分布范围。

③ 发生卡钻等事故后，通过分析事故点的空间位置及事故发生的原因，科学制定处置方案。

3.2 现场试验

钻孔沿巷道平行布置，垂直巷道向3206 孤岛工作面施工。考虑煤层稳定性及透气性，设计钻孔间距4 m，开孔倾角依据煤层赋存情况初步设计0°～-10°，钻孔设计孔深100 m。钻孔设计参数见表1。

表1 钻孔设计参数

3.3 效果分析

前文所述四种螺旋钻杆，孔深大于100 m 钻孔成孔率分别为60%、55.6%、54.5%和80%。其中，Φ63.5/100-28 mm 螺旋钻杆施工钻孔成孔率显著高于其他三种钻具组合，一方面其采用插接式连接方式，在通过应力集中孔段时，可采用正转+反转形式强力回转扫孔排渣；另一方面Φ63.5/100-28 mm螺旋钻杆为大通孔结构，通孔直径28 mm，钻孔施工过程中可以配氮气进行辅助排渣，从而显著提高钻进过程排渣效率，更有利于复杂地层条件下钻孔高效成孔。

4 总结

针对3206 孤岛工作面复杂地质条件下钻进困难、瓦斯预抽不到位的情况，一方面以数值计算和现场监测为基本手段，通过动态分析确定了孤岛工作面马鞍状应力分布特征和塑性区分布范围；另一方面有针对性地研发了大扭矩钻机，并对螺旋钻杆的结构进行了优化，能够适应不良地质体钻进排渣。在理论分析和大量试验研究的基础上，优化了复杂地应力条件下碎软、高瓦斯煤层钻孔施工工艺技术体系，为解决碎软煤层瓦斯预抽困难的问题提供新思路，为瓦斯高效预抽和煤矿安全生产提供基本保障，具有广泛的推广应用前景。