王書明陳學習張沖

（1.金陵科技學院建筑工程學院 南京211169； 2.華北科技學院安全工程學院 北京101601；3.中國礦業(yè)大學安全工程學院 江蘇徐州221116）

考慮松動圈影響的鉆孔瓦斯抽放合理封孔長度確定研究*

王書明1陳學習2張沖3

（1.金陵科技學院建筑工程學院 南京211169； 2.華北科技學院安全工程學院 北京101601；3.中國礦業(yè)大學安全工程學院 江蘇徐州221116）

以王行莊礦11071工作面為工程試驗地點，通過超聲波和鉆孔窺視現(xiàn)場測試，結(jié)合理論計算，開展了瓦斯抽采煤巷松動圈范圍和瓦斯抽放鉆孔合理封孔長度確定的研究。確定了王行莊11071工作面二1煤層圍巖卸壓區(qū)寬度為8.87m，極限平衡區(qū)寬度為9.87m，合理封孔深度為10m；通過極限平衡法理論計算得到的結(jié)果與超聲波法、鉆孔窺視法的測試結(jié)果基本相符。

松動圈 瓦斯抽放鉆孔 合理封孔長度 超聲波 鉆孔窺視

0 引言

目前，我國瓦斯抽采的現(xiàn)狀不盡如人意，存在抽出瓦斯?jié)舛鹊汀⒘髁啃〉膯栴}，使得煤層瓦斯的抽采效果及利用價值都大打折扣。瓦斯抽采效果不理想的原因除了煤層賦存條件復(fù)雜、煤層透氣性差、抽采工藝不配套等原因外，封孔質(zhì)量也是決定抽采效率的重要因素之一，而封孔深度是影響封孔質(zhì)量好壞的重要因素［1－3］。巷道松動圈范圍直接關(guān)系到瓦斯抽采鉆孔合理深度的確定 ，瓦斯抽采鉆孔深度又直接決定了瓦斯抽采效果是否理想 ，因此，在鉆孔瓦斯抽采之前進行瓦斯抽采巷道松動圈的測定，對有效提高瓦斯抽采濃度和效率 ，保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義［4－5］，但是由于巷道松動圈存在于圍巖內(nèi)部，不能直接進行觀測，需要依靠一定的技術(shù)及方法。

本文以王行莊煤礦11071工作面上順槽瓦斯抽采煤巷為研究對象，進行理論計算，并采用超聲測井探測法和光學鉆孔窺視法兩種方法進行現(xiàn)場實測，綜合確定煤層巷道松動圈范圍 ，為瓦斯抽采封孔深度提供依據(jù)。

1 試驗現(xiàn)場概況

王行莊11071工作面上順槽為沿煤層掘進巷道，局部見煤層底板。煤層位于山西組大占砂巖之下，距太原組頂界一般7m左右。煤層厚度4.40～5.33 m，平均厚4.8 m。煤層不穩(wěn)定系數(shù)3.5，變異系數(shù)70%。該煤層為礦井全區(qū)主要可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含有夾矸。煤巖特征為黑－灰黑色，半亮型，屬低中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量貧煤或貧瘦煤。煤層質(zhì)軟，f＝0.21左右；底板砂質(zhì)泥巖，f＝4左右；頂板砂質(zhì)泥巖，f＝4～6。11071上順槽巷道斷面為直墻半圓拱形，采用可塑性29U型鋼棚支護，下凈寬4.54m、凈高3.12m。

2 基于極限平衡法的巷道松動圈范圍計算

2.1 極限平衡方法簡介

松散介質(zhì)極限平衡理論簡稱極限平衡理論，主要用于煤層介質(zhì)巷道的松動圈范圍的計算，極限平衡狀態(tài)是土體由靜力平衡轉(zhuǎn)向運動的臨界狀態(tài) ，而極限平衡理論必須滿足3個基本假設(shè)：介質(zhì)在達到極限平衡狀態(tài)之前視為理想剛塑性材料 ；達到極限狀態(tài)時，介質(zhì)中的每一點都達到極限狀態(tài)；介質(zhì)的抗剪強度符合莫爾—庫侖破壞條件。

井下采掘作業(yè)使煤體中的應(yīng)力重新分布，形成卸壓區(qū)（A－E）、應(yīng)力集中區(qū)（E－B－G）和原始應(yīng)力區(qū)（G之后），見圖1。集中應(yīng)力區(qū)又可分為塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū) ，x0～x1為塑性變形區(qū)。

采掘作業(yè)之前，卸壓區(qū)和塑性變形區(qū)的煤體應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。巷道開挖之后，導致煤層界面或軟弱夾層處首先出現(xiàn)塑性變形和破壞，原先處于平衡狀態(tài)的煤體最容易從頂?shù)装鍘r石間或軟弱分層處擠出，在煤層界面上會產(chǎn)生剪應(yīng)力τxy。煤體中的應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖2所示。

圖1煤巷圍巖中應(yīng)力分布狀態(tài)

圖2 y方向破壞范圍預(yù)測示意

為了方便分析，作如下假設(shè)：

①在應(yīng)力極限平衡區(qū)內(nèi)，煤體為均質(zhì)，且各向同性，滿足連續(xù)介質(zhì)條件。

②煤層界面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著距巷道周邊距離的增加而增加，直到峰值應(yīng)力處，它的值等于應(yīng)力集中區(qū)的最高應(yīng)力，故有

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)，γ為巖石的容重，H為開采深度。

③在x＝x1的截面上，水平應(yīng)力以界面垂直應(yīng)力的平均值表示，則有

式中，A0為側(cè)壓系數(shù)。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)極限平衡理論，應(yīng)力極限平衡區(qū)煤層界面應(yīng)力可通過下式求解：

式中，C，φ為煤層或軟分層界面的粘聚力和內(nèi)摩擦角，m為煤層或軟分層厚度。

當x＝x1時，σy＝KγH；x＝x0時，σy＝γH，代入（3），可分別獲得應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x1和卸壓區(qū)寬度x0：

假設(shè)在卸壓區(qū)中，煤體破壞條件服從莫爾強度理論，其抗拉強度，式（6）改寫為

式中，f（tanφ）為煤層界面的摩擦因素，σt為煤層或軟分層的抗拉強度。

2.2 王行莊礦二1煤層斯抽放鉆孔深度的計算

經(jīng)測定，王行莊礦二1煤層或軟分層界面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角C，φ值分別為2.0 MPa和26.0°。該煤層11071工作面平均開采深度H＝358.0m，直接頂、老頂分別為泥巖、砂巖，泥巖密度為2.595×103kg／m3，砂巖密度為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狀為直墻半圓拱形，其毛斷面平均高度m＝3.46m，應(yīng)力集中系數(shù)K＝2.0～3.0，側(cè)壓系數(shù)A0＝0～1.0?？紤]到王行莊煤礦二1煤層為“三軟”煤層，故在此取值K＝3，A0＝0.2。將上述參數(shù)代入式（5）和式（7）可計算得到，王行莊礦二1煤層工作面順層瓦斯抽放巷道的極限平衡區(qū)寬度為9.53 m，卸壓區(qū)寬度為8.75 m。

據(jù)此確定王行莊煤礦工作面順層瓦斯抽放巷道鉆孔封孔長度至少為8.75 m，但在生產(chǎn)實踐過程中，可慮到可靠系數(shù)的需要，可以在9.0～10.0 m范圍內(nèi)選擇。

3 基于超聲波和鉆孔窺視的巷道圍巖松動圈現(xiàn)場實測

3.1 超聲波現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

測試地點在11071工作面上順槽，自超前工作面100m開始，每隔20m布置1個測站，共計3個測站，每個測站布置3個測點，即在巷道兩幫和頂板各布置1個測點，結(jié)果見圖3～圖5。可以看出，3個測點的卸壓區(qū)寬度分別為9.20，8.60，8.80 m，平均為8.87m；極限平衡區(qū)的寬度分別為10.00，9.80，9.80 m，平均為9.87m，對比前面理論計算值可以發(fā)現(xiàn)實測值略大，但是基本接近，說明數(shù)據(jù)是可靠的。

圖3 1號測點的超聲波測試結(jié)果

圖4 2號測點的超聲波測試結(jié)果

圖5 3號測點的超聲波測試結(jié)果

3.2 光學鉆孔窺視現(xiàn)場測試結(jié)果分析

鉆孔窺視現(xiàn)場實測的工作面順槽幫部圍巖的破碎狀況，見圖6和圖7。處理窺視結(jié)果，得到巷道周邊的塑性區(qū)分布范圍，即1號測站的卸壓區(qū)寬度為8.6m，極限平衡區(qū)寬度為9.6m；2號測站的卸壓區(qū)寬度為8.8 m，極限平衡區(qū)寬度為9.7 m；巷道卸壓區(qū)平均寬度8.7m，極限平衡區(qū)平均寬度9.65m。

3.3 基于現(xiàn)場實測的鉆孔合理封孔長度確定

對比前面理論計算值（卸壓區(qū)寬度8.75 m，極限平衡區(qū)寬度9.53 m），可以發(fā)現(xiàn)超聲波實測值略大，光學鉆孔窺視基本接近，但總的來說現(xiàn)場實測結(jié)果與理論計算值的接近度好，數(shù)據(jù)可靠度高。因此，結(jié)合超聲波和光學鉆孔窺視的現(xiàn)場實測結(jié)果，最終確定王行莊礦二1煤層工作面順層瓦斯抽放巷道的合理封孔長度為10m。

圖6 1號測站幫不同深度的鉆孔窺視觀測結(jié)果

4 結(jié)語

通過極限平衡理論計算得出王行莊礦二1煤層11071工作面順層瓦斯抽放巷道的極限平衡區(qū)寬度9.53m，綜合理論分析和現(xiàn)場實測結(jié)果，最終確定合理封孔長度為10 m；卸壓區(qū)的寬度8.75 m；并通過超聲波和光學鉆孔窺視技術(shù)，對該巷道的松動圈范圍進行了實測，實測結(jié)果與理論計算值的接近度好。

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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

王書明，男，1968年生，副教授，博士，主要從事安全管理、工程管理等方面教研工作。

2016－07－08）

江蘇省住建廳科研項目（2014ZD68），金陵科技學院博士科研啟動基金項目（jit－b－201230）。