地面采空区瓦斯抽放钻孔稳定性分析.pdf

煤矿安全 2 0 0 7 一 “ ， 1 地面采空区瓦斯抽放钻孔稳定性分析 梁运培， ， 2 ， 胡千庭‘ ， 2 ， 郭 华3 ， 任庭祥， 1 . 山东 科技大学， 山东青岛2 6 6 5 10;2 . 煤炭科学 研究总院重庆分院， 重庆4 000 37; 3 . 澳大利亚联邦科学工业研究院， 布里斯班883 摘要 以淮南 矿区 地面钻孔抽放试验为基础， 运用现场考察数据分析和数值模拟相结合的 研究 方法， 分析了 地面钻孔的稳定性， 得出了 和以 往不同 的认识。认为钻孔的破坏是随着工作面推进 而发生的动态过程， 布置在靠近回风巷侧钻孔更加稳定。 关键词 地面钻孔; 岩层移动; 钻孔稳定性 中图分类号 T D 7 1 2 . 6文献标识码 A文章编号 1 0 0 3 一 4 9 6 X 2 0 0 7 0 3 一 叨0 1 一 0 4 E l e me n ta ry A n a 】 y si s ofs u 对 陌 c eB ore h ul e S 妞 b i li tyi nG o bA r ea Me t h a n e D rai n age u N G hn 一 p e i ， ， ’ ， H U Q i an一 tin g ， ，， ， G U O H u a3 ， REN T i n g 一 x i a n g ， 1 . s ha子“ 肠 ngUn￡ ， rs i tyofsc 动 nc o a ndTe c h 肋 101 盯， Qi 昭由。 266510， chi na; 2.C h O 叹 g q i ngB ra nC h ofChi naco以R es ea rc h lnstit ute， C 入 。 了堵 ， i ng4 0 刃 3 7 ， Chi na; 3 . co二 nwe a l t h 反 ic nt 沙 a ndln d 山 tri 以五 “ ea rc h o 咭 a n 肠 at io n ofA us t 耐ia ， 883 A o tral ia 肠stra Ct B as edo n t h e m e t h an e d rain 哪 e x p e ri m e n t b y s u d 泊 c e bore h oles 伴rfom l e d i n H u a i n anm i n i n g a re a ， th ro u ghfi e ldi nv e s t ig a - t i o n and n ume ri c als i m u l at i on， t has t a b i li t y ofb o r e hol e i s anal y s e d ， and a 二 s u li ， w h i c hi s d 政re n t e x i s t i n g j udge m e nt， i s o b t a i n e d . The re s u lis h ows t h atth e b oreh o l e des t ru c t i o nocc u rsi nth e 街n ami c P ，e s s ofc o alfa c e adv a n c i n g ， andi t i s mo，s t a ble w h e nt h e b o re h Ol e l oca ti o ni s c l os e t o t ai 1 g a t e . K 盯 wor ds s u rfac e b oreh o l e s ; ro c k s t rata m ove m e n t s ; b o re h o l e s t a b i l i ty 0 引言 采空区瓦斯抽放是矿井瓦斯治理的重要环节。 地面钻孔抽放采空区瓦斯是美国采空区瓦斯抽放技 术中应用最为成功的方法之一。在澳大利亚的许多 矿井， 以及最近在我国的铁法矿区、 淮北矿业集团芦 岭矿， 都成功地对该方法进行了试验。以国家“ 十 五” 攻关课题为依托， 在淮南矿区进行了地面钻孔 抽放采空区瓦斯技术的试验， 取得了较好的抽放效 果。现场应用实践表明， 在淮南矿区复杂地质条件 下， 钻孔的稳定性成为影响地面钻孔抽放采空区瓦 斯效果和持续性的最关键因素。 针对提高地面钻孔抽放瓦斯效果， 有学者提出 应将钻孔布置在靠近回风巷侧。而有学者指出， 将 钻孔布置在靠近回风巷侧， 将导致钻孔容易破坏而 失效， 即此应将地面钻孔布置在工作面中心线上。 然而， 通过研究可以 发现， 将钻孔布置在工作面中心 线上， 钻孔将更早地破坏， 而将钻孔布置在靠近回风 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 73 计划 课题 2 X5 C B 2 2 1 5 0 3 ; 国家自 然科学基金重点资助项目 5 0 5 3 48 0 ; 国 家“ 十五 ” 科 技 攻 关 项目 2 以 ” B A s o 3 B0l l o 巷侧3 0m范围内， 将提高钻孔的稳定性。 1 张北矿1 1 4 18工作面地面钻孔抽放试验 淮南矿区张北矿 1 1 4 18工作面为首采工作面， 工作面宽240 m ， 长1 3 20m 。 开采的8 彩 煤层平均厚 度3 . Zm 。煤层沿工作面推进方向向上倾斜 20 - 3 “ 。工作面上覆岩层以厚层的第四系沉积层为主， 从地面到基岩为4 00 m厚的第四系沉积层， 且含水 层发育， 断层发育， 地质构造较复杂。 1 . 1 11 418 工作面地面钻孔的设计 为了达到较好的抽放效果， 对地面钻孔做了优 化设计 1钻孔位置。 根据以往的经验和数值模拟结 果表明， 将钻孔在一定程度上靠近采空区的回风巷 侧。建议将钻孔布置在距回风平巷20一 50 m处。 由 此， 设计第一个钻孔1 4 1 1 8 一 1 距开切眼1 0 0m 、 距回风巷50 m ; 第二个钻孔1 4118一 2 距开切眼9 43 m、 距回风巷3 7m 。 2 钻孔的结构。为了增强钻孔的稳定性， 表 层套管应穿透整个的第四系层系， 且在水泥加固的 套管和没加固的槽管间至少保留rom的重叠长度， 煤矿安全 To tal ’ 88 这样能更好地抵抗岩层移动的破坏。因此， 地面抽 放钻孔采用三段成孔 ①第一段 钻孔深度0 一 4 20 m ， 直径巾 3ll lnln ， 内 装中 2 4 5m mx lom m的套管， 并注 浆加固; ②第二段 钻孔深度4 20一 s lom ， 直径 巾 Z 1 6 m m ， 内装少 1 7 7 . sm mx g . 1 9m m的套管， 并 注浆加固; ③第三阶段 钻孔510一 5 45 m ， 直径 巾 1 9 O m m ， 内装巾 1 3 9 . 7m mx g . 1 7m m的槽管， 其 总长为35 m 。槽管和上部套管重叠部分的长度为 1 0 m 。钻孔孔底距5 煤层顶板sm ， 并保持孔底打 开， 以此提高瓦斯流量并防止堵塞。 1 . 2 1 1418工作面地面钻孔试验情况 提交设计后， 进行了钻孔施工， 对钻孔抽放系统 进行安装和抽放效果考察。1 1 4 18一 1 钻孔抽放瓦 斯浓度45 一 65 ， 抽放流量14. 4 一 3 3 . 8m 3 / m in， 抽放效果非常好。然而， 当工作面推过钻孔83 m时， 由于种种原因无法监测到地面钻孔的瓦斯抽 放量， 从现场重新探孔的情况看该钻孔在距地表 2 7 0 一 2 9 Om的地方发生了 堵孔现象。 1 141 8 一 2 钻孔工作期间， 瓦斯抽放量最大达 32. 9 m 3 / m in ， 浓度达85， 抽放效果显著。同 样， 当工作面推过钻孔约50 m后， 钻孔无法抽放瓦斯。 由此可以看出， 在工作面推过钻孔约83 m和 5 0 m后， 2 个钻孔都因破坏而被迫关闭。因此， 钻孔 的稳定性是影响地面钻孔抽放技术成败的关键因 素。 2 淮南矿区地面钻孔瓦斯抽放钻孔运行情况 2 . 1 地面采空区钻孔的实施情况 迄今为止， 淮南矿区已经试验了12个地面瓦斯 抽放钻孔， 工作状态如表 1 所示。通过对淮南矿区 地面抽放钻孔抽放效果的考察， 可以看出 这些钻孔 在正常工作期间， 瓦斯抽放量和瓦斯浓度均较高， 平 均流量为巧m ， / m in， 平均瓦斯浓度为80， 抽放效 果较好。当工作面推过钻孔40 一 l oo m时， 钻孔瓦 斯流量和浓度都增到最大值。然而， 钻孔的稳定性 较差， 往往因过早的破坏而失效。 表 1 淮南矿区地面瓦斯抽放钻孔运行情况 矿井 钻孔工作天数破坏时工作面到 /d钻孔的距离/ m 钻孔工 作状态 1 1 4 1 8一1 1 1 41 8一2 必刃40 2门‘石 2心.1卜 1 242 1 一 1 1 2 4 2 1 一 2 1 2 4 2 1 一 3 1 2 4 2 1 一 4 1 2 4 2 1 一 5 2 3 5 2 、 ， 一 1 2 6 6 2 1 一 1 2 6 6 2 1 一 2 2 6 6 2 1 一 3 s l l l C 1 5一1 张北矿 张北矿 谢桥矿 谢桥矿 谢桥矿 谢桥矿 谢桥矿 潘一矿 潘一矿 潘一矿 播一矿 谢一矿 2 0 05 一07 一 0 5 2 0 0 5一1 0一1 9 2 0 0 4一09 一 29 2 0 0 4一1 1一 2 1 2 0 0 4一1 2一 0 5 2 X 4一1 2一 2 3 2 0 0 4一1 1一 0 2 2 0 0 1一06 一 27 2 0 04 一0 2一1 6 2 1 0 4一04 一0 7 2 0 05 一0 3一0 8 2 0 X 一1 1一0 3 2 X} 5一0 8一0 1 2 0 5一1 2一2 1 2 0 04 一1 1一2 8 2 00 5一02 一02 2 0 0 5一04 一2 2 2 00 5一07 一1 5 2 0 05 一1 0一1 3 2 0 0 2一0 8一1 9 2 0 0 5一0 3一2 1 2 00 5一07 一2 8 5 4 4 9 1 5 2 。 6 5 3 . 5 4 5 96 社 1 3 8 2 00 5一0 3一09 已破坏 已破坏 已破坏 已破坏 已破坏 已破坏 已关闭 已关闭 工作中 工作中 未工作 已关闭 2 . 2 采空区钻孔有效运行时间 谢桥矿1 2 4 2 1 一 2 和1 2 4 2 1 一 3 钻孔在工 作面推过它们不久即发生了破坏， 1 2 4 2 1 一 1 钻孔 在工作面推过后运行了40 d ， 12 42 1 一 4 钻孔相对 运行良 好。张北矿 1 4 1 1 8 一 1 和1 4 1 1 8 一 2 钻孔分别 在工作面推过它们83 m和50 m后发生破坏。谢一 矿5 1 l l C15 一 1 钻孔工作了30d ， 直到工作面推进到 停采线为止。潘一矿2 3 52 1 一 1 钻孔运行了2 20 d ， 2 6 6 2 1 一 1 和2 6 6 2 1 一 2 钻孔尚在有效运行。 这些结果表明 1采空区钻孔的有效持续运行时间取决于具 体矿井开采条件。例如， 潘一矿和谢桥矿的钻孔， 尽 管地面采空区钻孔都处在各自 工作面中心线上， 并 且它们的成孔方法相似， 但谢桥矿的钻孔在工作面 推过它们不久后即发生破坏， 而潘一矿的钻孔却一 直保持工作。 2 采空区钻孔的有效持续运行时间也可能取 决于 钻孔结构。 例如， 谢桥矿1 2 4 2 1 一 1 、 1 2 4 2 1 一 2 和12 4 2l 一 3 钻孔都处于同一工作面的中心 线上， 并且具有同样的成孔方法， 它们都在工作面推 过后不久发生破坏; 但 1242 1 一 4钻孔由于在一 些方面采用了本文前述的设计成孔方案， 该孔自从 煤矿安全 2 0 0 7 一 0 ， 2 005 年7 月起一直正常运行。 3 钻孔位置对其有效持续运行时间的影响并 不明显， 因为分别有一些破坏的钻孔处于工作面中 心线或靠风巷位置。 似乎矿井条件是影响地面钻孔有效持续运行时 间即钻孔稳定性的主要因素。 经过2 “ 采空区钻孔 4 0 n 3 钻孔的稳定性分析 淮南矿区地面钻孔在它们的服务期限之前就过 早破坏， 突出了钻孔稳定的重要性， 并且将最终影响 整个采空区瓦斯抽放系统的成败。为了对地面采空 区钻孔的稳定性进行研究， 深人分析了钻孔发生破 坏时工作面推过的距离， 并采用 C O S F L O W岩石力 学分析软件对顶板岩层移动进行了模拟分析。 3 . 1 钻孔破坏的现场数据分析 从现场统计数据看， 已观测到的5 个钻孔的破 坏， 都是在工作面沿走向推过它们超过30 m后发生 的， 而除谢桥矿1 2 4 21 一 3 钻孔外， 其它都在50 m以 后破坏 见图 1 。这表明除了地质条件之外， 钻孔 与工作面的相对位置也对其稳定性有影响。对于近 水平和缓倾斜煤层而言， 沿倾向的情况与走向类似， 这也可能意味着， 当钻孔位置靠近回风巷侧时将更 加稳定， 若布置在靠近回风巷侧30 m的范围内， 钻 孔将不会被破坏。这对将来象张北矿这种复杂地质 条件下的地面钻孔设计， 可能是一条重要的经验。 r一1|卜111卜|1 0000000 Oll050llJ 气J勺，﹄11 日日、抢华斗关 一5 00一 4 00一 3 0 0一 2 0 0一1 0 0 到地表距离/ m 一 风巷处;二 距风巷 20 nl; 距风巷40 叫 ， 距风巷 6 0 。 ; ; 距风巷 8 0叫 距风巷 0 0m 图2 工作面推过1 411 8 一 2 钻孔40m时覆岩的水平位移 40 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 00 1 5 0 1 00 50 经过2 ， 采空区钻孔 1 2 0 ，。 [uuJ/艳划阵书 _ 健 扁一 4 0 0一 3 0 0一 2 0 0 到地表距离/ m 一1 000 一 风巷处;于 距风巷20 m; 距风巷40 In ; 距风巷 6 O m;， 距风巷8 0n 距风巷 】 O Om 图3 工作面推过1 411 8 一 2 钻孔 12 0 m时覆岩的水平位移 过工作面 3 0 m 1 2 4 2 1 一 3 由 【 弓 洛 l 1 2 内 2 1 一 2. l l 1 2 4 21 一1. ， ‘ 争 ， “ 一 ’ . 翻 3 06 09 01 2 0 一1|IL.七.|十‘0 钻孔破坏时工作面推进距离/ m 图1 钻孔破坏时工作面推过钻孔的位置 3 . 2 从岩层移动模拟分析钻孔的破坏 用C O S F L O W模拟了当工作面分别推过钻孔40 m和1 20 m时， 距回风巷不同距离钻孔处的水平位 移， 如图2 和图3 所示。 从图2 可以看出当工作面推过钻孔40 m时， 在 工作面中部钻孔位置处的水平位移最高， 随着钻孔 向 风巷侧移动， 该值逐渐减小， 这表明处在靠近风巷 侧的钻孔更稳定。模拟结果说明， 根据张北矿 1 1418工作面的条件， 当工作面推过钻孔40 m时， 钻孔将在距地表3 25一 3 50 m之间破坏， 如果钻孔布 置在工作面中部， 则其破坏程度最大， 随着钻孔向风 巷侧移动， 破坏程度减弱; 如果钻孔直径设计为200 一 25o m ， 则距风巷4 o m以内的钻孔将变形但不会 破坏， 而以远的钻孔包括工作面中线的钻孔则会破 坏失效。 从图2 、 图3 的比 较可以看出， 随着工作面继续 向前推进， 工作面中线的水平位移稍有增加， 而远离 中心位置的 水平位移则增加很大; 然而， 从不同 位置 钻孔随工作面推进而变形的动态过程看， 靠近工作 面中心线处的钻孔先期破坏， 而靠近风巷侧的钻孔 虽然破坏更加严重， 但破坏时间要滞后得多， 因而相 对而言更稳定。 以往的观点认为将地面钻孔布置在工作面中部 要稳定， 而靠近回风巷侧容易破坏， 然而以上分析结 果显示了相反的观点。出现这种情况的原因在于， 以往的观点是基于当顶板岩层移动稳定后， 工作面 中部岩层沿倾向变形小而靠近回风巷侧岩层沿倾向 4 煤矿安全 Tot a ‘ ’ 8 8 变形大， 然而这是岩层移动平衡后稳定态的状况。 而岩层的移动破坏是随着工作面推进而发生的动态 过程， 在靠近回风侧钻孔破坏以前靠近工作面中部 钻孔已经因岩层的走向变形大而先期发生破坏， 而 靠近回 风巷侧钻孔的破坏要滞后一段时间。 3 . 3 岩层移动模拟与现场试验数据对比分析 图4 所示为张北矿 1 1 4 18工作面回采期间， 初 期用C O S F L O W模拟所得的1 4118一 1 钻孔位置的 水平位移。图4中5 条曲线分别说明工作面推过 141 18一 1 钻孔的相对位置。从地表向下28Om ， 水 平位移值相对较小， 而在2 90一 3 10m时， 该值突然 增大。在该水平以下， 在少数的基层岩石中出现了 较大的水平位移。 以往不同的认识。 2 现场观察到， 无论地面钻井布置在靠近回 风巷还是位于工作面中部， 钻井失稳现象均在工作 面推过钻孔30m后或更远处出现。分析认为， 钻孔 布置在靠近回风侧30m以内， 可能会提高钻孔的稳 定性。 3 钻孔的破坏是随着工作面推进而发生的动 态过程， 靠近中心线的钻孔因岩层走向变形大而先 期破坏， 而靠近回风侧钻孔的破坏要滞后的多， 因此 相对钻孔更稳定。 参考文献 〔 1 〕 〔 2 〕 〔 3 〕 淮南矿业 集团 有限责任公司， 煤炭科学研究总院 重庆分院， 澳大利亚联邦工业科学院. 地面钻井抽放 采动区域瓦斯技术研究 【 R 〕 . 2 006. 梁运培， 孙东玲. 岩层移动的组合岩梁理论及其应用 研究〔 J ] . 岩石力学与工程学报， 2 0 0 2 ， 21 5 6 54 - 6 5 7 . 梁运培， 文光才. 顶板岩层“ 三带” 划分的综合分析法 [ J ] . 煤炭科学技术， 2 侧 刃， 2 8 5 3 9 一 42. 000000 050505 一飞︶2，‘11 已日、泌划除书 0L-- 一600一 5 0 0 一 4 0 0一 3 0 0一 2 0 0一1 0 00 到地表距离/ m - 今 - 2 0m; - . 卜 6 0m; 1 0 0m; 一 侧 一 2 2 0m; 叫 . 3 0 0m 作者简介 梁运培 1 971 一 ， 男， 山东临沂人， 煤炭科学 研究总院重庆分院高级工程师， 1 993 年毕业于重庆大学采 矿工程专业， 现为山东科技大学博士研究生， 从事煤矿安全 研究工作， 发表论文50 余篇。 图4 1 1 4 18工作面推过1 号钻孔不同 距离时钻孔的水平位移 收稿日 期 2006一 11一 07; 责任编辑 王福厚 现场测量表明钻孔故障的实际深度发生在2 70 一 29Om， 这与初期的C O S F LoW模拟结果比较吻 合。该故障层位发生在砂岩和软泥岩的交界面， 可 能由于是这些运动使套管发生了破坏， 从而导致砂 子和软泥灌人钻孔。预计在该层位以下某些部位发 生了同样的破坏。 以上模拟结果说明了在工作面回采过程中， 钻 孔距地表不同位置处随着工作面的推进， 经历了不 同程度的水平变形和位移。因此， 在复杂的地质条 件下， 需要进行包括覆岩运动监测和岩层移动破坏 的数值模拟在内的详细研究， 以此设计出合适的钻 孔位置和保护措施。， 本刊声明 4 结论 本刊已分别人编中国期刊网 中国 学术期刊光盘版 、 万方数据一 数字化期 刊群、 中 文科技期刊数据库、 C E P S 中文电 子期刊服务， 如作者不同意人编， 请在来 稿时声明。 本刊有出电子版、 网络版及网站技术 交流的权力， 作者著作权使用费包括上述 几种方式， 与本刊稿酬一次性支付。 1 以淮南矿区尤其是张北矿地面钻孔抽放试 验为基础， 运用现场考察数据分析和数值模拟相结 合的研究方法， 分析了地面钻孔的稳定性， 得出了和