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  張  超1，2，李樹(shù)剛1,2，林海飛1,2，張靜非1,2，楊會(huì)軍1,2

（1．西安科技大學(xué)能源學(xué)院，西安710054；2．西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710054）

摘要：針對(duì)松軟煤層瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性差、鉆孔形變較大、鉆孔及周?chē)�煤體漏風(fēng)嚴(yán)重等造成鉆孔密封難的技術(shù)難題，提出了預(yù)先采用加固技術(shù)來(lái)提高松軟煤層瓦斯抽采鉆孔的穩(wěn)定性，合理的解決鉆孔高效密封的現(xiàn)實(shí)難題。首先，闡述了易失穩(wěn)瓦斯抽采鉆孔加固技術(shù)的基本原理。其次，利用FLAC3D模擬軟件對(duì)比分析了松軟煤層、硬質(zhì)煤層在不同固孔材料固化后鉆孔周?chē)�位移�?chǎng)變化。研究表明：采取固孔措施后的鉆孔相比措施前等值線分布稀疏，梯度較小，不同位置處的煤體的位移量差別較小。鉆孔形成后，頂部位移量均大于底部位移量，左右兩幫的位移量基本相同，有效的降低鉆孔周邊煤體的位移變化量，增強(qiáng)鉆孔穩(wěn)定性，為鉆孔的高效密封提供了保障。

關(guān)鍵詞：鉆孔失穩(wěn)；加固技術(shù)；瓦斯抽采；鉆孔密封；

中圖分類(lèi)號(hào)：X936 doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 02. 013

0  引言

 鉆孔是煤礦瓦斯治理的基礎(chǔ)技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采、參數(shù)測(cè)試、煤層注水、煤層增透等各個(gè)方面。一般而言，打好鉆孔后都要求對(duì)鉆孔進(jìn)行密封，鉆孔密封是保持孔底負(fù)壓或正壓的關(guān)鍵因素，而封孔質(zhì)量的好壞直接影響各類(lèi)鉆孔作用的發(fā)揮。 

在掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)和煤體內(nèi)大量原生裂隙的影響下，煤層施工鉆孔后鉆孔壁弱結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生破壞失穩(wěn)，導(dǎo)致易塌孔，成孔難。為了實(shí)現(xiàn)鉆孔的高效密封，首先要解決的就是鉆孔成孔問(wèn)題。目前采取的方法一般是采用風(fēng)排渣或者使用套管以保證成孔，但無(wú)法有效地解決問(wèn)題。本文提出了一個(gè)有效的成孔方法，即先在預(yù)施工鉆孔周邊打固化孔，向孔內(nèi)加壓注漿，待漿液將固化孔周?chē)�的裂隙和弱結(jié)構(gòu)填充完畢后，再施工鉆孔。通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬的方法，模擬分析松軟煤層、硬質(zhì)煤層、以及分別采用強(qiáng)度較小的固孔材料和強(qiáng)度較大的固孔材料后鉆孔周?chē)�位移�?chǎng)變化，得出采用先固孔再成孔的方法能夠有效的降低鉆孔周邊煤體的位移變化量，增強(qiáng)鉆孔穩(wěn)定性，提高成孔率。

1  易失穩(wěn)瓦斯抽采鉆孔加固技術(shù)原理

 在松軟煤層瓦斯抽采鉆孔周邊打固化孔，通過(guò)加強(qiáng)固化孔周邊強(qiáng)度的方法來(lái)加強(qiáng)瓦斯抽采鉆孔周邊煤體的強(qiáng)度，從而達(dá)到提高鉆孔穩(wěn)定性的目標(biāo)。

 1)固化孔的成孔

 在瓦斯抽采鉆孔的區(qū)域先施工4個(gè)直徑為70 mm，孔間距為200 mm，上下左右對(duì)稱分布的4個(gè)固化孔，由于煤體是裂隙發(fā)育，存在一定的裂隙結(jié)構(gòu)，固化孔施工完畢后，由于受到擾動(dòng)影響，其周?chē)鷮�產(chǎn)生一定的裂隙和弱結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖1。

 2)固化孔的加壓注漿

 固化孔形成后，向孔內(nèi)帶壓注入CF固化材料，在高壓的驅(qū)使下，CF固化材料能夠滲入固化孔周邊的裂隙和弱結(jié)構(gòu)內(nèi)。見(jiàn)圖2。

 3)區(qū)域加固

 待固化孔中的CF固化材料徹底凝固后，4個(gè)固化孔也加固完畢，此時(shí)固化孔周?chē)�的裂隙和弱結(jié)構(gòu)被CF固化材料填充，區(qū)域內(nèi)煤體強(qiáng)度增大。見(jiàn)圖3。

 4)施工瓦斯抽采鉆孔

 在4個(gè)固化孔中間施工瓦斯抽采鉆孔，由于固化孔在區(qū)域內(nèi)的加固作用，鉆孔周?chē)�煤體位移變化量減小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易塌孔。見(jiàn)圖4。

2  易失穩(wěn)瓦斯抽采鉆孔加固技術(shù)的數(shù)值模擬

2.1  模型建立及參數(shù)設(shè)置

 針對(duì)松軟煤層瓦斯抽采鉆孔成孔后煤體內(nèi)部應(yīng)力、位移的變化情況，選擇FLAC3D軟件中的塑性模型摩爾一庫(kù)倫模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

 本次模型采用瓦斯抽采鉆孔直徑為70 mm，考慮到網(wǎng)格劃分疏密以及鉆孔與固化孔之間的影響，確定模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)? mx1mx0.6 m，其中鉆孔和固化孔之間距離為200 mm。由于鉆孔長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其直徑，因此鉆孔周?chē)�煤體的變化情況可以視為平面應(yīng)變問(wèn)題。考慮上覆巖層密度不同，初始垂直方向地應(yīng)力取20 M Pa，側(cè)向應(yīng)力系數(shù)A取1�？紤]固孔注漿時(shí)的壓力因素，在固化孔周?chē)�采用壓力邊界，加壓注漿時(shí)，固化孔周?chē)鷫毫θ?5 M Pa，運(yùn)行500步后卸除壓力，模擬停止注漿后固化孔的變化情況，該方法能夠真實(shí)地反映加壓注漿前后的變化情況。

本次模擬采用Cylinder和Radcylinder模型建立，使用空單元來(lái)描述開(kāi)挖區(qū)域的煤體材料，應(yīng)變軟化模型來(lái)描述煤體材料，彈塑性本構(gòu)模型描述固孔材料。其中煤體和固孔材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2模擬結(jié)果及分析

 在向固化孔內(nèi)注漿過(guò)程中，瓦斯抽采鉆孔區(qū)域的煤體都會(huì)受到影響，產(chǎn)生一定的位移，但只有施工鉆孔前后煤體的位移變化情況能夠反映鉆孔的穩(wěn)定性，因此本次模擬只分析施工鉆孔后煤體的位移變化情況。

 通過(guò)圖6可以看出，不同強(qiáng)度材料的打鉆成孔后鉆孔周邊的Z向位移量差別較大，且Z向位移多發(fā)生在鉆孔的頂部及底部，兩幫Z向位移很小，基本趨近為零；通過(guò)圖7可以看出，軟煤中鉆孔頂部和底部的Z向位移值分別為18、16 mm;硬煤中鉆孔頂部和底部的Z向位移值分別為3.5、3 mm,低強(qiáng)度材料中鉆孔頂部和底部的Z向位移值分別為6、2 mm,高強(qiáng)度材料中鉆孔頂部和底部的Z向位移值都接近為零。

 通過(guò)圖8可以看出，不同強(qiáng)度材料的打鉆成孔后鉆孔周邊的X向位移量差別較大，且X向位移多發(fā)生在鉆孔的左右兩幫，頂?shù)撞縓向位移很小，基本趨近為零；而通過(guò)圖9可以看出，軟煤中鉆孔兩幫的X向位移值分別為16、16 mm；硬煤中鉆孔兩幫的X向位移值分別為2.5、2.5 mm;低強(qiáng)度材料中鉆孔兩幫的X向位移值分別為4、4 mm,高強(qiáng)度材料中鉆孔兩幫的X向位移值分別為0.2、0.2 mm，基本趨近于零。

3  結(jié)論

 1)隨著固化材料強(qiáng)度的增大，鉆孔成形后位移量越來(lái)越小，當(dāng)固化材料強(qiáng)度高達(dá)一定程度時(shí)，位移量趨近于零，此時(shí)鉆孔最為穩(wěn)定。

  2)采取固孔措施后的鉆孔相比措施前等值線分布稀疏，梯度較小，不同位置處的煤體的位移量差別較小。鉆孔形成后，頂部位移量均大于底部位移量，左右兩幫的位移量基本相同。