原世腾
河南能源化工集团焦煤公司中马村矿 河南省焦作市 454000
摘要：瓦斯抽采钻孔围岩裂隙漏气是影响瓦斯抽采效率的重要原因，减少钻孔围岩漏气可以有效地提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采流量。通过对钻孔围岩裂隙的生成因素及发育扩展特点进行分析，提出穿层钻孔裂隙堵漏措施使穿层钻孔抽采可以长期在较高负压条件下，保持大流量、高浓度抽采，对其他矿井治理瓦斯抽采漏气具有借鉴意义。
关键词：钻孔；抽采效果；研究应用
引言：
本文通过对穿层钻孔抽采围岩裂隙发育情况的研究，探讨裂隙生成及发育对瓦斯抽放的影响，通过研究可知，解决根本问题的方法就是封堵裂隙漏风，阻止漏风对抽采的影响，通过对穿层抽采钻孔周边裂隙进行封堵，有效地解决了穿层抽采钻孔在抽采后期抽采浓度下降的问题。
一、裂隙发育情况及对瓦斯抽放的影响
1、矿井穿层钻孔裂隙生成因素
煤体是一种双重空隙系统的有机岩，在漫长的演变生成过程中，由于生化作用和地质构造作用，其自身内部会形成一些孔隙，这些孔隙包括外生孔隙和内生孔隙，影响着瓦斯运移机理，同时这些孔隙也影响着钻孔围岩裂隙的生成。根据煤岩体力学性质的研究可知，煤体在钻孔等外力作用下从初期形变到最终形成裂隙经历四个阶段，即压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。
煤体压密阶段的变形以非线性的压缩变形为主，当应力增加时，应变缓慢增大，从而形成凹形坡线。煤体压密阶段过后继续加载就到达弹性阶段，这时煤体变形出现，当应力大于屈服点时，进入塑性阶段，此时煤体出现结构面滑移变形。最终当应力到达极限强度时，煤体进入破坏阶段，这时不但有结构面滑移变形，还存在结构体转动变形，煤体结构破坏严重。钻孔周围煤体经过破坏阶段后进入残余塑性阶段，这几个阶段清晰地表明了钻孔裂隙生成的全过程。
对于抽采瓦斯钻孔周围围岩裂隙的发育也可用损伤 - 断裂力学理论知识进行研究，在瓦斯含量丰富的煤体中，游离态的瓦斯产生的是孔隙压力，而吸附态的瓦斯产生的是膨胀应力，再考虑地应力的作用可得出公式：σ 有效应力 =σ 地应力—σ 孔隙压力—σ 膨胀应力。
同时，当钻孔布置过密时可能出现应力叠加区，当单个钻孔不足以使围岩煤体所受有效应力达到屈服点或极限应力时，两个或多个钻孔应力的叠加可能使得某一区域围岩煤体受力之和超过极限应力，从而导致裂隙生成及发育扩展。
2、穿层钻孔裂隙窥探及特点分析
瓦斯抽采钻孔施工过程中，由于应力波的作用，钻孔围岩附近会形成密集的裂隙网络带。探究钻孔施工过程可以发现，钻孔周围围岩受力状态为反复加载和卸载的过程，即交变载荷的作用。这些交变载荷作用于符合非线性应力 - 应变的围岩煤体上使得钻孔周围出现永久性裂纹，此外钻孔围岩煤体本身具有弹性性能，作用在煤体上的有效地应力和钻进扰动冲击载荷以应力波的形式沿钻孔围岩煤体传播。在钻进应力波作用下，抽采钻孔孔壁产生强烈的震动破裂，当煤体裂纹尖端应力达到煤体的动态断裂应力时即发生断裂，形成宏观裂隙。
钻孔施工完毕初始，作用于钻孔处岩体上的应力消失，从而该部分垂直应力开始作用于钻孔附近的围岩上，这就是钻孔围岩处较高剪应力形成的原因。剪应力对围岩的作用曲线符合煤体应力-应变曲线过程，随着剪应力向钻孔围岩深部煤体转移，剪应力集中系数也逐步衰减，最终钻孔围岩煤体内形成破裂区、弹性变形区和原始应力区。在剪应力作用下钻孔围岩产生大量的次生裂隙，这些裂隙和煤层内原生孔隙贯通后形成孔裂隙网络。
3、穿层钻孔裂隙发育对瓦斯抽放影响
研究钻孔裂隙的发育情况对指导裂隙封堵技术有着重要的意义，围岩裂隙的扩展与发育主要受到游离态和已解吸瓦斯的撕裂、膨胀和尖劈等作用。钻孔施工会扰动吸附态瓦斯进行解吸，这时，解吸的瓦斯会缓慢地促使围岩裂隙扩展。钻孔施工完毕进行瓦斯抽采时，煤层中瓦斯解吸量会随着抽采量的增加而增加，从而抽采负压不但提高了煤层的连通性，还形成了较大的瓦斯压力梯度，增大了钻孔围岩裂隙区域。上述抽采负压、解吸瓦斯及有关应力场共同作用，加剧并促使了孔裂隙的发育扩展，只有当抽采负压、解吸瓦斯及应力场的有效影响范围衰减到临界抗压强度后才停止裂隙扩展。
抽采钻孔围岩在有效应力、抽采负压和解吸瓦斯作用下裂纹扩展模型可用图1所示：
由上述公式可以看出，抽采负压的增加是钻孔裂隙在抽采过程中不断发育扩展的重要因素，解吸瓦斯也在一定意义上促进了围岩裂隙的延伸扩展，因此随着抽采负压的增加，裂隙发育越快，抽放流量必将大幅度减少。对围堰裂隙发育扩展的研究也可得出矿井瓦斯抽采封孔技术，即将抽采钻孔围堰裂隙进行有效地封堵并抑制其发育是减少瓦斯从围岩处泄露，提高瓦斯抽放效果的最佳方法。
二、结语
通过理论分析，表明穿层钻孔裂隙封堵技术实施后，可大幅度提高瓦斯抽采浓度，进而可提高纯瓦斯抽采量。通过该项措施的实施，在穿层钻孔瓦斯抽采浓度出现下降时，采取穿层钻孔裂隙封堵措施，使瓦斯抽采浓度再次回升，从而相对延长钻孔的有效瓦斯抽采期，提高了瓦斯抽采效果，延长了高浓度、大流量的抽采周期，缩短了区域瓦斯治理的时间，提高了瓦斯治理效果。同时该项措施对于具有相似情况的矿井具有一定的借鉴意义。
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论文作者:原世腾
论文发表刊物:《基层建设》2015年22期供稿
论文发表时间:2016/3/15
标签：钻孔论文; 裂隙论文; 瓦斯论文; 围岩论文; 应力论文; 孔隙论文; 阶段论文; 《基层建设》2015年22期供稿论文;