2016 年第 1 期
在 304 工作面回风巷道距切眼 600m 处选择 8
个地点进行试验，每个测点用直径为 42mm 的麻花
钻杆钻机施工顺煤层钻孔，单孔深度为 12m。开钻
后每钻进 1m，风钻要空钻几十秒，尽可能地排出
钻屑，使用弹簧秤对塑料编织袋里的钻屑称重； 每
钻进 2m 时，用筛子迅速筛分出 1 ～ 3mm 粒径的煤
道高 × 宽 = 3. 0m × 3. 6m。考虑巷道围岩变形影响
t 范围，并留有一定的边界影响区域，模型尺寸确定 网 e 为长 （ x） × 宽 （ y） × 高 （ z） = 10m × 40m × 刊 j.n 30m，划分 23200 个单元，共 26978 个节点。模型
上部边界为应力边界，施加载荷大小为上覆岩层自
内，在孔口负压的作用下，钻孔可通过巷道掘出后 区范围，但同时又要小于巷帮应力峰值点的深度。
形成的松动圈内的宏观裂隙与巷道空间形成回路从 而出现连通漏气，这就会导致巷道内瓦斯浓度超限 而抽采管路内瓦斯纯量大幅降低［5 － 6］。若封孔深度 较长，不仅会浪费封孔材料，还会导致从松动区边
1 矿井概况
亭南煤矿地处陕西省彬长矿区中部，井田东西 长 11. 3km，南北宽 5. 1km，面积约 33. 85km2 ，设
界到封孔段末端一带的煤体瓦斯抽不出，从而形成 计生产能力 3. 0Mt / a。井田内唯一可采煤层为 4 号
［收稿日期］ 2015 － 07 － 01
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11 － 3677 / td. 2016. 01. 027
［基金项目］ 国家科技重大专项资助项目 （ 2011ZX05040 － 005） ； 长江学者和创新团队发展计划资助项目 （ IＲT1235） ； 河南理工大学博士基
此，确定瓦斯抽采钻孔合理封孔深度是保证瓦斯抽 压的状况［8］。所以，确定钻孔合理封孔深度的原
采效果的关键，而分析巷道 “三带” 分布范围则 是确定封孔深度的关键［2 － 4］。
则就是既要最大程度地抽出煤层中的瓦斯，又要有 利于瓦斯抽采及煤层卸压［9 － 11］。即瓦斯抽采钻孔
前人研究表明，若封孔深度较短且处在卸压区 合理封孔深度是应该超出巷道两帮的卸压带或塑性
国 .c 据统计，我国约有 65% 的回采面顺层瓦斯抽 中 w 采钻孔的预抽瓦斯浓度小于 30%［1］。瓦斯抽采主 w 要靠打钻和封孔来完成，而封孔是瓦斯抽采的重要 w 环节，其中封孔深度对瓦斯抽采具有重要影响。因
抽采盲区，为矿井以后的生产、管理留下安全隐 患［7］。若封孔段超过巷帮应力集中峰值点的深度， 则峰值点区域将会形成一个应力屏障，从而阻隔两 侧煤体瓦斯的流动，形成不利于瓦斯抽采和煤体卸
隙，塑性区内顶板岩层受力平衡状态遭到破坏，围
岩发生位移变形，寻求新的应力平衡，在顶板上方
形成了暂时平衡的岩石松动圈。由图 2 和图 3 可
知，在煤巷的两帮、顶板和底板一定范围内，均出
现了应力降低区域，煤巷两帮 0 ～ 6. 1m 为垂直应
图 4 S，K1 随钻孔深度变化趋势
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黄致鹏等： 全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究
细砂岩 7. 729 5. 912 23. 26 7. 438 7. 558 47
中 w 中细粒砂岩 5. 358 3. 224 25. 68 3. 524 3. 526 46
灰泥岩 4. 559 3. 456 25. 48 4. 158 3. 251 35
w 4 号煤层 2. 682 1. 619 18. 12 0. 649 1. 436 31
Ｒeasonable Sealing Length of Gas Extraction Borehole in Full Coal Ｒoadway
HUANG Zhi-peng1 ，WEI Guo-ying1，2，3
（ 1. College of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；
第 21 卷 第 1 期 （ 总第 128 期） 2016 年 2 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 21No. 1 （ Series No. 128） February 2016
全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究
黄致鹏1 ，魏国营1，2，3
（ 1. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家 重点实验室培育基地，河南 焦作 454003； 3. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003）
粉，立即放入 WTC 型瓦斯突出参数仪进行测试。
钻屑量 S、钻屑瓦斯解吸指标 K1测试结果与钻孔深
度关系分别见表 2 和表 3。
表 2 钻屑量 S 测定结果
kg / m
钻孔深度 /m 孔号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
力降低区域，6. 1 ～ 18. 2m 为垂直应 力 集 中 区 域， 在 8. 9m 的位置达到了应力峰值。
图 1 围岩塑性区分布
2 顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的确定
2. 1 巷帮应力分区数值模拟研究
根据 亭 南 煤 矿 4 号 煤 层 的 地 质 条 件 建 立
FLAC3D数值模拟模型。4 号煤层选择矩形巷道，巷
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总第 128 期
煤矿开采
2016 年第 1 期
煤层，位于含煤岩系的最下部，平均厚度 8. 29m， 赋存稳定，结构简单。受区域构造影响，井田范围 内构造特征以褶曲为主，断层稀少。含煤地层沿走 向、倾向的产状变化不大，倾角 2 ～ 3°。亭南煤矿 属高瓦斯矿井，其相对瓦斯涌出量 17. 43m3 / t，绝 对瓦斯涌出量 81. 96m3 / min。4 号煤层平均瓦斯含 量 4. 62m3 / t，煤 层 透 气 性 系 数 为 0. 22 ～ 0. 73m2 / （ MPa2 ·d） 。矿井采用本煤层采前预抽、隅角埋管 抽采、高抽巷结合高位钻孔抽采等瓦斯综合治理方 案来解决日益严峻的瓦斯问题。
不同［12］。因 此， 通 过 向 巷 帮 打 钻 的 方 法， 测 量 不 同深度的钻屑量 S 和钻屑瓦斯解吸指标 K1，根据 其变化趋势可推算出巷帮 3 个应力分区的范围。不 同区域的钻屑量 S，K1与钻孔深度关系总体变化趋 势大致相同，见图 4。
顶、底板和两帮都出现了不同程度的塑性破坏，此
时煤巷两帮在塑性区范围的煤体会产生大量的裂
该超出巷帮的卸压带或塑性区范围，但同时又应小于应力峰值点的深度。最终确定亭南矿顺层瓦斯抽
采钻孔的合理封孔深度为 9m。
［关键词］ 顺层钻孔； 抽采瓦斯； 合理封孔深度； 钻屑量； 钻屑瓦斯解吸指标
［中图分类号］ TD712 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2016） 01-0101-04
a roadway excavation. And using the Tecplot software to extract of the roadway coal and rock vertical stress values，and finally get the 期 c stress distribution curve away from roadway at different depths after fitting. According to drilling bits amount，cuttings gas desorption a indexmethod field data，to determine the scope of the seam roadway three stress partition. Through the effect of extraction proof bed炭 in ding reasonable sealing gas drainage drilling depth should be beyond the scope of relief with or plastic zone of two sides roadway，but
t 2. State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control （ Henan Polytechnic University） ，Jiaozuo 454003，China； 网 e 3. The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan，Jiaozuo 454003，China）
金资助项目 （ B2010 － 71） 。
［作者简介］ 黄致鹏 （ 1991 － ） ，男，河南信阳人，在读硕士研究生，主要从事瓦斯地质理论及瓦斯灾害防治技术研究。
［引用格式］ 黄致鹏，魏国营 . 全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 （ 1） ： 101 － 104，100.
［摘 要］ 为了提高亭南矿顺层钻孔抽采瓦斯的效率，基于合理封孔 深 度 的 重 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 性，采 用 FLAC3D 模拟煤巷开挖后围岩塑性区、垂直应力分布情况，并用 Tecplot 软件提取巷帮煤岩垂直应力数
值，拟合后得到距巷帮不同深度的应力分布曲线。根据钻屑法、钻屑瓦斯解吸指标法现场实测数据，
确定出全煤巷道 3 个应力分区的范围。通过抽采效果验证，证明顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度是应
also less than the peak stress point roadway depth. So the rational borehole sealing depth of Tingnanmine is 9m.