煤矿地下瓦斯抽采是采用专用设备和管路把煤层、岩层和采空区中的瓦斯抽出或排出的主要措施，也是井下瓦斯事故防治和瓦斯能源利用的必要举措[1]，主要由钻孔和管路系统2个部分组成。其中，钻孔是整个系统与地层瓦斯接触的源头媒介，钻孔的封孔深度决定其密封程度，进而直接影响着整个系统的效率。封孔深度过长，会造成材料和人工成本的浪费；封孔深度过短则可能导致钻孔漏气，系统效率低下[2-5]。据统计，目前我国矿井瓦斯平均抽采率仅有23%[6]。因此，钻孔合理的封孔深度是从确保高效经济抽采的关键。

1 实验地点概况

实验矿井为华晋焦煤集团沙曲矿，该井目前主采煤层为4号煤层，厚度为2.2～2.7 m，煤层瓦斯含量 7.3～17.82 m3/t，平均 10.34 m3/t，具有煤与瓦斯突出危险性。矿井目前有5条底板岩层抽放巷道（以下称“底抽巷”），用于对上部煤层的大面积网格预抽。测试地点在南翼一号底抽巷，底抽巷钻场、钻孔巷道断面布置示意图如图1。

2 合理封孔深度的确定

2.1 钻场围岩破裂特征研究

2.1.1 围岩塑性区数值计算

以钻场及部分巷道围岩地质条件为研究对象，建立了FLAC3D数值模型，钻场巷围岩主要为砂岩。模型尺寸长（轴向）×宽（径向）×高（埋深）为50 m×50 m×30 m，钻场规格为5 m（宽）×3 m（深）×3 m（高），巷道为4 m（宽）×3 m（高）。模型埋深约为450 m，结合矿方提供的地应力资料，于模型顶面施加12.1 MPa垂直应力，侧面施加14.5 MPa水平地应力，采用 Mohr-Coulomb本构关系计算。巷道及钻场开挖稳定后，对模型计算结果进行分析，得到围岩破裂塑性边界情况，巷道及钻场水平剖面塑性区分布结果如图2。

生理学源自于人体解剖生理学，它是将人体解剖学、生理学、组织胚胎学等科学进行有机融合、重组而形成的一门综合性学科.该学科的前沿发展很快,如何在新的条件下，在创建跨学科、多层次人体解剖生理学教学和实验课的研究与实践中进行教学改革, 就成为当下亟待解决的问题了.另外，在生理学的教学中,既要结合结构来学习功能(与组织胚胎学、解剖学的关系),还要进行正常生理功能和病理现象之间的多层次联系(与病理生理学、药理学、临床医学等之间的关联),这也是生理学课程学习中的重要问题.基于上述原因，本课程存在教与学之间各自所具有不同程度的难点.

  

图1 底抽巷钻场、钻孔巷道断面布置示意图

由图2可以知：巷道部分围岩塑性区分布均匀，最大边界范围达到1.45 m；巷道与钻场交叉处围岩最大塑性区达到2.05 m。

超声波在围岩完整性探测中早有应用[7-9]，结合实际施工条件，实测采用了煤科院生产的BA—Ⅱ型超声波围岩破裂区测定仪对该钻场围岩壁进行了实测研究。测试钻孔布置如图3。

  

图2 巷道及钻场水平剖面塑性区分布结果

实验测试直接得到围岩超声波测试结果曲线（图4）。由图4可知，声波传播时间在孔深1.7～2.1 m处急剧下降，波速增大，可认为围岩壁破碎区边界在1.7～2.1 m位置。

当今电子技术的快速发展使信号发生器在电子线路、科研工程及教学实验中应用广泛。目前，市场上的信号发生器主要包含函数信号发生器、频率合成式信号发生器等。1971年3月，美国学者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold首次提出了直接数字频率合成（DDS-Direct Digital Synthesis）技术[1]。直接数字合成技术（DDS）频率分辨率高，同时有着输出频点多、切换速度快的优点，产生的波形信号稳定、低失真。与传统的信号发生器相对比，具有体积小、价格低、功能齐全、系统稳定的优点。

情境式课堂教学是实现体育高效课堂的常用手段，在实施情境教学时，必须紧紧围绕其教学目标，并充分考虑到学生以及环境的实际情况，进而设计出符合教学需求，与初中学生认知特点相符合的具体情境，让学生可以沉浸在情境之中，不仅获得一定的真实情感，而且能够习得知识与技能。[5]关于初中体育课堂情境教学方案设计及步骤（如图1所示）：

2.1.2 超声波围岩完整性探测

2.2 钻场围岩应力分布特征分析

对各钻孔按封孔深度分组进行分析，各试验钻孔瓦斯抽采监测参数统计见表2。

三国时期的曹丕在《典论·论文》中对文体有一段阐述：“夫文本同而末异，盖奏议宣雅，书论宣理，铭诔尚实，诗赋欲丽。”意思是说，文章本质相同而枝节有所差异，大概奏议应该文雅，书论应该有条理，铭诔注重朴实，诗赋追求华丽。也就是说不同的文体，其作用和特点也是不同的。特定的文体已经规定了用特定的语言、特定的风格、特定的形式去表达。每一种文体都具有其他任何一种体裁所无法取代的功能，以及审美效应。

  

图3 钻场围岩松动破裂区测试钻孔布置图

  

图4 围岩超声波测试结果曲线

由图6可知：随着孔深增长钻进速率下降明显，并在7～8 m深度达到最大，随后略有上升，原因在于该位置围岩抱和导致的卡钻、顶钻、排粉不畅，推断该段位置为应力集中区。

  

图5 钻场围岩体垂直应力水平剖面云图

钻机钻进速率与围岩完整性和应力集中状态紧密联系[10-12]。钻机输出功率及孔径固定的条件下，当钻头经过围岩节理裂隙发育，围岩应力降低的区域时，钻进阻力小，此时钻进速率较高；反之，当钻头经过完整性较好，围岩应力集中区域时，围岩向钻杆抱合倾向性较高，钻机钻进阻力升高，此时钻压升高，钻进速率随之下降。记录单根钻杆连续钻进时间，得到钻进速率曲线（图6）。

卷积神经网络的主要由卷积层、池化层和全连接层组成，如图1如示。卷积层使用卷积核对图像进行卷积操作，用来计算图像特征。在卷积层后面一般紧跟着一个池化层，负责提取图像的主要特征并对图像特征进行压缩。池化层的主要作用是减少数据的规模和计算负荷、降低算法的复杂度。全连接层则负责将前面步骤提取到的特征映射到样本空间进行输出。

2.2.2 钻孔钻进速率分析

以原始垂直应力12.1 MPa为高应力区划分边界，由图5可知：应力增高区的水平边界达到巷道轴线外侧10 m左右位置。其中区域内最大应力超过了20 MPa，集中系数达到1.67。

  

图6 打钻进度曲线

基于图3所建立模型计算结果，得到钻场水平剖面垂直应力等值线云图（图5）。

3 不同封孔深度抽采对比实验

为确定最短合理封深度，设计并实施了3档对比封孔深度：封孔深度5 m（大于松动破碎区2 m，小于应力集中区8 m）；封孔深度10 m（大于应力集中区8 m）；封孔深度15 m（远大于应力集中区8 m），9个测试钻孔形成3条测线，抽采考察钻孔平面布置示意图如图7，试验钻孔基本参数见表1。

  

图7 抽采考察钻孔平面布置示意图

 

表1 试验钻孔基本参数表

  

孔号孔径/mm倾角/（°）钻孔长度/m封孔深度/m 1-1号94 5 142 5 2-1号94 5 142 10 3-1号94 5 140 15 1-2号94 9 80 5 2-2号94 9 82 10 3-2号94 9 82 15 1-3号94 13 56 5 2-3号94 13 54 10 3-3号94 13 56 15

抽采同时对抽采浓度、抽采混合量进行隔天连续观测60 d，共得279组数据，测线1各封孔深度钻孔抽采曲线如图8，测线2各封孔深度钻孔抽采浓度曲线如图9，测线3组各封孔深度钻孔抽采浓度曲线如图10。

  

图8 测线1各封孔深度钻孔抽采曲线

  

图9 测线2各封孔深度钻孔抽采浓度曲线

2.2.1 FLAC3D计算分析

  

图10 测线3组各封孔深度钻孔抽采浓度曲线

由图8～图10可知：①各钻孔抽采初期浓度较高，随着抽采时间增长，抽采浓度呈现负指数衰减趋势下降；②10 m和15 m封孔深度的瓦斯抽采浓度均较高，且差别较小，结合表2统计数据，10 m和15 m抽采“混合量”和“纯量”均差异很小，其中“抽采纯量”差异仅为1.7%；③5 m封孔深度抽采浓度显著低于其余2组，“纯量”低于其余2组的50%，原因在于封孔深度过短，发生风流“漏气短路”情况。

综上可知，仅以围岩破裂边界作为参照标准的“5 m封孔深度钻孔组”抽采效率低，不能取得满意的抽采效果；以应力集中区边界为参照标准的“10 m和15 m封孔深度钻孔组”抽采效果较好，综合封孔过程人力及材料投入，10 m封孔深度更具现实意义，应予以优先考虑应用。

 

表2 各试验钻孔瓦斯抽采监测参数统计

  

封孔深度5 m 封孔深度10 m 封孔深度15 m孔号浓度/%纯量/（L·min-1）混合量/（L·min-1）1-1号13.5 2.74 20.3 1-2号15.1 2.83 18.8 1-3号16.9 2.95 17.52-1号46 6.34 13.8 2-2号50.1 6.41 12.8 2-3号42.4 6.27 14.83-1号50.6 6.42 12.7 3-2号50.3 6.43 13.0 3-3号54.1 6.54 12.1

4 结论

1）研究结果表明：钻场围岩破裂及应力集中边界各方向呈显著差异性，由于巷道及钻场开挖引发的复杂叠加影响，最大深度边界均出现在巷道轴向方向的钻孔抽采壁一侧，分别为2 m和8 m。

2）抽采钻孔浓度降低的原因是多方面的：一方面，随着抽采时间的增长，煤层瓦斯不断抽出，煤层剩余瓦斯含量降低，各个钻孔抽采浓度将均呈现负指数下降趋势，这是钻孔瓦斯抽采的共性；另一方面，不合理的封孔深度将直接引起巷道内空气混入抽采钻孔。因此，最大化提高抽采浓度和抽采效率的关键是合理确定封孔深度。

最后，在推广应用免耕播种技术过程中，农民群众对核心技术的掌握力度不足，免耕播种、秸秆残茬覆盖、免耕或少耕等技术使用存在一定偏差。

3）不同封孔深度的瓦斯抽采对比实验表明，以围岩壁应力集中边界做为穿层抽采钻孔封孔深度可取得更好的实践效果，应优先予以考虑。

参考文献：

［1］ 俞启香，程远平.矿井瓦斯防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2012：3.

［2］ 魏风清，连少朋，张川，等．孟津煤矿顺层抽采钻孔合理封孔深度［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2013，32（6）：686-689．

［3］ 杨磊，朱昱辰，李义敬.瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术研究［J］.煤炭科学技术，2013，41（10）：60-63.

［4］ 魏风清，刘少博.新义矿顺层抽采钻孔合理封孔深度确定和应用［J］.煤炭技术，2014，33（5）：46-49.

［5］ 白明锴.低透气性煤层合理封孔深度研究和实践［J］.煤炭与化工，2013，36（3）：59-61.

［6］ 程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展［J］.采矿与安全工程学报，2009，26（2）：128-139.

［7］ 张晓宇，李者，朱世安.深井软岩巷道围岩松动圈测试及支护技术［J］.煤矿安全，2016，47（5）：94-96.

［8］ 马其华，王宜泰.声波法测试巷道围岩松动圈的现场应用［J］.煤炭工程，2009（8）：103-105.

［9］ 吴涛，戴俊，杜美利，等.基于声波法测试技术的巷道围岩松动圈测定［J］.煤矿安全，2015，46（1）：169.

［10］ 申宏敏，毛桃良，张雷林，等.基于钻屑理论的抽采钻孔合理封孔深度研究［J］.煤矿安全，2014，45（8）：39.

［11］ 田昊，李术才，薛翊国，等.基于钻进能量理论的隧道凝灰岩地层界面识别及围岩分级方法［J］.岩土力学，2012，33（8）：2458-2463.

［12］ 刘少伟，刘栋梁，冯友良，等.应力状态对煤巷顶板锚固孔钻进速度的影响［J］.煤炭学报，2014，39（4）：608-612.