軟煤層鉆孔穩(wěn)定性的影響因素分析

崔樹軍

(山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部,山西 晉城 048006)

目前,高瓦斯、高地應(yīng)力和沖擊地壓問題,已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要瓶頸。煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽是區(qū)域性防突和局部性防突的主要措施之一[1-2]。煤層鉆孔的成孔質(zhì)量決定著瓦斯抽采的效率。許勝軍[3]通過D-P準(zhǔn)則和UDEC模擬方法,研究了節(jié)理密度對鉆孔穩(wěn)定性的影響；霍留鵬[4]基于彈塑性理論建立鉆孔力學(xué)模型,對煤層鉆孔損傷區(qū)半徑理論進(jìn)行了研究；郭恒[5]通過彈塑性力學(xué)模型研究了鉆孔孔壁的失穩(wěn)機(jī)理；王振[6]基于掘進(jìn)工作面防突鉆孔失穩(wěn)力學(xué)模型,分析了鉆孔孔底及孔壁附近煤體的破壞形式及失穩(wěn)特征。

由于煤層中存在高應(yīng)力集中,開采時會發(fā)生不可預(yù)知的災(zāi)害。采用水力沖孔可對煤層起到卸壓增透效果,能有效降低事故的發(fā)生率。煤的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力等因素對水力沖孔的卸壓范圍都起到了很大的影響[7]。李超[8]采用FLAC3D軟件建立水力沖孔模型,研究了煤層在水力沖孔后的卸壓增透機(jī)理。鉆孔卸壓不僅僅只適用于煤層瓦斯的抽采過程,對于軟煤層開采后巷道實施卸壓鉆孔,可有效減小巷道圍巖的變形量,改善其支護(hù)狀況[9]。李兵[10]研究發(fā)現(xiàn)松軟煤層中巷道兩幫的變形破壞和頂板離層形成交互循環(huán)影響。

學(xué)者們對于鉆孔穩(wěn)定性已做了諸多相關(guān)研究,但針對于軟煤層中鉆孔在不同埋深、不同鉆孔直徑、不同側(cè)壓系數(shù)以及花管支護(hù)等條件下的穩(wěn)定性分析研究較少。本文以胡底礦煤體力學(xué)參數(shù)為依據(jù),基于煤體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,采用FLAC3D軟件建立相關(guān)模型,分析了不同條件下鉆孔的破壞情況。結(jié)果表明:埋深越大、鉆孔直徑越大以及側(cè)壓系數(shù)越大,鉆孔的穩(wěn)定性越差;花管支護(hù)能有效抑制鉆孔圍巖變形,提高鉆孔穩(wěn)定性,提高瓦斯抽采效率。

1 礦井地質(zhì)條件

胡底礦位于沁水煤田東側(cè),井田主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組。可采的3#、15#煤層均屬高變質(zhì)的無煙煤,煤質(zhì)穩(wěn)定,煤種單一。3#煤層:位于山西組下部,埋深808.8 m,上距下石盒子組底砂巖(K8)31.74～42.33 m,下距太原組K6灰?guī)r10.51～14.95 m,層厚5.20～6.15 m,平均5.67 m,煤的堅固性系數(shù)f<1.5,屬較軟煤巖。細(xì)條帶狀,玻璃光澤,亮煤為主,鏡煤次之,光亮型,厚度變異系數(shù)0.06,煤層穩(wěn)定,可采系數(shù)100%。煤層結(jié)構(gòu)簡單,夾矸0～1層,厚0.05～0.39 m;直接頂板為黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,厚0.5～2.0 m;底板為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,厚0.5～3.0 m。

2 鉆孔仿真數(shù)值模型

英國的Peter Cundall博士于20世紀(jì)70年代開發(fā)了FLAC3D軟件,采用有限差分的方法來分析巖土工程中的問題。FLAC3D軟件自帶有彈性模型、塑性模型及Null模型,可以建立不同受力狀態(tài)下的巖石模型。為分析軟煤層中鉆孔的變形破壞特征,本文以胡底礦3#煤力學(xué)參數(shù)為依據(jù),基于煤體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,采用FLAC3D軟件建立相關(guān)模型,分析研究不同埋深、不同鉆孔直徑、不同側(cè)壓系數(shù)以及花管支護(hù)等因素下鉆孔的破壞情況。煤體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 胡底礦3#煤力學(xué)參數(shù)

為避免邊界效應(yīng)的影響,建立長×寬×高=2 m×2 m×1 m的數(shù)值模型,鉆孔位于模型中部,采用Null單元模擬鉆孔開挖。模型邊界條件:模型底部設(shè)置為豎直位移方向,左側(cè)、右側(cè)和前、后部方向設(shè)置為法向位移約束邊界,模型上部采用均布載荷代替上覆巖層自重,數(shù)值分析仿真模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值分析仿真模型

3 軟煤層鉆孔影響因素研究

3.1 埋深對鉆孔穩(wěn)定性的影響

當(dāng)鉆孔的直徑為100 mm,在埋深分別為200 m、400 m、800 m時的鉆孔破壞垂直位移云圖及位移曲線如圖2所示。由圖2可知,鉆孔成孔后由于卸壓效應(yīng),頂、底部煤體產(chǎn)生徑向移動，鉆孔最大位移均發(fā)生在頂部。埋深為200 m、400 m、800 m時,鉆孔的最大垂直位移分別為9.27 mm、21.42 mm、59.675 mm;埋深400 m的位移是200 m時的2.3倍,埋深800 m的位移是200 m時的6.4倍。分析可知,鉆孔垂直破壞位移隨埋深的增加而增加。

(a)埋深200 m

鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨鉆孔埋深的變化如圖3所示。埋深為200 m、400 m、800 m時,鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍分別為鉆孔半徑的2倍、3倍、5倍;400 m、800 m埋深下的鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍其垂直方向大于水平方向。分析可知,鉆孔成型后周圍出現(xiàn)卸壓區(qū),煤體發(fā)生移動,隨埋深的增加塑性區(qū)范圍增大。

圖3 鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨鉆孔埋深的變化

3.2 鉆孔直徑對鉆孔穩(wěn)定性的影響

圖4為埋深400 m時,不同直徑的鉆孔破壞垂直位移云圖及位移曲線。由圖4可知,鉆孔直徑分別為50 mm、100 mm、150 mm時,鉆孔最大垂直位移分別為5.94 mm、21.95 mm、59.675 mm;當(dāng)直徑由50 mm增加至150 mm時,位移增加10倍。分析可知,鉆孔直徑會影響軟煤鉆孔的變形情況,鉆孔頂部垂直位移隨著直徑的增大而增大;隨著鉆孔直徑的增加,對煤體的擾動作用也增強(qiáng)。

(a)D=50 mm

鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨鉆孔直徑的變化情況如圖5所示,當(dāng)直徑分別為50 mm、100 mm、150 mm時,塑性區(qū)范圍分別為半徑的2倍、4倍、6倍。分析可知,鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨著鉆孔直徑的增大呈增加趨勢;當(dāng)鉆孔直徑小于100 mm時,塑性區(qū)范圍增加緩慢;直徑大于100 mm時,鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍增加顯著。

圖5 鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨鉆孔直徑的變化

3.3 側(cè)壓系數(shù)對鉆孔穩(wěn)定性的影響

當(dāng)埋深400 m,鉆孔直徑為100 mm時,不同側(cè)壓系數(shù)下鉆孔破壞垂直位移位移云圖及位移曲線如圖6所示,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ=0.5,1.0,2.0時,鉆孔最大垂直位移分別為12.44 mm、19.05 mm、44.83 mm。分析可知,隨著側(cè)壓系數(shù)的增加,鉆孔最大垂直位移量也隨之增加。在地應(yīng)力較高地區(qū)進(jìn)行鉆孔施工,因鉆孔受力不均,易產(chǎn)生應(yīng)力集中,影響鉆孔的穩(wěn)定性。

(a)λ=0.5

圖7為側(cè)壓系數(shù)分別為λ=0.5,1.0,2.0時,鉆孔埋深400 m,直徑100 mm時的鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍變化云圖。由圖7可以知,當(dāng)λ=0.5時,鉆孔塑性區(qū)范圍沿水平方向較大;當(dāng)λ=1.0時,鉆孔塑性區(qū)范圍呈對稱分布;當(dāng)λ=2.0時，塑性區(qū)范圍顯著增加。分析可知,側(cè)壓系數(shù)λ越大,鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍越大,頂?shù)装遄畲笃茐纳疃入S著側(cè)壓系數(shù)的增大而增加。

圖7 鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨側(cè)壓系數(shù)的變化

4 花管對鉆孔的支護(hù)效果分析

軟煤層鉆孔承載力差,鉆孔所處的應(yīng)力環(huán)境、煤體結(jié)構(gòu)、孔隙壓力、鉆進(jìn)工藝等是影響鉆孔穩(wěn)定性的重要因素。為防止鉆孔變形、塌孔等現(xiàn)象影響瓦斯的抽采效率,對成型后的鉆孔進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)是必要的。鉆孔支護(hù)方式有多種,例如對孔壁表面噴灑泡沫混凝土泥漿，該方法對技術(shù)要求相對較高,尤其是對鉆頭和鉆桿的要求。采用花管支護(hù)技術(shù)就顯得相對成熟且簡單，便于操作。

花管有普通花管和內(nèi)支撐花管兩種,內(nèi)支撐花管相比于普通花管，支護(hù)效果更好,但其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本也更高。因此本文選用彈性模量為0.7 GPa,泊松比為0.3,管壁厚度3 mm的PVC材質(zhì)普通花管,借助FLAC3D軟件建立花管支護(hù)鉆孔模型,如圖8所示。通過定量煤體參數(shù)、位移約束條件等各項影響因素,對比埋深400 m、鉆孔直徑100 mm時,花管支護(hù)和未支護(hù)兩種情況下鉆孔的變形破壞情況,分析研究花管對鉆孔的支護(hù)效果。

圖8 花管支護(hù)鉆孔模型

不同支護(hù)條件下鉆孔破壞垂直位移云圖及位移曲線如圖9所示。由圖9可知,兩種形式下鉆孔頂部垂直位移均最大,且垂直位移均遠(yuǎn)大于水平方向的位移;無支護(hù)時鉆孔垂直最大位移量為21.42 mm,進(jìn)行花管支護(hù)時垂直最大位移量為3.27 mm,相比于未支護(hù)時減小了6.6倍。分析可知,相比于未支護(hù)的鉆孔,花管能對鉆孔起到很好的支護(hù)作用,減小鉆孔變形,提高成孔質(zhì)量,保證瓦斯抽采效率。

(a)未支護(hù)

鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨支護(hù)條件的變化如圖10所示。分析可知,未支護(hù)時鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍是鉆孔半徑的4倍,花管支護(hù)下的鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍是鉆孔半徑的1倍。由此可知,在鉆孔內(nèi)安置花管可有效地減小圍巖塑性區(qū)范圍,能較好地抑制圍巖變形,為瓦斯的順利抽采創(chuàng)造條件。

未支護(hù)

5 結(jié)論

煤層受地應(yīng)力、自身強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響,在軟煤層中鉆孔進(jìn)行瓦斯的抽采,成孔后會破壞原始煤層的應(yīng)力平衡狀態(tài),鉆孔周圍應(yīng)力重新分布,造成應(yīng)力集中。煤巖承受的應(yīng)力超過所能支撐的最大荷載時,鉆孔就會失穩(wěn)。本文通過分析研究不同埋深、不同鉆孔直徑、不同側(cè)壓系數(shù)以及有無花管支護(hù)等條件下的鉆孔破壞特征,得出以下結(jié)論。

1)埋深400 m時的最大位移量是埋深200 m時的2.3倍,埋深800 m時的最大位移量是埋深200 m時的6.4倍;在埋深400 m情況下,鉆孔直徑由50 mm增加到150 mm時,鉆孔最大位移量增加10倍,鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍增加9倍。由此可知,軟煤層鉆孔破壞垂直位移隨埋深的增加而增大,鉆孔直徑越大鉆孔圍巖變形越大,變形過大會影響瓦斯的抽采效率。

2)側(cè)壓系數(shù)λ=1時的鉆孔最大垂直位移量為λ=0.5時的1.5倍,側(cè)壓系數(shù)λ=2時的鉆孔最大垂直位移量為λ=0.5時的3.6倍;隨著側(cè)壓系數(shù)的增加,鉆孔垂直位移量增加,圍巖塑性區(qū)范圍也增加,側(cè)壓系數(shù)越大鉆孔的穩(wěn)定性越差,瓦斯的抽采效果越差。

3)花管支護(hù)下的鉆孔垂直位移量相比于未支護(hù)時減小6.6倍,圍巖塑性區(qū)范圍減小4倍。結(jié)果表明,花管支護(hù)可有效減小鉆孔破壞深度,抑制鉆孔圍巖變形,保證鉆孔穩(wěn)定性，提高瓦斯抽采效率。