基于瓦斯抽采效果的鉆孔塑性區(qū)范圍模擬及應(yīng)用

李健威，梁文勖，付 巍

（1.中國(guó)神華能源股份有限公司神東煤炭分公司，陜西 榆林 719315；2．中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3．煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

瓦斯事故具有強(qiáng)大的毀滅性，事故的發(fā)生具有不可逆轉(zhuǎn)性，損傷巨大[1-2]。因此，高瓦斯礦井在瓦斯災(zāi)害防治方面投入了大量的人力和物力。現(xiàn)階段，遏制瓦斯災(zāi)害最為有效的方法為瓦斯抽采[3-4]，然而瓦斯抽采鉆孔在瓦斯抽采工作中扮演著重要角色，掌握不同孔徑鉆孔周圍塑性區(qū)的演化過(guò)程具有重要的工程價(jià)值[5-6]。在礦井瓦斯抽采工作中，針對(duì)穿層鉆孔[7-9]、順層鉆孔[10-12]和定向鉆孔[13-15]等不同種類的瓦斯抽采鉆孔的研究與應(yīng)用成果層出不窮，為礦井瓦斯的治理工作做出了重要貢獻(xiàn)。然而利用鉆孔法抽采瓦斯的過(guò)程中，為了提高瓦斯抽采率，并且避免遺留瓦斯抽采空白帶，必須掌握瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑。

眾多學(xué)者對(duì)不同類型瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑進(jìn)行研究[16-20]，為礦井的瓦斯抽采鉆孔的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。由于不同礦井地質(zhì)條件不盡相同，瓦斯抽采鉆孔在施工過(guò)程中，鉆孔周圍裂隙的發(fā)育及演化方式不同，而不同孔徑的瓦斯抽采鉆孔對(duì)孔周塑性區(qū)的影響不同。因此，以數(shù)值模擬的方式研究了不同孔徑鉆孔周圍塑性區(qū)分布特征，得到不同孔徑鉆孔周圍塑性區(qū)寬度，同時(shí)在礦井下未開(kāi)展瓦斯抽采工作的新掘巷道進(jìn)行試驗(yàn)，研究塑性區(qū)寬度對(duì)瓦斯抽采效果的影響，從而為礦井瓦斯抽采工作提供一定的指導(dǎo)意義。

1 鉆孔塑性區(qū)分布特征模擬

1）模型煤層參數(shù)。以山西某礦的地質(zhì)資料為依托開(kāi)展數(shù)值模擬試驗(yàn)，模型尺寸為5 m×3.09 m，鉆孔尺寸分別為75、87、94、105、113 mm，鉆孔位于模型形心位置。模型左右兩邊設(shè)為輥支承邊界，底邊設(shè)為固定約束邊界，模型設(shè)置鉆孔前后都設(shè)置重力和體載荷，以表示原始應(yīng)力。開(kāi)采煤層的相關(guān)物理參數(shù)如下：楊氏模量1 280 MPa，泊松比0.3，密度1 450 kg/m3，黏聚力0.65 MPa，內(nèi)摩擦角20.7°。

2）模型建立。采用自由三角形網(wǎng)格劃分方法。最大網(wǎng)格尺寸為0.15 m，最小網(wǎng)格尺寸為0.001 5 m。數(shù)值模型如圖1。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2 模擬結(jié)果

2.1 孔周應(yīng)力分布特征

孔徑為75、87、94、105、113 mm的5種瓦斯抽采鉆孔施工時(shí)，模擬得到的不同孔徑鉆孔切向應(yīng)力分布如圖2。

圖2 不同孔徑鉆孔切向應(yīng)力分布Fig.2 Tangential stress distribution of boreholes with different apertures

瓦斯抽采鉆孔施工時(shí)，在打鉆擾動(dòng)應(yīng)力的影響下，鉆孔四周的煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)逐漸被打破，開(kāi)始產(chǎn)生膨脹變形。由圖2可知，鉆孔施工時(shí)，由里向外，依次產(chǎn)生3個(gè)區(qū)域，最里面的為塑性區(qū)，接下來(lái)為彈性區(qū)，最外面由于應(yīng)力沒(méi)有改變，與原始應(yīng)力相同，即原始應(yīng)力區(qū)。

為了明確不同孔徑鉆孔施工時(shí)切向應(yīng)力的變化規(guī)律，模擬研究了距離施工鉆孔中心不同距離時(shí)鉆孔切向應(yīng)力的變化趨勢(shì)，不同孔徑鉆孔切向應(yīng)力曲線如圖3。

由圖3可知，5種鉆孔周圍的切向應(yīng)力的分布依次經(jīng)歷了應(yīng)力急劇升高、應(yīng)力緩慢降低直至應(yīng)力平衡的過(guò)程。孔徑為75 mm的鉆孔施工時(shí)，距離鉆孔中心55.71 mm時(shí)，切向應(yīng)力最大，其最大值為1.746 12 MPa；孔徑為87 mm的鉆孔施工時(shí)，距離鉆孔中心68.04 mm時(shí)，切向應(yīng)力最大，其最大值為1.731 84 MPa；孔徑為94 mm的鉆孔施工時(shí)，距離鉆孔中心79 mm時(shí)，切向應(yīng)力最大，其最大值為1.702 49 MPa；孔徑為105 mm的鉆孔施工時(shí)，距離鉆孔中心80.14 mm時(shí)，切向應(yīng)力最大，其最大值為1.746 12 MPa；孔徑為113 mm的鉆孔施工時(shí)，距離鉆孔中心87.67 mm時(shí)，切向應(yīng)力最大，其最大值為1.734 22 MPa。即鉆孔孔徑越大，孔周應(yīng)力最大值點(diǎn)距離鉆孔中心的距離越遠(yuǎn)。

圖3 不同孔徑鉆孔切向應(yīng)力曲線Fig.3 Tangential stress curves of boreholes with different apertures

2.2 孔周塑性區(qū)分布特征

孔徑為75、87、94、105、113 mm的5種瓦斯抽采鉆孔施工時(shí)，模擬得到的不同孔徑鉆孔塑性區(qū)范圍分布如圖4。

圖4 不同孔徑鉆孔塑性區(qū)范圍分布Fig.4 Distribution of plastic zone in different boreholes

由圖4可知，隨著鉆孔尺寸由75 mm向113 mm增大的過(guò)程中，鉆孔四周塑性區(qū)覆蓋范圍也有了進(jìn)一步的增大，若單方面考慮瓦斯抽采，則鉆孔尺寸越大，對(duì)孔周的卸壓效果越好，從而瓦斯的抽采效果越顯著。參考谷旺鑫等[21]研究得到的鉆孔周圍塑性區(qū)范圍基本模型如下。

煤體步入塑性階段時(shí)滿足式（1）：

式中：σr為切向應(yīng)力；σθ為徑向應(yīng)力；C為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

塑性區(qū)切向、徑向應(yīng)力滿足式（2）：

式中：r為微分元半徑；a為鉆孔半徑。

塑性區(qū)半徑RP滿足式（3）：

式中：RP為塑性區(qū)半徑；p為原巖應(yīng)力。

為了掌握不同孔徑鉆孔施工時(shí)有效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律，研究了距離鉆孔中心不同距離時(shí)有效塑性應(yīng)變的變化趨勢(shì)，不同孔徑鉆孔有效塑性應(yīng)變曲線如圖5。不同孔徑鉆孔塑性區(qū)寬度見(jiàn)表1。

圖5 不同孔徑鉆孔有效塑性應(yīng)變曲線Fig.5 Effective plastic strain curves of drilling holes with different diameters

表1 不同孔徑鉆孔塑性區(qū)寬度Table 1 Plastic zone width of different boreholes

由圖5可知，鉆孔孔徑由75 mm向113 mm增大的時(shí)候，孔周有效塑性應(yīng)變降低至0的距離（距離鉆孔中心）越遠(yuǎn)。由表1可以看出，孔徑越大，塑性區(qū)寬度越寬，即鉆孔四周的卸壓范圍越廣，說(shuō)明將會(huì)有更多的吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯，從而導(dǎo)致煤層瓦斯抽采半徑增大，降低了瓦斯超限隱患，將更有利于工作面瓦斯治理工作。

3 塑性區(qū)寬度對(duì)瓦斯抽采效果影響

為了探索塑性區(qū)寬度對(duì)瓦斯抽采效果的影響，在該礦新掘的尚未進(jìn)行瓦斯抽采的巷道內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，研究鉆孔塑性區(qū)寬度分別為67.3、77.0、86.0、96.3、104.4 mm時(shí)的瓦斯抽采效果。在該巷道施工5種塑性區(qū)寬度的鉆孔，每個(gè)塑性區(qū)寬度的鉆孔為1組，每組施工5個(gè)鉆孔，鉆孔的組間距為10 m，鉆孔封孔后，每組5個(gè)鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采，記錄30 d內(nèi)5組鉆孔的相關(guān)抽采數(shù)據(jù)。

收集記錄30 d內(nèi)5組鉆孔的混合流量、體積分?jǐn)?shù)和純流量，并對(duì)其取平均值，瓦斯抽采參數(shù)如圖6。

圖6 瓦斯抽采參數(shù)Fig.6 Gas drainage parameters

由圖6可知，塑性區(qū)寬度從67.3 mm變化到104.4 mm時(shí)，混合流量由0.057 m3/min上升到了0.259 m3/min；純流量由0.034 m3/min上升到了0.186 m3/min；瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)由42.77%上升到了76.91%。塑性區(qū)寬度變大時(shí)，鉆孔周圍的卸壓效果趨好，瓦斯抽采效果可顯著提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）在鉆孔擾動(dòng)影響下，孔周產(chǎn)生膨脹變形，且由里向外，依次產(chǎn)生塑性區(qū)、彈性區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。

2）5種鉆孔周圍的切向應(yīng)力的分布依次經(jīng)歷了應(yīng)力急劇升高、應(yīng)力緩慢降低直至應(yīng)力平衡的過(guò)程，且鉆孔孔徑越大，孔周應(yīng)力最大值點(diǎn)距離鉆孔中心的距離越遠(yuǎn)。

3）孔徑越大，塑性區(qū)寬度越寬，即鉆孔四周的卸壓范圍越廣，以吸附態(tài)存在的瓦斯將會(huì)更多地解析為游離態(tài)，引起瓦斯抽采半徑的擴(kuò)大，利好于工作面瓦斯治理工作。

4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明鉆孔的塑性區(qū)寬度變大時(shí)，鉆孔周圍的卸壓范圍增大，使得瓦斯抽采效果顯著提升。