基于FLAC3D的“三軟”煤層瓦斯抽采鉆孔成孔技術分析

（六盤水師范學院礦業與機械工程學院，貴州六盤水市，553004）張洲碩雷航楊付領

六盤水礦區為我國高突瓦斯礦區之一，普遍存在“三軟”煤層。目前，“三軟”煤層的瓦斯抽采鉆孔成孔技術是國內很多煤礦需要解決的影響煤礦安全生產的問題之一[1]。

針對瓦斯抽采鉆孔成孔問題，國內學者研究較多，取得了一定的成果。尹振林[2]認為影響圍巖結構穩定性的內聚力，其具有動態變化的特點，對鉆孔過程中煤體的膠結強度及抗剪強度有著一定要求。李彬等[3]認為在鉆孔施工過程中，煤(巖)層的原始結構狀態因鉆孔施工造成破壞，孔壁的不穩定性增加，從而導致孔內卡鉆、擁堵、縮頸。韋瑞敏[4]認為決定鉆孔變形的因素是鉆孔所受的應力和強度，當煤層強度一定時，鉆孔的變形只與所受的應力有關。袁振春[5]認為深部開采煤層應力大，結構松軟的煤層在鉆孔周圍發生蠕變甚至塌孔，加之孔徑管徑比值較小，故在下護孔管過程中阻力較大，致使護孔管無法下達到孔底。本文在現有研究基礎之上，對不同埋深下的煤層的瓦斯抽放鉆孔的應力和位移進行模擬分析，從而為成孔提供理論指導。

1 地質概況

六盤水礦區在大地構造之中處于揚子板塊的西南邊緣，主要受到揚子板塊的控制。整個六盤水礦區主要處于上古生界及三疊系共同組成的褶皺區內，區內向斜構造主要以短軸向斜為主，區內褶曲構造為楊梅樹向斜次一級褶曲妥倮向斜，其北段褶皺樞紐呈北北東向，其南段褶皺樞紐呈北北西向，呈弧形延伸，區內主要發育有北西向構造，北東向構造和近東西向構造，地質構造程度屬于中等復雜[6]。

六盤水礦區“三軟”煤層多為高瓦斯礦井，瓦斯作為阻礙煤礦生產安全的主要因素，所謂“三軟煤層”是指“軟頂、軟煤層、軟底板”，具有不穩定低透氣性、不穩定頂板、軟煤層、堅固性系數小、瓦斯運移規律復雜等特點。低滲透煤層占絕大多數。但煤層埋深越大，瓦斯地質的條件也就越復雜多變，就會造成瓦斯治理變得困難。

2 數值計算模型建立

FLAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的拓展，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動后，網格能夠相應發生變形和移動。

采用flac3d模擬軟件進行模擬，三維模型范圍30m×42m×70m，取工作面走向方向為y方向（y=30）、豎直方向為z方向（z=42）、鉆孔鉆進方向為x方向（x=70）。模型煤層上面巖層厚度為21m，代表煤層到地表的距離，模型四個側面施加相同的水平應力。隨著煤層埋藏深度改變而改變，整個模型外部位移均固定。選取鉆孔直徑為94mm，鉆孔長度為60m。模型共計161472個單元。采用位移邊界條件進行約束，模型左右、前后、底部均不發生位移。

3 數值計算結果

3.1 應力分析

圖1 豎直方向煤體應力圖

圖2 水平方向煤體應力圖

埋深為200m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應力作用下的水平位移為10.2mm。埋深為400m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應力的作用下的水平位移為20.1mm。埋深為600m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應力作用下的水平位移為37.7mm。埋深為800m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應力的水平位移為40.2mm。受地應力的作用之下，整個鉆孔的變形幾乎接近了整個鉆孔直徑的一半，很明顯的影響到了鉆孔的成孔，嚴重的影響到了瓦斯的抽采管路系統的形成。

3.2 位移分析

圖3 順層狀態下煤體位移圖

圖4 順層狀態下煤體位移圖

埋深為200m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為9.36mm、水平應力作用下的水平位移為10.2mm。埋深為400m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為17.7mm、水平應力的作用下的水平位移為20.1mm。埋深為600m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為34.5mm、水平應力作用下的水平位移為37.7mm。埋深為800m時鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為36.4mm、水平應力的作用下的水平位移為40.2mm。

受地應力的作用之下，很明顯的影響到了鉆孔的成孔，嚴重的影響到了瓦斯的抽采管路系統的形成。證明在“三軟”煤層順煤層中進行鉆孔時，要充分考慮到煤層上覆巖層地應力的影響，考慮煤層是否能夠承受煤層的穩定性被破壞之后的應力重新分布，煤層是否能夠承受住地應力重新分布。確保瓦斯抽放管路的形成，確保瓦斯抽放鉆孔很好的成孔，要對已經開挖的鉆孔進行支護，確保鉆孔的成孔效率。

4 鉆孔塌孔的原因分析

塌孔在三軟煤層中這種現象經常發生，針對塌孔，在經行鉆探時未分清層巖性的變化，未進行鉆孔大小和沖洗液的即使更替,由于地層的巖層硬度，遇到軟巖時時常發生聚集的巖粉無法即使排除；[7]當鉆孔長距離披露煤層時，常會致使塌孔，從而出現抱鉆事故；[8]鉆孔通過地質構造變化帶時將破壞煤巖或較硬的巖層，形成“鉆洞”，致使堵孔現象出現[9]。

通過本文的模擬分析，認為六盤水礦區的塌孔成因是“三軟”煤層由于頂板、底板性以及煤層巖性都相對較軟，在本煤層中進行順煤層瓦斯抽放鉆孔的鉆進時，鉆孔在回采工作面回風巷和運輸巷進行打鉆布置，原有的煤層在長期的地質作用條件下已經處于了一個平衡狀態，煤層處于一個平穩的狀態不會發生失穩[10]。而當進行瓦斯抽放鉆孔的鉆進時，由于鉆孔的形成就會對本身已經形成的平衡被打破，出現應力集中現象，出現二次應力的重新分布，由于煤層、頂板、底板巖性都比較軟，這就導致了出現煤層頂板無法承受上覆巖層附加的地應力，底板無法承受下部變形造成的鼓包，煤層本身無法承受水平地應力造成的擠壓，從而使得鉆孔發生破裂變形，造成鉆孔的坍塌。

5 結論

本文運用FLAC3D對礦區“三軟”煤層抽采鉆孔模擬分析，三軟煤層由于煤層比較松軟，鉆孔很容易出現變形或者是塌孔等現象，這樣不僅會導致瓦斯抽采率降低，而且還會增加煤層瓦斯抽采的難度，從而增加了采掘工程的資金投入，使瓦斯抽采達不到合格的標準規定。所以說要想保證煤層中瓦斯的抽采率，就得必須提高鉆孔在煤層中的穩定性?？紤]到經濟、實用、操作簡單的基礎，比較系統地研究了在“三軟”煤層中鉆孔成孔的技術，在煤層鉆孔形成之后通過模擬軟件馬上下入套管，支護模擬效果比較顯著，適用于六盤水礦區，為在“三軟”煤層中鉆孔成孔提供了指導意義。建議本礦區瓦斯抽采鉆孔采用篩管護孔技術。在加入套管進行支護后鉆孔的位移量出現明顯的減小，支護效果顯著。由此可以看出在打鉆孔進行瓦斯抽采過程中下套管，能夠在一定程度上解決煤層中瓦斯濃度過高的問題。