水平應(yīng)力影響下底抽巷道抽采孔布設(shè)位置研究

李朋宇

（鄭煤集團(tuán)工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450042）

煤礦瓦斯抽采不僅能減少瓦斯涌出、預(yù)防瓦斯超限，還能降低煤層中存儲(chǔ)的瓦斯能量，起到防治煤與瓦斯突出的作用，因此采用井下鉆孔預(yù)抽瓦斯是防治煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的主要措施[1-3]。但同一底抽巷道因受垂直應(yīng)力和不同水平應(yīng)力影響導(dǎo)致抽采孔出現(xiàn)不同程度的擠壓變形、坍塌，這極大降低了瓦斯抽采效率，嚴(yán)重限制了礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)進(jìn)程[4-5]。所以開展不同水平應(yīng)力影響下底抽巷道圍巖變形破壞規(guī)律研究，對(duì)明晰底抽巷道圍巖破碎情況，尋求最佳打鉆施工位置，從而有效提高瓦斯抽采孔使用壽命和瓦斯抽采量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

諸多學(xué)者針對(duì)巷道圍巖所處不同地應(yīng)力環(huán)境下變形破壞規(guī)律開展了大量研究[6-7]，根據(jù)不同的地應(yīng)力環(huán)境提出了圍巖控制方法，為研究奠定了一定基礎(chǔ)。在瓦斯抽采孔穩(wěn)定性研究方面，部分學(xué)者對(duì)鉆孔失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行分析[8-9]，并提出了相應(yīng)的孔壁穩(wěn)定技術(shù)措施[10]，但較少學(xué)者從底抽巷道所處不同水平應(yīng)力入手，探究抽采孔打鉆較優(yōu)位置的選取，從而提高抽采孔穩(wěn)定性，保障瓦斯高效抽采。

該文以鄭州煤業(yè)集團(tuán)告成煤礦底抽巷道為研究對(duì)象，通過建立FLAC3D模型對(duì)不同水平應(yīng)力影響下底抽巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行分析，獲得了巷道圍巖不同位置的破壞程度，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同位置鉆孔開展的變形監(jiān)測(cè)與裂紋分布監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的試驗(yàn)結(jié)果，并基于以上研究提出了最佳鉆孔位置選取的建議對(duì)策。研究結(jié)果可為類似地質(zhì)條件的工程現(xiàn)場(chǎng)提供一定借鑒。

1 數(shù)值模擬模型與步驟

1.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)對(duì)稱性原則，以巷道中心線為對(duì)稱軸建立FLAC3D底抽巷道數(shù)值模型，模型如圖1 所示。模型長(zhǎng)60 m，寬60 m，高40 m，在模型中心位置開挖巷道，巷道長(zhǎng)60 m，寬4.8 m，高3.2 m，上覆巖層單位體積質(zhì)量為0.025 MN/m3，采用應(yīng)變軟化力學(xué)模型并在模型的四周與底部邊界設(shè)定位移限定邊界。在模型頂部施加垂直應(yīng)力，在模型四周施加水平應(yīng)力以模擬不同的地應(yīng)力環(huán)境。為了保證實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)巖石力學(xué)參數(shù)的真實(shí)性、模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，采用基于Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體強(qiáng)度分析軟件Roclab，以告成煤礦巖體力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)文中全部數(shù)值模擬部分的分析以及理論計(jì)算所涉及的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行確定。模型自上而下所施加的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型示意圖（m）

在現(xiàn)場(chǎng)工程中，由于同一底抽巷道所處的埋深基本保持一致，因此對(duì)于同一底抽巷道而言其受垂直應(yīng)力的影響基本相同，而同一巷道所處不同位置的地質(zhì)構(gòu)造差異，導(dǎo)致水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的影響顯著不同。為了較好地模擬這一工程應(yīng)力環(huán)境，通過對(duì)模型施加相同大小的垂直應(yīng)力以及不同大小的水平應(yīng)力開展底抽巷道圍巖穩(wěn)定性分析。施加的垂直應(yīng)力大小為15 MPa，設(shè)置的4 組水平應(yīng)力大小分別為12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa。

1.2 數(shù)值模擬步驟

數(shù)值模擬具體步驟：1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程條件建立相應(yīng)尺寸和層位的數(shù)值模擬模型；2）對(duì)模型不同層位賦予不同的巖體力學(xué)參數(shù)，并在模型頂部施加上覆巖層質(zhì)量，使數(shù)值模型達(dá)到自重應(yīng)力作用下的平衡狀態(tài)，并得到原巖應(yīng)力場(chǎng)；3）設(shè)置邊界條件，根據(jù)研究目的，對(duì)模型施加一定的垂直應(yīng)力及不同的水平應(yīng)力；4）開挖底抽巷道，平衡后得到圍巖應(yīng)力重分布狀態(tài)。5）根據(jù)試驗(yàn)需要提取相關(guān)巷道變形、塑性破壞等數(shù)據(jù)。

2 不同水平應(yīng)力下巷道圍巖變形破壞規(guī)律

巷道圍巖變形量和破壞程度是反映巷道圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，因此在數(shù)值模擬試驗(yàn)后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)底抽巷道圍巖變形的監(jiān)測(cè)分析，在巷道頂板從左至右均勻設(shè)置了9 個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。巷道圍巖塑性破壞程度分析主要從破壞范圍和破壞比率兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同水平應(yīng)力下巷道圍巖變形破壞規(guī)律的定量分析。

2.1 不同水平應(yīng)力下巷道圍巖變形規(guī)律

不同水平應(yīng)力影響下底抽巷道頂、底板變形規(guī)律如圖2 所示。由圖2 可知，巷道頂板變形量與水平應(yīng)力大小呈正相關(guān)關(guān)系，巷道頂板中心位置的變形量明顯大于兩側(cè)的變形量。當(dāng)水平應(yīng)力由12 MPa增長(zhǎng)至21 MPa 的過程中，巷道頂板最大下沉量由7.17 mm 增長(zhǎng)到29.68 mm，增加了3.14 倍。這表明在高水平應(yīng)力區(qū)域下巷道圍巖破壞嚴(yán)重，因此在底抽巷道布設(shè)抽采鉆孔時(shí)，需盡可能避開高水平應(yīng)力區(qū)域，以降低因圍巖破碎導(dǎo)致抽采鉆孔失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不同水平應(yīng)力下底抽巷道頂板變形規(guī)律

2.2 不同水平應(yīng)力下巷道圍巖破壞規(guī)律

為了探究水平應(yīng)力對(duì)底抽巷道圍巖破壞范圍的影響，通過提取4 個(gè)不同水平應(yīng)力條件下的塑性破壞進(jìn)行分析。不同水平應(yīng)力下底抽巷道塑性破壞分布特征如圖3 所示。

圖3 不同水平應(yīng)力下底抽巷道塑性破壞分布特征

由圖3 可知，在該工況環(huán)境下水平應(yīng)力對(duì)底抽巷道圍巖塑性破壞的影響顯著，尤其是對(duì)頂板的影響十分強(qiáng)烈。巷道頂板的塑性破壞范圍由水平應(yīng)力12 MPa時(shí)的1.54 m擴(kuò)大到水平應(yīng)力21 MPa時(shí)的5.91 m，破壞范圍擴(kuò)大了4.37 m。

圍巖的塑性破壞比率是表明圍巖破壞程度的另一個(gè)重要因素，因此以數(shù)值模型中心位置x方向16 m 范圍、y方向10 m 范圍、z方向14 m 范圍劃定為塑性破壞比率監(jiān)測(cè)區(qū)域，分析不同水平應(yīng)力影響下底抽巷道的破壞規(guī)律。分析表明，在水平應(yīng)力分別為12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa 時(shí)，其塑性破壞比率為14.66 %、32.44 %、38.02 %、43.75 %，在對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合后獲得不同水平應(yīng)力與監(jiān)測(cè)區(qū)域塑性破壞比率擬合曲線（如圖4 所示），根據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.907 可以充分說明水平應(yīng)力與底抽巷道塑性破壞比率呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同水平應(yīng)力影響下監(jiān)測(cè)區(qū)域塑性破壞比率

根據(jù)對(duì)底抽巷道圍巖變形量、塑性破壞范圍及塑性破壞比率的分析可知，水平應(yīng)力是巷道圍巖變形破壞的重要影響因素之一，在同一底抽巷道中水平應(yīng)力越大的區(qū)域，其圍巖變形破壞程度越大。由于垂直應(yīng)力的影響，巷道頂板中心位置的變形相對(duì)較大，但水平應(yīng)力的影響加劇了巷道圍巖非均勻變形破壞的程度，這致使巷道頂板中心位置的破碎程度明顯大于其兩側(cè)的圍巖。

綜上所述，在底抽巷道布設(shè)抽采孔時(shí)，需要充分考慮布孔位置，應(yīng)當(dāng)盡量避開同一底抽巷道水平應(yīng)力較大的區(qū)域，以及與底抽巷道中心位置相鄰近的區(qū)域，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)從抽采孔布孔位置的角度盡可能使得抽采孔布設(shè)在圍巖相對(duì)完整堅(jiān)固的區(qū)域，保證抽采孔的相對(duì)穩(wěn)定，以提高瓦斯抽采效率，延長(zhǎng)抽采孔的使用壽命。

3 底抽巷道鉆孔變形破壞監(jiān)測(cè)

為了探究不同水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖裂紋發(fā)展規(guī)律以及穩(wěn)定性的影響，采用可實(shí)現(xiàn)全孔壁成像的ZKXG100 礦用鉆孔成像軌跡檢測(cè)裝置對(duì)告成煤礦23031底抽巷道頂板3個(gè)不同位置的鉆孔進(jìn)行窺視。

根據(jù)鉆孔距巷道頂板中心位置由遠(yuǎn)到近的原則，分別以與水平方向呈90°、60°、45°的夾角進(jìn)行鉆孔，3 個(gè)鉆孔的編號(hào)分別為R-1、R-2、R-3。為了明確鉆孔孔壁內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，選取距離巷道表面2～3 m 范圍開展鉆孔窺視，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其孔壁裂隙的分析。鉆孔窺視情況如圖5 所示。

圖5 告成煤礦23031 底抽巷道鉆孔變形窺視圖

由如圖5 可知，鉆孔R(shí)-3 的孔壁存在大量密集分布的裂隙，且裂隙寬度較大，說明巷道頂板中心位置的鉆孔周圍巖體非常破碎，且裂隙發(fā)育程度極高。鉆孔R(shí)-2 的孔壁同樣能夠明顯發(fā)現(xiàn)較多裂隙，其裂隙寬度相對(duì)于鉆孔R(shí)-3 而言有明顯的縮小。鉆孔R(shí)-1 的孔壁上分布著多條寬度較窄的裂隙，其他位置的鉆孔表面光滑且相對(duì)完整，說明該鉆孔的圍巖完整度較高，穩(wěn)定性較好，其孔壁完整度高，僅可見少量寬度極窄的微裂隙。R-1 鉆孔是3 個(gè)觀測(cè)鉆孔中穩(wěn)定性最高的一個(gè)，說明相對(duì)于其他兩個(gè)鉆孔，這一鉆孔的圍巖裂隙發(fā)育程度最低，完整度最好。因此，總結(jié)以上3 個(gè)鉆孔的窺視情況可以發(fā)現(xiàn)，距離巷道頂板中心位置越近的鉆孔圍巖，其裂隙發(fā)育程度越高，圍巖破碎程度越大，其穩(wěn)定性就越弱。這與不同水平應(yīng)力作用下巷道圍巖變形破壞規(guī)律相印證。

在瓦斯抽采作業(yè)過程中，鉆孔孔壁變形與其所在圍巖裂隙發(fā)育程度緊密相關(guān)。根據(jù)對(duì)不同水平應(yīng)力條件下的圍巖變形破壞規(guī)律分析以及現(xiàn)場(chǎng)同一斷面不同位置鉆孔孔壁的變形監(jiān)測(cè)，充分說明了在底抽巷道低水平應(yīng)力區(qū)域及離巷道頂板中心位置稍遠(yuǎn)部位布設(shè)抽采孔能夠保證抽采孔孔壁的相對(duì)完整、變形量相比較小、裂隙發(fā)育程度較低，是確保抽采孔高效使用、減少塌孔風(fēng)險(xiǎn)的較優(yōu)布設(shè)位置。

4 結(jié)論

1）底抽巷道圍巖變形量、塑性破壞程度與水平應(yīng)力大小呈正相關(guān)關(guān)系。巷道頂中心位置的變形量明顯大于兩側(cè)的變形量。

2）距離巷道頂板中心位置越近的鉆孔，其圍巖裂隙發(fā)育程度越高，破碎程度越大，穩(wěn)定性越弱，其孔壁存在大量密集分布的裂隙，且裂隙寬度較大。隨著距離巷道頂板中心位置越遠(yuǎn)，鉆孔內(nèi)部裂隙分布數(shù)量、裂隙寬度皆有明顯減少。

3）在底抽巷道布設(shè)抽采孔時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能布設(shè)在低水平應(yīng)力區(qū)域及離巷道頂板中心位置稍遠(yuǎn)部位。此處孔壁相對(duì)完整、變形量較小、裂隙發(fā)育程度較低，是確保抽采孔高效使用、減小鉆孔塌孔風(fēng)險(xiǎn)的較優(yōu)布設(shè)位置。