基于FLAC3D 的鉆孔擴孔前后應力分布特征研究

崔衛峰

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

鉆孔成孔技術作為保障煤礦瓦斯治理的重要手段之一，對于井下安全生產、保障人員生命財產安全有著重要意義。對于井下鉆孔成孔前后鉆孔的應力分布情況，相關學者進行了大量的研究，取得了一定的成效。吳小娃[1]對水力割縫前后鉆孔周邊的應力分布情況進行了研究，認為水力割縫破壞了鉆孔周邊煤體的應力分布狀態，加大了鉆孔周邊裂隙的二次發育，提高了瓦斯抽采效果；鄭春山[2]等開展了順層鉆孔施工前后，鉆孔周邊的應力和位移變化規律的實驗，實驗結果表明，鉆孔施工過程中，鉆孔周圍煤體依次經歷原始應力、應力升高直至峰值、應力下降、殘余應力4 個階段；韓磊[3]等對工作面護巷煤柱采動應力的現場鉆孔應力進行了實測，分別建立了基于摩爾- 庫倫（MC） 本構模型以及應變軟化（SS） 本構模型的數值計算模型，精細研究了綜放工作面煤柱采動應力空間分布及演化規律；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。前人對鉆孔施工前后的應力分布進行了大量的研究，但對于鉆孔擴孔前后鉆孔周邊應力二次分布和有效卸壓范圍研究較少。本文以新景礦井下鉆孔為研究對象，利用FLAC3D 數值模擬軟件，模擬未擴孔及擴孔后順層鉆孔及穿層鉆孔周邊的應力變化情況，分析造穴前后鉆孔周邊的應力二次分布和有效卸壓范圍。新景礦15124 低位巷、15124 回風巷鉆孔造穴施工后，對鉆孔擴孔前后的應力分布情況進行考察，在此基礎上，得到鉆孔有效卸壓范圍，為現場瓦斯抽采提供幫助。

1 地質概況

此次數值模擬考察煤層為新景集團的15 號煤層，15 號煤層主要位于太原組下段，K2 石灰巖之下。在井田西南部，15 號煤層夾矸層增厚出現分叉現象，分為15 號煤層和15 號下煤層。15 號下煤層屬較穩定大部可采煤層，除個別點尖滅外，與15 號煤層合并為一層，厚度0.60～3.85 m，平均2.04 m；15 號煤層（包括合并層） 為全井田穩定可采煤層，厚度3.80～8.85 m，平均6.29 m。煤層直接頂底板為灰黑色泥巖，孔隙率小，具有良好的封閉能力，煤層頂底板致密完整，瓦斯逸散條件差，有利于瓦斯的賦存。

2 數值模型建立

2.1 鉆孔力學模型劃分

在運用FLAC3D 建立數值模型過程中，假設煤體為各向同性均質且符合摩爾- 庫侖彈塑性模型的介質，以煤層鉆孔段為研究對象，且計算時不考慮與時間有關的物理量。在此基礎上，建立尺寸為10 m×10 m×5 m 的煤體模型，模型X 軸正負方向、Y 軸正負方向、Z 軸負方向邊界變形設置為0，即設定為固定邊界，Z 軸正方向設置為自由邊界。因為在實際工況中的煤巖層是處于重力環境中的，因此取Z 軸負方向的重力加速度g為10 m/s2。根據新景礦15 號煤層實際情況，模型上部施加沿Z軸負方向的載荷P0=17.5 MPa；在模型左右兩側施加側壓系數1.2 的壓力，即P1=21 MPa 的側向壓力用來模擬模型周圍煤體的側應力。模擬鉆孔直徑為100 mm 擴大到500 mm 時鉆孔周圍應力分布和卸壓破壞的范圍，分別以順層鉆孔和穿層鉆孔的模式進行開挖，兩種模式的力學模型如圖1 所示，網格劃分如圖2 所示。

圖1 鉆孔力學模型Fig.1 Borehole mechanics model

圖2 模型網格劃分Fig.2 Model meshing

2.2 模型參數設置

一般來說大多數巖層都可視為彈塑性介質，在一定應力水平下表現為線彈性，超過此限即表現為塑性。對于巖石一類的材料，在塑性變形時具有明顯的體積變形，因而必須考慮到體積應力的影響，故計算中煤層采用彈塑性本構模型，屈服準則采用莫爾- 庫侖準則。計算莫爾- 庫侖塑性模型所涉及的巖石力學參數包括密度、體積模量、剪切模量、內聚力、內摩擦角等，新景礦15 號煤層建模煤層的物理力學參數見表1。

表1 模型材料物理參數Table 1 Physical parameters of model materials

3 鉆孔擴孔前后數值模擬結果分析

3.1 數值模擬結果分析

通過對模型分步連續開挖，在開挖鉆孔之前煤巖層初始應力分布如圖3 所示。

圖3 初始地應力分布云圖Fig.3 Distribution cloud of initial geostress

3.2 順層鉆孔模擬結果分析

通過模擬順層鉆孔擴孔過程，得到鉆孔直徑為100 mm 和擴孔到500 mm 的應力分布云圖，如圖4所示。

從圖4 可知，垂直應力分布云圖呈現蝶形對稱分布，應力分布區域可分為兩類，即應力集中區域和應力降低區域。由于鉆孔開挖以后，鉆孔周圍卸壓，出現應力降低區域，而由于上覆煤巖體產生的地應力集中在鉆孔水平兩側，造成鉆孔水平兩側出現應力集中區域。在鉆孔直徑為100 mm 時，應力卸壓影響范圍較小，應力集中區域距離鉆孔兩側較近；當擴孔直徑達到500 mm 時，應力卸壓區域明顯擴大，應力集中區域向兩側移動。

為了更加直觀的體現順層鉆孔兩側的應力分布，通過FLAC3D 模型中內置測點監測命令，因為應力分布呈現對稱分布，因此調取了在鉆孔圓心左側水平線和圓心垂直線上半部的測點的垂直應力數據，繪制了鉆孔左側垂直應力分布曲線和鉆孔上部的垂直應力曲線，如圖5 所示。

圖5 順層鉆孔左側煤體垂直應力曲線Fig.5 Vertical stress curve of coal body on the left side of bedding borehole

由圖5（a） 可知，由于鉆孔周圍煤體原有應力平衡被打破，煤體原有結構受到破壞，且鉆孔左右兩側存在側應力，因此在鉆孔左右兩側出現一定區域的應力降低區域，而由于存在地應力作用，應力集中區域作用在應力降低區域外側。從圖中數據分析可知，在鉆孔直徑為100 mm 時，應力卸壓區域出現在距離圓心左側0.15 m 內，應力最大集中點在距離鉆孔圓心左側0.15 m 處，在鉆孔圓心左側0.15～3.8 m 的煤體，由于受地應力影響，應力出現逐步升高狀態，最大應力集中系數為1.36。當鉆孔擴大直徑到500 mm 時，鉆孔中心左側卸壓范圍增大到1.2 m，應力集中點也增大到鉆孔中心左側的1.2 m 處，最大應力集中系數為1.48。因此，鉆孔擴孔后，卸壓范圍增大2.4 倍，應力集中系數增大1.08 倍。

由圖5（b） 可知，在鉆孔垂直方向上，鉆孔頂部出現卸壓狀態，當鉆孔直徑為100 mm 時，最小垂直應力為7.52 MPa，最大卸壓范圍為0.8 m；當鉆孔擴孔直徑為500 mm 時，最小垂直應力為0.4 MPa，最大卸壓范圍為2.4 m，相比較于未擴孔之前的煤體應力，卸壓范圍增加3 倍，鉆孔上部局部區域完全卸壓。

水平應力卸壓說明鉆孔周圍煤體裂隙發育，利于瓦斯抽采，因此，調取了模型的水平應力俯視剖面圖，如圖6 所示。根據圖6 可看出，鉆孔周圍煤體應力隨著鉆孔開挖，鉆孔左右兩側開始卸壓，在鉆孔擴孔之后，鉆孔周圍煤體卸壓范圍明顯增大。為了更加清晰的顯示鉆孔周圍煤體卸壓范圍，調取了水平方向鉆孔左側部分的水平應力數據，并繪制了圖7。

圖6 順層鉆孔周圍煤體水平應力俯視剖面圖Fig.6 Horizontal stress overlooking profile of coal around bedding borehole

圖7 順層鉆孔左側煤體水平應力曲線Fig.7 Horizontal stress curve of coal body on the left side of bedding borehole

根據圖7 可知，在水平方向鉆孔直徑為100 mm 時的卸壓范圍為4.2～5 m，卸壓半徑為0.8 m；通過擴孔直徑為500 mm 后，卸壓范圍增加到1～5 m，卸壓半徑為4 m。在鉆孔直徑擴大后，卸壓范圍增大了80%，水平方向卸壓范圍增大，鉆孔周圍裂隙發育，提升了瓦斯抽采能力。

通過數據分析可知，在鉆孔擴孔之后，根據鉆孔左側煤體的垂直應力分布數據顯示，水平方向上卸壓范圍增大2.4 倍，垂直方向上卸壓范圍增大3倍；在鉆孔左側水平應力分布顯示，擴孔之后，卸壓半徑從0.8 m 增加到4 m，卸壓半徑增大5 倍。說明擴孔之后，鉆孔周圍煤體卸壓良好，通過對鉆孔負壓瓦斯抽采，使得瓦斯在鉆孔附近的被破壞煤體區域產生的裂隙中更好的流動，提高了瓦斯抽采率。

3.3 穿層鉆孔模擬結果分析

通過模擬穿層鉆孔擴孔過程，得到鉆孔直徑為100 mm 和擴孔到500 mm 的應力剖面分布云圖，如圖8 所示。穿層鉆孔開挖后，在孔壁周圍形成卸壓區域，且卸壓區域呈現對稱分布，為了更加直觀的表現卸壓范圍，在模型中部設置了1 條水平測線，用于監測水平應力，由于應力基本呈現對稱分布，因此水平測線只調取了鉆孔左半部分的應力數據，依據數據繪制了圖9 的應力分布曲線。

圖8 穿層鉆孔煤體水平應力分布剖面云圖Fig.8 Horizontal stress distribution profile of coal body in cross-layer borehole

圖9 穿層鉆孔左側煤體水平應力曲線Fig.9 Horizontal stress curve of coal body on the left side of cross-layer drilling hole

由圖9 可知，煤層穿層鉆孔開挖后，鉆孔周圍煤體原有應力平衡被打破，煤體結構受到破壞，鉆孔周圍煤體逐漸卸壓，隨著鉆孔直徑的擴大，鉆孔周圍煤體的卸壓范圍也在不斷增大。當鉆孔直徑為100 mm 時，鉆孔中心左側0.6 m 范圍內出現卸壓狀態，最小水平壓力為3.33 MPa，相對于原巖水平應力，應力系數為0.16；當鉆孔直徑擴大到500 mm 時，鉆孔周圍煤體卸壓范圍擴大到距離鉆孔中心左側3.8 m 處，最小水平應力為0.64 MPa，相對于原巖水平應力，應力系數為0.03。在鉆孔直徑擴大后，鉆孔周圍卸壓范圍由0.6 m 擴大到3.8 m，增大了6.3 倍，最小水平應力由3.33 MPa 降低到0.64 MPa，降低了80%。

綜上所述，穿層鉆孔擴孔后，卸壓范圍增大，卸壓狀態好，鉆孔周圍煤體受到破壞，在卸壓過程中產生大量裂隙，使得瓦斯流動通道被打開，提升了瓦斯抽采效果，增大了瓦斯抽采影響范圍。

4 結語

以新景礦井下鉆孔為研究對象，通過FLAC3D數值模擬軟件，對煤層順層鉆孔和穿層鉆孔擴孔過程進行了數值模擬，數值模擬結果表明，在順層鉆孔擴孔施工后，在鉆孔左側卸壓范圍相對較小，鉆孔上部卸壓范圍較大，擴孔后卸壓范圍幾乎可以擴展到煤層頂板；在鉆孔左側，擴大鉆孔孔徑之后，卸壓半徑為2.8 m，裂隙更為發育，可有效提升鉆孔瓦斯抽采效率；穿層鉆孔擴孔施工后，鉆孔周圍煤體卸壓半徑為3.8 m，說明鉆孔周圍煤體裂隙發育，擴孔之后有效的提升了鉆孔瓦斯抽采效果。