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 晉城煤炭事業(yè)部,山西 晉城 048006)

目前,高瓦斯、高地應力和沖擊地壓問題,已成為制約礦井安全高效生產的主要瓶頸。煤層鉆孔瓦斯預抽是區(qū)域性防突和局部性防突的主要措施之一[1-2]。煤層鉆孔的成孔質量決定著瓦斯抽采的效率。許勝軍[3]通過D-P準則和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模型,對煤層鉆孔損傷區(qū)半徑理論進行了研究；郭恒[5]通過彈塑性力學模型研究了鉆孔孔壁的失穩(wěn)機理；王振[6]基于掘進工作面防突鉆孔失穩(wěn)力學模型,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力集中,開采時會發(fā)生不可預知的災害。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。煤的抗剪強度、內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,改善其支護狀況[9]。李兵[10]研究發(fā)現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。

學者們對于鉆孔穩(wěn)定性已做了諸多相關研究,但針對于軟煤層中鉆孔在不同埋深、不同鉆孔直徑、不同側壓系數以及花管支護等條件下的穩(wěn)定性分析研究較少。本文以胡底礦煤體力學參數為依據,基于煤體的彈塑性本構關系,采用FLAC3D軟件建立相關模型,分析了不同條件下鉆孔的破壞情況。結果表明:埋深越大、鉆孔直徑越大以及側壓系數越大,鉆孔的穩(wěn)定性越差;花管支護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 礦井地質條件

胡底礦位于沁水煤田東側,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?？刹傻?#、15#煤層均屬高變質的無煙煤,煤質穩(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f<1.5,屬較軟煤巖。細條帶狀,玻璃光澤,亮煤為主,鏡煤次之,光亮型,厚度變異系數0.06,煤層穩(wěn)定,可采系數100%。煤層結構簡單,夾矸0～1層,厚0.05～0.39 m;直接頂板為黑色泥巖或粉砂質泥巖,厚0.5～2.0 m;底板為灰黑色泥巖或粉砂質泥巖,厚0.5～3.0 m。

2 鉆孔仿真數值模型

英國的Peter Cundall博士于20世紀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#煤力學參數為依據,基于煤體的彈塑性本構關系,采用FLAC3D軟件建立相關模型,分析研究不同埋深、不同鉆孔直徑、不同側壓系數以及花管支護等因素下鉆孔的破壞情況。煤體力學參數如表1所示。

表1 胡底礦3#煤力學參數

為避免邊界效應的影響,建立長×寬×高=2 m×2 m×1 m的數值模型,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:模型底部設置為豎直位移方向,左側、右側和前、后部方向設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,數值分析仿真模型如圖1所示。

圖1 數值分析仿真模型

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,頂、底部煤體產生徑向移動，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。

(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 側壓系數對鉆孔穩(wěn)定性的影響

當埋深400 m,鉆孔直徑為100 mm時,不同側壓系數下鉆孔破壞垂直位移位移云圖及位移曲線如圖6所示,當側壓系數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,隨著側壓系數的增加,鉆孔最大垂直位移量也隨之增加。在地應力較高地區(qū)進行鉆孔施工,因鉆孔受力不均,易產生應力集中,影響鉆孔的穩(wěn)定性。

(a)λ=0.5

圖7為側壓系數分別為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λ=0.5時,鉆孔塑性區(qū)范圍沿水平方向較大;當λ=1.0時,鉆孔塑性區(qū)范圍呈對稱分布;當λ=2.0時，塑性區(qū)范圍顯著增加。分析可知,側壓系數λ越大,鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍越大,頂底板最大破壞深度隨著側壓系數的增大而增加。

圖7 鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨側壓系數的變化

4 花管對鉆孔的支護效果分析

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

花管有普通花管和內支撐花管兩種,內支撐花管相比于普通花管，支護效果更好,但其技術和經濟成本也更高。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材質普通花管,借助FLAC3D軟件建立花管支護鉆孔模型,如圖8所示。通過定量煤體參數、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,花管支護和未支護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效果。

圖8 花管支護鉆孔模型

不同支護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,且垂直位移均遠大于水平方向的位移;無支護時鉆孔垂直最大位移量為21.42 mm,進行花管支護時垂直最大位移量為3.27 mm,相比于未支護時減小了6.6倍。分析可知,相比于未支護的鉆孔,花管能對鉆孔起到很好的支護作用,減小鉆孔變形,提高成孔質量,保證瓦斯抽采效率。

(a)未支護

鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍隨支護條件的變化如圖10所示。分析可知,未支護時鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍是鉆孔半徑的4倍,花管支護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

5 結論

煤層受地應力、自身強度、地質構造等因素的影響,在軟煤層中鉆孔進行瓦斯的抽采,成孔后會破壞原始煤層的應力平衡狀態(tài),鉆孔周圍應力重新分布,造成應力集中。煤巖承受的應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、不同側壓系數以及有無花管支護等條件下的鉆孔破壞特征,得出以下結論。

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

3)花管支護下的鉆孔垂直位移量相比于未支護時減小6.6倍,圍巖塑性區(qū)范圍減小4倍。結果表明,花管支護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。