基于FLAC3D數(shù)值模擬確定合理封孔深度

李志強(qiáng) 張騰飛

摘 要：文章結(jié)合晉煤集團(tuán)趙莊礦13074巷道的實(shí)際地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法分析松動(dòng)圈范圍及最大應(yīng)力區(qū)，以此確定該地點(diǎn)合理的封孔深度為7～9.5 m之間。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；松動(dòng)圈；封孔深度

中圖分類(lèi)號(hào)：TD327.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）26-0155-02

封孔深度在很大程度上決定瓦斯抽采效果，目前國(guó)內(nèi)合理封孔深度大多依靠分析巷幫煤體內(nèi)的應(yīng)力分布情況確定合理的封孔深度。這種方法確定合理封孔深度較為接近實(shí)際情況，為廣大工程技術(shù)人員所認(rèn)可。

《煤礦瓦斯抽采設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)封孔深度的規(guī)定如下：孔口段圍巖條件好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、孔口負(fù)壓較低時(shí)，封孔長(zhǎng)度不應(yīng)低于3 m；孔口段圍巖裂隙較發(fā)育、或孔口負(fù)壓較高時(shí)，封孔長(zhǎng)度不應(yīng)低于5 m；在煤壁開(kāi)孔的鉆孔，封孔長(zhǎng)度不應(yīng)低于7 m。

合理封孔深度是指既保證封孔不漏氣又可以做到封孔深度最短。確定瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度的關(guān)鍵是確定巷道在開(kāi)挖、鉆進(jìn)擾動(dòng)下松動(dòng)圈的范圍及應(yīng)力集中區(qū)的峰值點(diǎn)（如圖所示）；在松動(dòng)圈內(nèi)，煤體被壓酥，較松軟破碎，裂隙充分發(fā)育，漏氣通道增多；又由于煤體內(nèi)應(yīng)力的不斷釋放，煤體透氣性和滲透率進(jìn)一步增大，易造成鉆孔漏氣。而在塑性區(qū)范圍內(nèi)煤體應(yīng)力增加，煤體被壓實(shí)，極不易漏氣，需確定塑性區(qū)的應(yīng)力峰值點(diǎn)。所以合理封封孔深度就是要超過(guò)松動(dòng)圈且在不超過(guò)峰值應(yīng)力點(diǎn)的范圍內(nèi)。

1 煤巖體物理力學(xué)性能參數(shù)

13074巷沿3#煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道所處煤層平均厚度為4.7 m，為近水平賦存，巷道斷面尺寸為5.6×4.7 m，掘進(jìn)斷面積為27.3 m2。3#煤層頂?shù)装鍘r層分布見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模擬模型建立

三維模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=1 m×65.6 m×14.2 m，邊界條件取為：水平邊界采用鉸支，底部采用固支，上部為上覆巖層荷載如圖1所示。13074巷道對(duì)應(yīng)煤層埋深取最大值670.5 m，自重應(yīng)力為初始垂直應(yīng)力，巖石容重可以取為25 kN/m3，得出垂直應(yīng)力為16.75 MPa，垂直應(yīng)力施加在模型的上部邊界，現(xiàn)在選取側(cè)壓系數(shù)為1，計(jì)算可得水平應(yīng)力為16.75 MPa，即雙向等值。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文通過(guò)模擬趙莊煤礦13074巷道開(kāi)挖，得出巷道兩幫圍巖塑性區(qū)分布。后期使用Tecplot軟件得出圍巖水平應(yīng)力分布、圍巖垂直應(yīng)力分布圖，從而得出巷道兩幫應(yīng)力分布曲線

由上圖數(shù)據(jù)可以得出以下幾點(diǎn)：

①巷道兩幫和頂、底板塑性區(qū)域分布規(guī)律，巷道掘進(jìn)以后巷幫塑性區(qū)域?yàn)?～6.75 m。

②巷道在開(kāi)挖以后破壞了原有的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力進(jìn)行了重新分布。水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力在巷道兩幫、頂板和底板都出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)域。

③從巷幫水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力擬合以后的應(yīng)力分布曲線可以精確得出0～7 m為應(yīng)力降低區(qū)，7～22.45 m為應(yīng)力升高區(qū)，在9.48 m處達(dá)到應(yīng)力峰值。

4 結(jié) 語(yǔ)

由數(shù)值模擬和巷道開(kāi)挖后的應(yīng)力重新分布理論可以得出合理的封孔深度應(yīng)在7～9.5 m之間。

參考文獻(xiàn)：

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