石門揭煤數值模擬及鉆孔設計★

滕廣平 關燕鶴 張 建

(湖南工學院安全與環境工程學院，湖南 衡陽 421002)

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石門揭煤數值模擬及鉆孔設計★

滕廣平 關燕鶴 張 建

(湖南工學院安全與環境工程學院，湖南 衡陽 421002)

采用UDEC數值模擬方法，分析了石門揭煤過程中垂直應力的變化情況，介紹了石門揭煤瓦斯抽采鉆孔設計的理論依據，并建立了卸壓鉆孔設計計算模型，為鉆孔提供了傾角、方位角、長度等參數，簡化了鉆孔的設計步驟。

石門揭煤，數值模擬，瓦斯，鉆孔設計

0 引言

煤與瓦斯突出礦井中，石門揭煤是礦井安全生產的難點和采掘部署的瓶頸工程[1]。近年來，葛兆龍等人提出了石門揭煤“五步法”[2]、漸進式揭煤法[3]、水力壓裂法[4]等方法，但各種石門揭煤法都離不開卸壓瓦斯鉆孔的設計。

本文首先使用UDEC模擬石門揭煤過程中垂直應力的變化，為鉆孔設計提供依據，為進一步節約石門揭煤時間[5]，簡化鉆孔設計，建立了鉆孔設計模型。

1 石門揭煤過程數值模擬分析

1.1 模擬參數設置

假設層狀巖體是彈塑性材料，各層為均質連續體；開挖的動態過程對最終應力分布沒有影響；不考慮構造應力、溫度應力以及瓦斯引起的附加應力的影響[6]。考慮到石門結構特點和計算精度的要求，計算取長寬各為200 m以及400 m，斷面寬度5 m，傾角13°。其中模型采用的單元數為11 202個。

模型采用Mohr Coulomb彈塑性本構模型和NULL本構模型進行計算，材料性質參數設置見表1。

表1 模型材料性質參數設置

1.2 模擬結果分析

分別對掘進工作面距離煤層法線10 m和5 m兩種情況進行應力分布的數值模擬。在模擬過程中設置了8條觀測線，分別設置在巷道的頂板、底板以及輪廓線外3 m，5 m，8 m的水平線上，在每條觀測線上每隔1 m設置一個觀測點，然后在工作面掘進過程中分別對8條觀測線進行數據采集，繪制出距煤層不同法距時的垂直應力分布曲線圖，如圖1所示。

通過對上述模擬結果進行分析，得出石門工作面應力分布規律如下：

1)從圖1可以明顯的看出，掘進工作面附近出現“三區”分布規律，即卸壓區、集中應力區和原始應力區。

2)卸壓區和集中應力區隨著掘進向前方推進一段距離，集中應力峰值也向前推進，所以對于掘進工作面前方的煤巖體來講，均有一個從原始應力狀態上升為集中應力狀態的過程。

3)根據圖1得知，集中應力區主要出現在工作面前方2 m～15 m的范圍內，為接下來的石門揭煤排放孔設計的前方控制范圍提供了理論依據。

4)從模擬觀測線數據可知，集中應力區主要作用在巷道輪廓線外8 m的范圍內，為下面設計排放孔的上、下、左、右控制范圍奠定了設計基礎。

2 石門揭煤瓦斯抽采鉆孔設計

2.1 設計依據

瓦斯排放鉆孔措施的要求是：

1)在煤層透氣性較好并有足夠的排放時間時，可采用鉆孔排放措施；

2)排放鉆孔應布置到石門周界外3 m～5 m的煤層內；

3)排放鉆孔的直徑為75 mm～100 mm，鉆孔間距根據實測的有效排放半徑而定，一般孔底間距不大于2 m。原來在計算石門揭煤鉆孔位置時，是通過地質部門提供的預鉆孔參數，建立理想的、便于計算的模型，從而算出煤層參數和各抽排鉆孔的參數。但此計算由人工完成很繁雜，計算精度低，往往要把煤層和巷道當作直交的狀況來考慮，造成的誤差較大。具體是先按國家制訂的細則和規程確定煤層打孔的邊界，再按照3 m間距打孔，這樣打出的孔在煤層上的分布為網格式。

2.2 計算模型的建立

石門揭煤計算模型的建立主要是根據煤層和石門的法距、煤層傾角以及煤層厚度等參數，建立以鉆孔、煤層、石門三者為研究對象的三維坐標，再將各個鉆孔根據三維坐標下的2個二維投影面建立二維坐標系，對每一鉆孔的傾角、方位角、見煤長度以及終孔長度進行算法設計，然后根據數學歸納法將各個鉆孔導出公式進行進一步總結歸納，最后形成三維坐標下的鉆孔傾角和方位角以及見煤長度、終孔長度的統一計算公式。這個部分主要對頂板石門揭煤的計算公式做了詳細的計算分析，通過對頂板石門揭煤的計算模型來推導出鉆孔設計的計算公式，而底板石門揭煤的計算模型設計大致與頂板石門揭煤相似，具體導出公式的原理也是一致的。因此，下面對頂板石門揭煤中鉆孔傾角、方位角、見煤長度以及終孔長度的計算公式導出做了進一步的細化分析。

根據圖2所示鉆孔和煤層的幾何關系，再利用三角函數以及數學歸納法，將鉆孔的傾角公式總結如下：

(1)

式中：γr2——排放孔傾角，(°)，下標r2為排放鉆孔排數，是個變量，取值范圍1≤r2≤n0；仰角為+，俯角為-；

a——距煤層法距，m；

α——煤層傾角，(°)；

c——巷道高度，m；

f——斷面拱高，m；

x——排放孔排放行間距，m(以煤層中厚面為準)；

K1——排放鉆孔上、下控制范圍，m(此次設計取上、下控制范圍相等)。

然后根據鉆孔、煤層、巷道在平面圖上的投影，找到三者之間的幾何關系，利用三角函數將每個傾角下的鉆孔方位角用幾何公式表達出來，形成所有鉆孔方位角參數的矩陣塊，最后利用數學歸納法將不同傾角下的各個方位角進行統一歸納，結合式(1)中

所得到的鉆孔中位線的計算公式，最終將所有鉆孔的方位角計算公式導出。鉆孔的方位角公式總結如下：

(2)

在總結了鉆孔傾角和方位角公式的基礎上，對鉆孔的見煤長度以及終孔長度的計算公式做了進一步推導和歸納，總結公式如下：

(3)

(4)

式中：lr2——見煤長度，m；Lr2——終孔長度，m；e——煤層厚度，m。

3 結語

1)通過UDEC數值模擬，分析出石門揭煤工作面集中應力區主要出現在工作面前方2 m～15 m和巷道輪廓線外8 m的范圍內，為卸壓瓦斯鉆孔的設計提供理論依據。

2)建立了鉆孔設計計算模型，結合UDEC數值模擬，為石門揭煤瓦斯卸壓鉆孔提供數量、傾角、方位角、長度等參數。

[1] 程遠平,付建華,俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J].采礦與安全工程學報，2009，26(2):127-139.

[2] 葛兆龍,陳久福,楊曉峰,等.“五步法”漸進式快速石門揭煤新技術原理及應用研究[J].礦業安全與環保，2011,38(4)：24-28.

[3] 賴仰林.化樂煤礦突出煤層漸進式快速石門揭煤技術研究[D].北京：中國礦業大學，2014.

[4] 華敬濤.預留變形量水力壓裂石門快速揭煤技術[D].焦作：河南理工大學，2011.

[5] 李振璧,陳 濤,范辰東,等.石門揭煤瓦斯抽放鉆孔設計方法的改進[J].中國礦山工程,2005,34(4):31-33.

[6] 尚正杰,程遠平,劉海波,等.下保護層開采上覆煤巖體變化的數值模擬[J].煤礦安全，2010(425):5-9.

Numerical simulation and borehole design of cross-cut uncovering coal★

Teng Guangping Guan Yanhe Zhang Jian

(CollegeofSafety&EnvironmentEngineering,HunanCollegeofIndustry,Hengyang421002,China)

Applying UDEC numerical simulation method, the paper analyzes vertical stress change conditions in cross-cut uncovering coal process, introduces theoretical basis of cross-cut uncovering coal gas drainage borehole design, and establishes unloading borehole design computation model. As a result, it not only provides inclination angle, azimuth and length and other parameters for borehole, but also simplifies borehole design steps.

cross-cut uncovering coal, numerical simulation, gas, borehole design

1009-6825(2016)18-0054-02

2016-04-19★：湖南工學院科研啟動基金資助(項目編號：HQ14015)

滕廣平(1989- )，男，助教； 關燕鶴(1988- )，女，助教； 張 建(1988- )，男，助教

TD713

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