軟煤層鉆孔穩定性的影響因素分析

崔樹軍

(山西晉能控股煤業集團 晉城煤炭事業部,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,研究了節理密度對鉆孔穩定性的影響；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機理；王振[6]基于掘進工作面防突鉆孔失穩力學模型,分析了鉆孔孔底及孔壁附近煤體的破壞形式及失穩特征。

由于煤層中存在高應力集中,開采時會發生不可預知的災害。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影響。

學者們對于鉆孔穩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,鉆孔的穩定性越差;花管支護能有效抑制鉆孔圍巖變形,提高鉆孔穩定性,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太原組和二迭系下統山西組。可采的3#、15#煤層均屬高變質的無煙煤,煤質穩定,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灰巖10.51～14.95 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,煤體發生移動,隨埋深的增加塑性區范圍增大。

圖3 鉆孔圍巖塑性區范圍隨鉆孔埋深的變化

3.2 鉆孔直徑對鉆孔穩定性的影響

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,塑性區范圍增加緩慢;直徑大于100 mm時,鉆孔圍巖塑性區范圍增加顯著。

圖5 鉆孔圍巖塑性區范圍隨鉆孔直徑的變化

3.3 側壓系數對鉆孔穩定性的影響

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范圍變化云圖。由圖7可以知,當λ=0.5時,鉆孔塑性區范圍沿水平方向較大;當λ=1.0時,鉆孔塑性區范圍呈對稱分布;當λ=2.0時，塑性區范圍顯著增加。分析可知,側壓系數λ越大,鉆孔圍巖塑性區范圍越大,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,鉆孔所處的應力環境、煤體結構、孔隙壓力、鉆進工藝等是影響鉆孔穩定性的重要因素。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范圍是鉆孔半徑的4倍,花管支護下的鉆孔圍巖塑性區范圍是鉆孔半徑的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范圍,能較好地抑制圍巖變形,為瓦斯的順利抽采創造條件。

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,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。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,圍巖塑性區范圍也增加,側壓系數越大鉆孔的穩定性越差,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,保證鉆孔穩定性，提高瓦斯抽采效率。