基于FLAC3D的“三軟”煤層瓦斯抽采鉆孔成孔技術(shù)分析

（六盤(pán)水師范學(xué)院礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州六盤(pán)水市，553004）張洲碩雷航楊付領(lǐng)

六盤(pán)水礦區(qū)為我國(guó)高突瓦斯礦區(qū)之一，普遍存在“三軟”煤層。目前，“三軟”煤層的瓦斯抽采鉆孔成孔技術(shù)是國(guó)內(nèi)很多煤礦需要解決的影響煤礦安全生產(chǎn)的問(wèn)題之一[1]。

針對(duì)瓦斯抽采鉆孔成孔問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究較多，取得了一定的成果。尹振林[2]認(rèn)為影響圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的內(nèi)聚力，其具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，對(duì)鉆孔過(guò)程中煤體的膠結(jié)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度有著一定要求。李彬等[3]認(rèn)為在鉆孔施工過(guò)程中，煤(巖)層的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)因鉆孔施工造成破壞，孔壁的不穩(wěn)定性增加，從而導(dǎo)致孔內(nèi)卡鉆、擁堵、縮頸。韋瑞敏[4]認(rèn)為決定鉆孔變形的因素是鉆孔所受的應(yīng)力和強(qiáng)度，當(dāng)煤層強(qiáng)度一定時(shí)，鉆孔的變形只與所受的應(yīng)力有關(guān)。袁振春[5]認(rèn)為深部開(kāi)采煤層應(yīng)力大，結(jié)構(gòu)松軟的煤層在鉆孔周?chē)l(fā)生蠕變甚至塌孔，加之孔徑管徑比值較小，故在下護(hù)孔管過(guò)程中阻力較大，致使護(hù)孔管無(wú)法下達(dá)到孔底。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，對(duì)不同埋深下的煤層的瓦斯抽放鉆孔的應(yīng)力和位移進(jìn)行模擬分析，從而為成孔提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

六盤(pán)水礦區(qū)在大地構(gòu)造之中處于揚(yáng)子板塊的西南邊緣，主要受到揚(yáng)子板塊的控制。整個(gè)六盤(pán)水礦區(qū)主要處于上古生界及三疊系共同組成的褶皺區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)向斜構(gòu)造主要以短軸向斜為主，區(qū)內(nèi)褶曲構(gòu)造為楊梅樹(shù)向斜次一級(jí)褶曲妥倮向斜，其北段褶皺樞紐呈北北東向，其南段褶皺樞紐呈北北西向，呈弧形延伸，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有北西向構(gòu)造，北東向構(gòu)造和近東西向構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造程度屬于中等復(fù)雜[6]。

六盤(pán)水礦區(qū)“三軟”煤層多為高瓦斯礦井，瓦斯作為阻礙煤礦生產(chǎn)安全的主要因素，所謂“三軟煤層”是指“軟頂、軟煤層、軟底板”，具有不穩(wěn)定低透氣性、不穩(wěn)定頂板、軟煤層、堅(jiān)固性系數(shù)小、瓦斯運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜等特點(diǎn)。低滲透煤層占絕大多數(shù)。但煤層埋深越大，瓦斯地質(zhì)的條件也就越復(fù)雜多變，就會(huì)造成瓦斯治理變得困難。

2 數(shù)值計(jì)算模型建立

FLAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的拓展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。通過(guò)調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來(lái)擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)。

采用flac3d模擬軟件進(jìn)行模擬，三維模型范圍30m×42m×70m，取工作面走向方向?yàn)閥方向（y=30）、豎直方向?yàn)閦方向（z=42）、鉆孔鉆進(jìn)方向?yàn)閤方向（x=70）。模型煤層上面巖層厚度為21m，代表煤層到地表的距離，模型四個(gè)側(cè)面施加相同的水平應(yīng)力。隨著煤層埋藏深度改變而改變，整個(gè)模型外部位移均固定。選取鉆孔直徑為94mm，鉆孔長(zhǎng)度為60m。模型共計(jì)161472個(gè)單元。采用位移邊界條件進(jìn)行約束，模型左右、前后、底部均不發(fā)生位移。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 應(yīng)力分析

圖1 豎直方向煤體應(yīng)力圖

圖2 水平方向煤體應(yīng)力圖

埋深為200m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應(yīng)力作用下的水平位移為10.2mm。埋深為400m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應(yīng)力的作用下的水平位移為20.1mm。埋深為600m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應(yīng)力作用下的水平位移為37.7mm。埋深為800m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的水平應(yīng)力的水平位移為40.2mm。受地應(yīng)力的作用之下，整個(gè)鉆孔的變形幾乎接近了整個(gè)鉆孔直徑的一半，很明顯的影響到了鉆孔的成孔，嚴(yán)重的影響到了瓦斯的抽采管路系統(tǒng)的形成。

3.2 位移分析

圖3 順層狀態(tài)下煤體位移圖

圖4 順層狀態(tài)下煤體位移圖

埋深為200m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為9.36mm、水平應(yīng)力作用下的水平位移為10.2mm。埋深為400m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為17.7mm、水平應(yīng)力的作用下的水平位移為20.1mm。埋深為600m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為34.5mm、水平應(yīng)力作用下的水平位移為37.7mm。埋深為800m時(shí)鉆孔在沉降和隆起共同作用下的豎向位移為36.4mm、水平應(yīng)力的作用下的水平位移為40.2mm。

受地應(yīng)力的作用之下，很明顯的影響到了鉆孔的成孔，嚴(yán)重的影響到了瓦斯的抽采管路系統(tǒng)的形成。證明在“三軟”煤層順煤層中進(jìn)行鉆孔時(shí)，要充分考慮到煤層上覆巖層地應(yīng)力的影響，考慮煤層是否能夠承受煤層的穩(wěn)定性被破壞之后的應(yīng)力重新分布，煤層是否能夠承受住地應(yīng)力重新分布。確保瓦斯抽放管路的形成，確保瓦斯抽放鉆孔很好的成孔，要對(duì)已經(jīng)開(kāi)挖的鉆孔進(jìn)行支護(hù)，確保鉆孔的成孔效率。

4 鉆孔塌孔的原因分析

塌孔在三軟煤層中這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，針對(duì)塌孔，在經(jīng)行鉆探時(shí)未分清層巖性的變化，未進(jìn)行鉆孔大小和沖洗液的即使更替,由于地層的巖層硬度，遇到軟巖時(shí)時(shí)常發(fā)生聚集的巖粉無(wú)法即使排除；[7]當(dāng)鉆孔長(zhǎng)距離披露煤層時(shí)，常會(huì)致使塌孔，從而出現(xiàn)抱鉆事故；[8]鉆孔通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造變化帶時(shí)將破壞煤巖或較硬的巖層，形成“鉆洞”，致使堵孔現(xiàn)象出現(xiàn)[9]。

通過(guò)本文的模擬分析，認(rèn)為六盤(pán)水礦區(qū)的塌孔成因是“三軟”煤層由于頂板、底板性以及煤層巖性都相對(duì)較軟，在本煤層中進(jìn)行順煤層瓦斯抽放鉆孔的鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔在回采工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷進(jìn)行打鉆布置，原有的煤層在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用條件下已經(jīng)處于了一個(gè)平衡狀態(tài)，煤層處于一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)[10]。而當(dāng)進(jìn)行瓦斯抽放鉆孔的鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆孔的形成就會(huì)對(duì)本身已經(jīng)形成的平衡被打破，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)二次應(yīng)力的重新分布，由于煤層、頂板、底板巖性都比較軟，這就導(dǎo)致了出現(xiàn)煤層頂板無(wú)法承受上覆巖層附加的地應(yīng)力，底板無(wú)法承受下部變形造成的鼓包，煤層本身無(wú)法承受水平地應(yīng)力造成的擠壓，從而使得鉆孔發(fā)生破裂變形，造成鉆孔的坍塌。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用FLAC3D對(duì)礦區(qū)“三軟”煤層抽采鉆孔模擬分析，三軟煤層由于煤層比較松軟，鉆孔很容易出現(xiàn)變形或者是塌孔等現(xiàn)象，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致瓦斯抽采率降低，而且還會(huì)增加煤層瓦斯抽采的難度，從而增加了采掘工程的資金投入，使瓦斯抽采達(dá)不到合格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。所以說(shuō)要想保證煤層中瓦斯的抽采率，就得必須提高鉆孔在煤層中的穩(wěn)定性。考慮到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、操作簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)，比較系統(tǒng)地研究了在“三軟”煤層中鉆孔成孔的技術(shù)，在煤層鉆孔形成之后通過(guò)模擬軟件馬上下入套管，支護(hù)模擬效果比較顯著，適用于六盤(pán)水礦區(qū)，為在“三軟”煤層中鉆孔成孔提供了指導(dǎo)意義。建議本礦區(qū)瓦斯抽采鉆孔采用篩管護(hù)孔技術(shù)。在加入套管進(jìn)行支護(hù)后鉆孔的位移量出現(xiàn)明顯的減小，支護(hù)效果顯著。由此可以看出在打鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采過(guò)程中下套管，能夠在一定程度上解決煤層中瓦斯?jié)舛冗^(guò)高的問(wèn)題。