基于FLAC3D數值模擬的鉆孔破壞特征分析

雷騰飛,李博濤

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727300)

0 引言

隨著我國煤炭開采進入深部階段,瓦斯災害事故隱患增加,瓦斯事故占據據煤礦事故總量的70%[1]。為降低煤層中瓦斯賦存壓力,保障工作面生產安全,鉆孔瓦斯預抽是目前主要的方法之一。由于復雜地質條件及現階段鉆孔技術限制[2],鉆孔穩定性無法得到較好預測,煤層開采及生產活動均會對煤體鉆孔周圍平衡狀態造成影響,使得鉆孔穩定性受到破壞[3-7],從而降低瓦斯抽采效率,瓦斯抽采達不到預期效果[8-10]。因此,需研究不同布置參數下鉆孔穩定性變化規律,明晰不同抽采參數的變化機理。

近年來,國內外許多學者對瓦斯抽采鉆孔破壞特征及穩定性方面進行了大量研究。韓穎等[11]針對煤層鉆孔孔壁穩定性深入分析,通過研究分析鉆孔周圍“三帶(區)”內孔壁穩定性,得到鉆孔失穩的力學條件。BIENIAWASKI、GAO和HOBBS等[12-14]對于煤巖體的力學特性和破壞規律以及三軸壓縮條件下的應力應變特征進行了研究。WHITE、姚向榮等[15-16]通過三軸加載實驗裝置對試樣的變形破壞特征以及破壞形式進行了實驗研究。付國彬、劉建林、王建鈞等[17-19]通過理論分析和數值模擬,建立了力學模型,并發現大鉆孔直徑與孔壁煤體結構變形破壞是引起鉆孔孔壁失穩的根本原因。張飛燕[20]通過數值模擬軟件與通用離散元程序,指出煤巖體破壞形式一般為拉伸破壞和剪切破壞。林柏泉、WHITTLES等[21-22]根據數值模擬與實驗研究相結合的方式,模擬了不同地質條件等因素下的回采工作面,探究其鉆孔變形的破壞特征。付斌、劉建新等[23-24]借助RFPA 2D數值模擬軟件,對煤巖組合體在單軸和三軸狀態下的力學性質和破裂過程進行分析。李曉璐、ZHAO等[25-26]分別利用FLAC3D對煤巖組合體和煤巖組合體損傷破壞特性進行了數值模擬研究。杜鋒、鐘江城等[27-28]基于CT掃描和數值模擬,分析了含瓦斯煤巖組合體在常規三軸壓縮以及卸圍壓條件下的損傷破壞規律、損傷破壞特性及能量演化規律,定性研究了煤樣單軸壓縮過程中的損傷演化規律及破壞機理。

綜上所述,目前主要對于固定煤層賦存壓力條件進行研究,較少考慮實際情況下煤層處于穩壓狀態,煤層具有初始壓力,對于穩壓情況下鉆孔的不同失穩情況還需進一步深入研究。因此,選用FLAC3D數值模擬軟件,研究不同鉆孔直徑、穩壓壓力及加載速率影響下煤體鉆孔縱向位移的變化規律,明晰煤體鉆孔破壞特征及穩定性影響機理,以期為煤層瓦斯預抽現場工程實踐提供一定理論依據。

1 模擬方案

1.1 模型構建

通過FLAC3D數值模擬軟件建立模型,選取Mohr-Coulomb塑性模型作為煤體本構模型,以陜西某礦為參照,煤體試件物性參數見表1。

表1 煤體試件物性參數Table 1 Physical parameters of coal specimen

模型試件尺寸為300 mm×300 mm×300 mm,煤體正面正中央處進行一次性開挖鉆孔,分別在鉆孔頂部、腰側及底部布置3個縱向監測點A點、B點、C點。A點位于鉆孔頂部,坐標為(0,75,r),B點位于鉆孔腰側,坐標為(r,75,0),C點位于鉆孔底部,坐標為(0,75,-r),其中,r為不同實驗中的鉆孔半徑,煤體試件模型如圖1所示。

圖1 煤體試件模型Fig.1 Coal specimen model

1.2 基本假設條件

煤層鉆孔瓦斯預抽效率受眾多因素影響,其中包括鉆孔穩定性、地質情況、地下水賦存及構造應力等多種因素。考慮到現場工程實踐的復雜情況,需要對構建模型進行簡化假設,便于對煤體試件建模及數值模擬計算,在借鑒其他學者的數學模型基礎上,對數值模擬模型做出如下假設。

(1)在應力方面,只考慮自身的自重,忽略環境周圍其他構造應力;

(2)忽略煤體結構不連續性對鉆孔穩定性的影響;

(3)煤體為連續均勻的介質;

(4)該煤體僅進行靜態載荷分析,不考慮煤體流變性所導致的鉆孔失穩情況。

1.3 網格劃分合理性分析

在利用FLAC3D軟件進行數值模擬研究時,網格劃分質量對數值模擬研究影響重大,劃分時應以實際物理學參數變化情況為基準,當物體變化較為緩慢或基本偏向靜止時,網格可劃分較粗糙,減少模擬所需時間;當運動較為劇烈或大變形的情況下,網格應劃分較為細膩,提高模擬精準性,使模擬結果與實際情況更加接近。

對于三維實體數值模擬模型單元網格劃分,首先判斷所模擬的三維試件本構模型,查看軟件中是否存在類似網格(本文所使用網格為柱形隧道外圍漸變放射網格與柱體網格相結合);接著對網格進行初步劃分,并試運行,觀察網格劃分效果是否達到預期標準;然后重復試運行,調整網格劃分的比例,選擇合適的網格劃分比例。

因需要研究鉆孔周圍煤體變化情況,故鉆孔附近網格劃分較為密集,周圍變形程度一般的煤體則采用較為粗糙的網格劃分。網格劃分的具體情況如圖2所示。

圖2 煤體鉆孔試件的網格劃分Fig.2 Mesh division of coal drilling specimens

1.4 模擬方案

將煤體試件四周及底面固定,僅在煤體鉆孔試件頂面施加豎直向下的加載應力,觀察不同因素影響下鉆孔煤體試件的變化情況。具體方案設計見表2。

表2 數值模擬方案設計Table 1 Scheme design of numerical simulation

為了研究單因素對煤體試件的影響情況,根據影響因素的變化梯度,設計以下3組水平實驗,分別探究鉆孔直徑d、穩壓壓力p和加載速率v這3個不同因素對煤體的影響。

2 不同影響因素下煤體鉆孔破壞特征

2.1 鉆孔直徑對煤體鉆孔破壞特征的影響

通過改變鉆孔直徑大小,研究在相同穩壓壓力、加載速率、煤體力學參數條件下鉆孔直徑對煤體縱向位移的影響關系,通過三軸模擬實驗,得到煤體縱向位移云圖及最大縱向位移(正值壓縮,負值拉伸),如圖3所示。鉆孔頂部A點最大縱向位移與鉆孔直徑呈正相關關系,隨著鉆孔直徑的增大,最大縱向位移增大0.048 mm,增長幅度為1.10%;鉆孔腰側最大縱向位移隨鉆孔直徑變化不明顯,最大縱向位移穩定在0.178 mm左右;鉆孔底部最大縱向位移與鉆孔直徑呈負相關關系,隨著鉆孔直徑的增大,最大縱向位移減小0.022 mm,降低幅度為17.05%。

圖3 鉆孔直徑對煤體試件縱向位移的影響Fig.3 Influence of borehole diameter on longitudinal displacement of coal specimen

當鉆孔直徑分別為12 mm、16 mm、20 mm、24 mm、28 mm時,鉆孔頂點A最大縱向位移由-0.234 mm增大到-0.285 mm;鉆孔測點B最大縱向位移由-0.178 mm增加至-0.183 mm;底部C點最大縱向位移由-0.137 mm減小到-0.101 mm。

鉆孔周圍煤體破壞程度隨鉆孔直徑的增大而增大,且不同鉆孔直徑所造成的破壞程度不同,鉆孔越大,鉆孔頂部縱向位移越大,煤體內部裂隙結構不斷發育擴大,超過煤樣自身彈性形變最大量,由彈性變化階段進入彈塑性變化階段。隨著煤體內部裂隙不斷發育,鉆孔周圍孔隙進一步發育變為微小裂隙,鉆孔穩定性開始受到影響。當鉆孔周圍煤體出現較大裂隙時,持續加載循環,裂隙進一步發育,鉆孔失穩破壞。鉆孔直徑越大,鉆孔頂部越容易遭到破壞,煤體試件鉆孔穩定程度隨著鉆孔直徑的增大而不斷降低。

2.2 穩壓壓力對煤體鉆孔破壞特征的影響

通過改變穩壓壓力的大小,研究在相同鉆孔直徑、加載速率、煤體力學參數的條件下穩壓壓力對于煤體縱向位移的影響關系,通過三軸試驗,得到如圖4所示縱向位移云圖及最大縱向位移(正值壓縮,負值拉伸)。由圖4可知,最大縱向位移與穩壓壓力之間為負線性相關關系,當穩壓壓力分別為5 000 N、5 500 N、6 000 N、6 500 N、7 000 N時,鉆孔頂點A、側點B、底部C點最大位移分別由-0.266 mm、-0.180 mm、-0.112 mm增大到-0.379 mm、-0.250 mm、-0.155 mm,頂點A位移圖像斜率最大。

圖4 穩壓壓力對煤體試件縱向位移的影響Fig.4 Effect of stabilizing pressure on longitudinal displacement of coal specimen

鉆孔周圍煤體破壞程度隨穩壓壓力的增大而增大,且穩壓壓力的擴大會使得鉆孔煤體試件整體縱向位移處于擴大的趨勢,其中鉆孔頂部煤體縱向位移顯著,該區域煤體內部裂隙結構得到充分發育擴展,變形程度超過煤體彈性應變的最大值,從彈性形變階段轉為塑性變形階段,最終破裂失穩。穩壓壓力較小的初期,鉆孔細微裂紋發育,鉆孔周圍煤體處于直線彈性變形階段,鉆孔穩定性較好,鉆孔煤體試件整體結構未發生明顯改變。隨著煤礦開采向深部發展,穩壓壓力增大,鉆孔煤體試件縱向位移同步增大,鉆孔頂部煤體由微小裂隙發育為較大裂隙,出現較大不可逆變形,煤體鉆孔試件穩定性程度受到破壞。穩壓壓力越大,鉆孔頂部越容易遭到破壞,煤體試件鉆孔穩定程度隨著穩壓壓力增大而不斷降低。

2.3 加載速率對煤體鉆孔破壞特征的影響

通過改變加載速率的大小,研究在相同鉆孔直徑、穩壓壓力、煤體力學參數條件下加載速率對煤體縱向位移的影響關系,通過三軸試驗,得到縱向位移云圖(正值壓縮,負值拉伸),如圖5所示。由圖5可知,煤體試件內部所監測的3點,鉆孔頂部A點、鉆孔側點B點及鉆孔底部C點,最大縱向位移與加載速率之間可看成一次函數的關系。當加載速率分別為0.001 mm/s、0.003 mm/s、0.005 mm/s、0.007 mm/s、0.009 mm/s時,鉆孔頂點A、側點B、底部C點最大位移分別由-0.019 mm、-0.001 mm、0.000 9 mm增大到-0.053 mm、-0.023 mm、-0.005 mm,頂點A變化最顯著。加載速率的增大會導致鉆孔頂部裂隙發育、發生破裂,煤體試件鉆孔穩定程度隨著加載速率的增大而不斷降低。

圖5 加載速率對煤體試件縱向位移的影響Fig.5 Influence of loading rate on longitudinal displacement of coal specimen

加載速率的增大會導致鉆孔煤體試件內部結構穩定性下降,鉆孔煤體試件整體縱向位移處于擴大的趨勢。當加載速率較小時,鉆孔煤體試件收斂時間較短,鉆孔周圍煤體位移變化不明顯,當收斂時間較長時,縱向位移變化明顯,鉆孔頂部位移較大,裂紋發育完全,頂部煤體隨加載速率的增大,孔裂隙不斷發育,鉆孔穩定性遭到破壞。加載速率對煤體結構具有抑制作用,合適的頂部加載速率可以保障煤體結構的穩定性及鉆孔結構的完整性。

2.4 煤體鉆孔穩定性影響機理分析

煤體在受到外界擾動后,煤體應力應變曲線依次由壓密階段(OA)、線彈性階段(AB)、彈塑性過渡階段(BC)、塑性階段(CD)和后破壞階段(DE)共5個階段構成。對于煤體整體而言,在壓密階段(OA),煤體內部原有微小裂隙壓實閉合,新生裂隙出現幾率較小;在線彈性階段(AB),煤體內部微小裂隙不斷壓實,同時出現極小的新生裂隙,煤體整體強度初步受到影響;在彈塑性過渡階段(BC),新生裂隙逐漸增多,煤體結構受到影響,鉆孔周圍煤體出現破碎現象;在塑性階段(CD),煤體內部應力值達到屈服極限,煤體破裂速度加快,新生裂隙迅速發育并相互貫通;在后破壞階段(DE),煤體結構遭到破壞,大裂隙發育貫通,鉆孔穩定性完全破壞,鉆孔失去穩定性。

對于鉆孔周圍煤體而言,由于鉆孔的存在,孔壁周圍煤體的煤層原始應力分布受到影響,鉆孔兩側出現應力集中區,原有平衡狀態遭到破壞,在外界因素影響下應力集中區進一步擴大,在上覆煤巖層壓力影響下,鉆孔周圍煤體向鉆孔內部進行運動,造成鉆孔直徑的減小,破壞了孔壁穩定性,即鉆孔周圍煤體強度的極限應力值超過了煤體自身強度,鉆孔周圍部分煤體由彈性變形轉為彈塑性變形,出現塑性破壞區。煤體鉆孔穩定性機理分析示意如圖6所示。

3 結論

(1)通過數值模擬發現鉆孔直徑的增加會破壞鉆孔穩定性。當煤體試件鉆孔直徑增大時,鉆孔頂點、側點縱向最大位移與鉆孔直徑呈負線性關系,鉆孔底部與鉆孔直徑其呈正線性關系。

(2)隨著穩壓壓力的增大,發現3個監測點位移均有不同程度的上升,其中鉆孔頂點變化最為顯著。

(3)隨著加載速率的增大,3個監測點的縱向位移均有不同程度的上升,其中鉆孔頂點變化最為顯著,側點其次,鉆孔底部則變化較為平緩,三者均與其呈負線性關系。

(4)通過對不同應力應變階段煤體鉆孔試件所處狀態進行分析研究,觀察鉆孔周圍煤體形態特征,揭示了煤體鉆孔失穩隨時間的變化特征,能夠為瓦斯高效安全抽采提供理論依據。