软煤层钻孔稳定性的影响因素分析

崔树军

(山西晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部,山西 晋城 048006)

目前,高瓦斯、高地应力和冲击地压问题,已成为制约矿井安全高效生产的主要瓶颈。煤层钻孔瓦斯预抽是区域性防突和局部性防突的主要措施之一[1-2]。煤层钻孔的成孔质量决定着瓦斯抽采的效率。许胜军[3]通过D-P准则和UDEC模拟方法,研究了节理密度对钻孔稳定性的影响；霍留鹏[4]基于弹塑性理论建立钻孔力学模型,对煤层钻孔损伤区半径理论进行了研究；郭恒[5]通过弹塑性力学模型研究了钻孔孔壁的失稳机理；王振[6]基于掘进工作面防突钻孔失稳力学模型,分析了钻孔孔底及孔壁附近煤体的破坏形式及失稳特征。

由于煤层中存在高应力集中,开采时会发生不可预知的灾害。采用水力冲孔可对煤层起到卸压增透效果,能有效降低事故的发生率。煤的抗剪强度、内聚力等因素对水力冲孔的卸压范围都起到了很大的影响[7]。李超[8]采用FLAC3D软件建立水力冲孔模型,研究了煤层在水力冲孔后的卸压增透机理。钻孔卸压不仅仅只适用于煤层瓦斯的抽采过程,对于软煤层开采后巷道实施卸压钻孔,可有效减小巷道围岩的变形量,改善其支护状况[9]。李兵[10]研究发现松软煤层中巷道两帮的变形破坏和顶板离层形成交互循环影响。

学者们对于钻孔稳定性已做了诸多相关研究,但针对于软煤层中钻孔在不同埋深、不同钻孔直径、不同侧压系数以及花管支护等条件下的稳定性分析研究较少。本文以胡底矿煤体力学参数为依据,基于煤体的弹塑性本构关系,采用FLAC3D软件建立相关模型,分析了不同条件下钻孔的破坏情况。结果表明:埋深越大、钻孔直径越大以及侧压系数越大,钻孔的稳定性越差;花管支护能有效抑制钻孔围岩变形,提高钻孔稳定性,提高瓦斯抽采效率。

1 矿井地质条件

胡底矿位于沁水煤田东侧,井田主要含煤地层为石炭系上统太原组和二迭系下统山西组。可采的3#、15#煤层均属高变质的无烟煤,煤质稳定,煤种单一。3#煤层:位于山西组下部,埋深808.8 m,上距下石盒子组底砂岩(K8)31.74～42.33 m,下距太原组K6灰岩10.51～14.95 m,层厚5.20～6.15 m,平均5.67 m,煤的坚固性系数f<1.5,属较软煤岩。细条带状,玻璃光泽,亮煤为主,镜煤次之,光亮型,厚度变异系数0.06,煤层稳定,可采系数100%。煤层结构简单,夹矸0～1层,厚0.05～0.39 m;直接顶板为黑色泥岩或粉砂质泥岩,厚0.5～2.0 m;底板为灰黑色泥岩或粉砂质泥岩,厚0.5～3.0 m。

2 钻孔仿真数值模型

英国的Peter Cundall博士于20世纪70年代开发了FLAC3D软件,采用有限差分的方法来分析岩土工程中的问题。FLAC3D软件自带有弹性模型、塑性模型及Null模型,可以建立不同受力状态下的岩石模型。为分析软煤层中钻孔的变形破坏特征,本文以胡底矿3#煤力学参数为依据,基于煤体的弹塑性本构关系,采用FLAC3D软件建立相关模型,分析研究不同埋深、不同钻孔直径、不同侧压系数以及花管支护等因素下钻孔的破坏情况。煤体力学参数如表1所示。

表1 胡底矿3#煤力学参数

为避免边界效应的影响,建立长×宽×高=2 m×2 m×1 m的数值模型,钻孔位于模型中部,采用Null单元模拟钻孔开挖。模型边界条件:模型底部设置为竖直位移方向,左侧、右侧和前、后部方向设置为法向位移约束边界,模型上部采用均布载荷代替上覆岩层自重,数值分析仿真模型如图1所示。

图1 数值分析仿真模型

3 软煤层钻孔影响因素研究

3.1 埋深对钻孔稳定性的影响

当钻孔的直径为100 mm,在埋深分别为200 m、400 m、800 m时的钻孔破坏垂直位移云图及位移曲线如图2所示。由图2可知,钻孔成孔后由于卸压效应,顶、底部煤体产生径向移动，钻孔最大位移均发生在顶部。埋深为200 m、400 m、800 m时,钻孔的最大垂直位移分别为9.27 mm、21.42 mm、59.675 mm;埋深400 m的位移是200 m时的2.3倍,埋深800 m的位移是200 m时的6.4倍。分析可知,钻孔垂直破坏位移随埋深的增加而增加。

(a)埋深200 m

钻孔围岩塑性区范围随钻孔埋深的变化如图3所示。埋深为200 m、400 m、800 m时,钻孔围岩塑性区范围分别为钻孔半径的2倍、3倍、5倍;400 m、800 m埋深下的钻孔围岩塑性区范围其垂直方向大于水平方向。分析可知,钻孔成型后周围出现卸压区,煤体发生移动,随埋深的增加塑性区范围增大。

图3 钻孔围岩塑性区范围随钻孔埋深的变化

3.2 钻孔直径对钻孔稳定性的影响

图4为埋深400 m时,不同直径的钻孔破坏垂直位移云图及位移曲线。由图4可知,钻孔直径分别为50 mm、100 mm、150 mm时,钻孔最大垂直位移分别为5.94 mm、21.95 mm、59.675 mm;当直径由50 mm增加至150 mm时,位移增加10倍。分析可知,钻孔直径会影响软煤钻孔的变形情况,钻孔顶部垂直位移随着直径的增大而增大;随着钻孔直径的增加,对煤体的扰动作用也增强。

(a)D=50 mm

钻孔围岩塑性区范围随钻孔直径的变化情况如图5所示,当直径分别为50 mm、100 mm、150 mm时,塑性区范围分别为半径的2倍、4倍、6倍。分析可知,钻孔围岩塑性区范围随着钻孔直径的增大呈增加趋势;当钻孔直径小于100 mm时,塑性区范围增加缓慢;直径大于100 mm时,钻孔围岩塑性区范围增加显著。

图5 钻孔围岩塑性区范围随钻孔直径的变化

3.3 侧压系数对钻孔稳定性的影响

当埋深400 m,钻孔直径为100 mm时,不同侧压系数下钻孔破坏垂直位移位移云图及位移曲线如图6所示,当侧压系数λ=0.5,1.0,2.0时,钻孔最大垂直位移分别为12.44 mm、19.05 mm、44.83 mm。分析可知,随着侧压系数的增加,钻孔最大垂直位移量也随之增加。在地应力较高地区进行钻孔施工,因钻孔受力不均,易产生应力集中,影响钻孔的稳定性。

(a)λ=0.5

图7为侧压系数分别为λ=0.5,1.0,2.0时,钻孔埋深400 m,直径100 mm时的钻孔围岩塑性区范围变化云图。由图7可以知,当λ=0.5时,钻孔塑性区范围沿水平方向较大;当λ=1.0时,钻孔塑性区范围呈对称分布;当λ=2.0时，塑性区范围显著增加。分析可知,侧压系数λ越大,钻孔围岩塑性区范围越大,顶底板最大破坏深度随着侧压系数的增大而增加。

图7 钻孔围岩塑性区范围随侧压系数的变化

4 花管对钻孔的支护效果分析

软煤层钻孔承载力差,钻孔所处的应力环境、煤体结构、孔隙压力、钻进工艺等是影响钻孔稳定性的重要因素。为防止钻孔变形、塌孔等现象影响瓦斯的抽采效率,对成型后的钻孔进行相应的支护是必要的。钻孔支护方式有多种,例如对孔壁表面喷洒泡沫混凝土泥浆，该方法对技术要求相对较高,尤其是对钻头和钻杆的要求。采用花管支护技术就显得相对成熟且简单，便于操作。

花管有普通花管和内支撑花管两种,内支撑花管相比于普通花管，支护效果更好,但其技术和经济成本也更高。因此本文选用弹性模量为0.7 GPa,泊松比为0.3,管壁厚度3 mm的PVC材质普通花管,借助FLAC3D软件建立花管支护钻孔模型,如图8所示。通过定量煤体参数、位移约束条件等各项影响因素,对比埋深400 m、钻孔直径100 mm时,花管支护和未支护两种情况下钻孔的变形破坏情况,分析研究花管对钻孔的支护效果。

图8 花管支护钻孔模型

不同支护条件下钻孔破坏垂直位移云图及位移曲线如图9所示。由图9可知,两种形式下钻孔顶部垂直位移均最大,且垂直位移均远大于水平方向的位移;无支护时钻孔垂直最大位移量为21.42 mm,进行花管支护时垂直最大位移量为3.27 mm,相比于未支护时减小了6.6倍。分析可知,相比于未支护的钻孔,花管能对钻孔起到很好的支护作用,减小钻孔变形,提高成孔质量,保证瓦斯抽采效率。

(a)未支护

钻孔围岩塑性区范围随支护条件的变化如图10所示。分析可知,未支护时钻孔围岩塑性区范围是钻孔半径的4倍,花管支护下的钻孔围岩塑性区范围是钻孔半径的1倍。由此可知,在钻孔内安置花管可有效地减小围岩塑性区范围,能较好地抑制围岩变形,为瓦斯的顺利抽采创造条件。

未支护

5 结论

煤层受地应力、自身强度、地质构造等因素的影响,在软煤层中钻孔进行瓦斯的抽采,成孔后会破坏原始煤层的应力平衡状态,钻孔周围应力重新分布,造成应力集中。煤岩承受的应力超过所能支撑的最大荷载时,钻孔就会失稳。本文通过分析研究不同埋深、不同钻孔直径、不同侧压系数以及有无花管支护等条件下的钻孔破坏特征,得出以下结论。

1)埋深400 m时的最大位移量是埋深200 m时的2.3倍,埋深800 m时的最大位移量是埋深200 m时的6.4倍;在埋深400 m情况下,钻孔直径由50 mm增加到150 mm时,钻孔最大位移量增加10倍,钻孔围岩塑性区范围增加9倍。由此可知,软煤层钻孔破坏垂直位移随埋深的增加而增大,钻孔直径越大钻孔围岩变形越大,变形过大会影响瓦斯的抽采效率。

2)侧压系数λ=1时的钻孔最大垂直位移量为λ=0.5时的1.5倍,侧压系数λ=2时的钻孔最大垂直位移量为λ=0.5时的3.6倍;随着侧压系数的增加,钻孔垂直位移量增加,围岩塑性区范围也增加,侧压系数越大钻孔的稳定性越差,瓦斯的抽采效果越差。

3)花管支护下的钻孔垂直位移量相比于未支护时减小6.6倍,围岩塑性区范围减小4倍。结果表明,花管支护可有效减小钻孔破坏深度,抑制钻孔围岩变形,保证钻孔稳定性，提高瓦斯抽采效率。