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基于数值模拟的钻孔卸压工艺参数对煤层力学性质影响研究

2024-12-15 114 上传者：管理员

摘要：大直径钻孔卸压是冲击地压防治手段中的一项重要措施，但是针对钻孔卸压工艺参数的选取目前还依赖于工程现场的经验，缺乏完善的理论支持，且关于煤层力学性质与钻孔卸压工艺参数的关联性的研究较少，因此研究并建立钻孔卸压与煤层力学性质之间的关系模型是亟需解决的课题。为此，采用数值模拟及现场验证相结合的方法，研究了不同钻孔卸压工艺参数与煤层力学参数的关系。结果表明，钻孔孔径的增大会导致钻孔上方分布的垂直应力数值逐渐降低，在其他钻孔参数相同的条件下，孔径越大钻孔卸压所得的效果越好。以钻孔位移场、应力场分布规律作为判定依据，确定了煤体强度为5.5～30.23 MPa的煤体合理卸压钻孔孔径为100～150 mm,合理钻孔间距为0.6～1.6 m。通过煤体强度、弹性模量、泊松比与钻孔孔径及孔间距的关系，拟合得到了钻孔参数与煤体力学性质的数学模型，可以通过煤体的力学性质得到合理的卸压钻孔孔径及孔间距。研究结果可为钻孔卸压防治冲击地压的工艺参数选取提供理论支撑。

关键词：
冲击地压
工艺参数
钻孔卸压
钻孔孔径
钻孔间距
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大直径钻孔卸压作为防治冲击地压的重要手段之一，在具有冲击地压的矿井中得到了广泛应用，并且许多学者对钻孔卸压的相关理论进行了研究，如易恩兵等[1]分析了软煤及硬煤2种煤层的钻孔卸压效果，得到的结果表明，软煤层相比于硬煤层拥有更佳的卸压效果。刘红岗等[2]研究了钻孔卸压对围岩结构的破坏特征及应力转移规律，得到的结果表明，钻孔卸压使得围岩结构发生了预裂破坏，且高应力区逐渐向围岩深部进行转移。贾传洋等[3]分析了不同钻孔卸压工艺参数对卸压效果的影响，其认为孔径和孔深与卸压效果之间呈正比，孔间距与卸压效果之间呈反比。王猛等[4]分析了钻孔卸压工艺参数对围岩稳定的影响规律，将卸压程度分为了非充分、充分以及过度卸压3类。王书文等[5]从能量角度分析了钻孔卸压防治冲击地压的效果。李怀军等[6]采用数值模拟结合理论分析的方法，对前和煤业的东胶带大巷进行了钻孔卸压参数的优化设计，最终提出钻孔卸压结合让压支护的联合措施来对围岩进行控制。陈涛等[7]利用数值模拟软件研究了深部煤层钻孔卸压参数的防冲效果，并结合现场应力分布优化了钻孔布置参数。李小彦等[8]分析了大直径钻孔卸压对围岩强度及锚杆锚固力的影响，总结得到了大直径钻孔参数与锚固力及围岩强度的关系模型。阮学云等[9]探究了不同孔径参数对于防治冲击地压效果的影响规律，得到的结果表明孔径与卸压效果之间呈正相关。

综上所述，大多数学者所研究的内容未提及钻孔卸压工艺参数与煤体力学性质之间的关系，已知的研究中认为钻孔直径一般在120～150 mm,钻孔间距根据冲击危险程度强冲击、中等冲击、弱冲击分别控制在1 m、2 m、3 m,但是煤层的力学性质不同，在具有相同冲击危险程度时，如何选取钻孔卸压工艺参数并未有详细且完善的理论支持[10]。因此，通过数值模拟软件ANSYS 17.0建立煤层钻孔卸压数值模型，分析钻孔卸压孔径、孔间距以及煤层硬度与煤层力学性质之间的关系，建立钻孔卸压工艺参数与力学性质之间的数学模型，并通过现场工程进行验证，所研究内容可为钻孔卸压防治冲击地压的工艺参数选择提供参考。

1、煤层钻孔卸压机理分析

当在煤层中施工一系列孔径在100 m以上的钻孔时，由于煤层深处地下几百米，受到地应力的作用，钻孔周围的煤体就会产生裂隙并发生破坏，随着裂隙的产生远离钻孔的煤体也会受到影响发生破裂和松动，从而在煤层中形成以钻孔为中心的塌孔区、破裂区、塑性区和弹性区，导致煤层的高应力向煤层深部进行转移，其卸压原理如图1所示[11-12]。钻孔周围的塌孔区和塑性区会导致煤体的强度降低，当煤层所受压力及自重力相加超过了煤体的承载极限，钻孔就会发生坍塌破坏，钻孔内部的自由空间成为破坏煤体的存在场所，在靠近破裂区边界时会存在一定的支撑力，如果支撑力与变形压力无法保持平衡，则塌孔区的松散煤体会被重新压实，促使变形能向钻孔内部释放，一直持续到孔内的支撑力能够与变形压力保持平衡为止，此时煤层内部整体达到受力平衡状态，钻孔周围的塌落区、破裂区、塑性区及弹性区相对保持稳定，所形成的钻孔围岩应力区域分布如图2所示。

图1钻孔卸压机理

图2钻孔围岩煤体应力分布

2、钻孔参数对煤层力学性质影响的数值模拟

2.1 模型建立

ANSYS/LSDYNA是功能齐全的非线性显示分析程序，可以求解各种几何非线性、材料非线性和接触非线性问题。在土木建筑工程中经常用来模拟冲击动力方面的问题，例如：力学模型动力响应问题、弹丸侵彻分析、地震对地上及地下工程的影响、还有工程爆破的动力分析。因此采用ANSYS17.0模拟软件，建立模型尺寸为6 m×3 m×1 m(长×高×宽),模拟中力学模型采用摩尔-库伦模型。模拟中岩石单元类型采用ANSYS中的SOLID 185单元，在进行静态分析时模型的左右边界施加水平方向位移约束，底部边界施加全位移约束，模拟最上岩层埋深1 000 m,所以在模型顶部施加25 MPa的等效垂直应力载荷，重力加速度为9.8 m/s2。模拟中选取6种抗压强度的煤体，每一种强度煤体分别进行钻孔直径为100 mm、120 mm、140 mm以及间距为0.6 m、1 m、1.2 m的模拟，共建立36个模型，煤体的参数见表1。

2.2 固定煤层强度钻孔卸压参数分析

2.2.1 固定间距不同孔径卸压效果模拟

对比极软煤、软煤、中硬煤、硬煤4种不同物理性质的煤层钻孔卸压效果发现，随着煤层硬度的增加，钻孔塌孔程度降低，卸压效果逐渐降低，在相同参数下软煤卸压效果要优于其他硬度煤层，因此分析过程中以单轴抗压强度为10.27 MPa的软煤为例，分析钻孔孔径分别为100 mm、120 mm、140 mm,孔间距为1 m时，煤体的位移、应力云图的变化规律。

表1围岩物理力学参数

位移场变化规律：无卸压孔及不同孔径卸压孔的煤体位移场分布云图如图3所示。由图可知，不同孔径钻孔卸压后，煤体位移的分布形态基本相似，均在孔周位置出现下沉的较大位移量，随着钻孔孔径的增大，围岩下沉量逐渐增加，说明随着钻孔孔径的增加，卸压效果越来越好。

图3平衡时总位移分布云图

应力场变化规律：无卸压孔及不同孔径卸压孔的煤体应力场分布云图如图4所示。由图可知，钻孔的上方和下方形成了应力降低区，孔径为100 mm时，由于孔径较小应力降低区域较小，钻孔两边的应力集中区域范围较小且相距较远，卸压的效果较差。随着钻孔孔径增加到120 mm时，钻孔上下形成的应力降低区域增加3倍左右，卸压效果有所增强，但应力集中区域范围增加呈现出蝴蝶形分布但仍未连通。当钻孔孔径增加到140 mm时，相邻钻孔的上下应力降低区范围进一步增加，钻孔两边的应力集中区域互相连通，卸压效果明显增强。在钻孔上方的1.8 m处沿水平方向做切线，统计得到不同钻孔孔径上方同一切线位置的垂直应力值，如图5所示。由图5可知，随着钻孔孔径的增大，钻孔上方分布的垂直应力数值逐渐降低，且降低的幅度逐渐增大，说明在其他钻孔参数相同的条件下，孔径越大钻孔卸压所得的效果越好。

2.2.2 固定孔径不同孔间距卸压效果模拟

以单轴抗压强度10.27 MPa的煤体为例，分析当钻孔的孔径为140 mm,孔间距分别为0.6 m、1 m、1.2 m时，煤体的位移、应力云图的变化规律。

位移场变化规律：无卸压孔及不同孔间距卸压孔的煤体位移场分布云图如图6所示。由图可知，不同孔间距钻孔卸压后，煤体位移的分布形态基本相似，均在孔周位置出现下沉的较大位移量，当孔间距为0.6 m时，在模型中可以观察到明显的下沉量，随着钻孔间距的增大，围岩下沉量逐渐降低，说明随着钻孔孔径的增加，卸压效果越来越低。

图4应力场演化云图

图5不同孔径钻孔上方同一切线位置垂直应力

应力场变化规律：无卸压孔及不同孔间距卸压孔的煤体应力场分布云图如图7所示。由图可知，当孔间距为0.6 m时，相邻钻孔之间的应力降低区域互相连通，此时的应力降低区域范围最大，但是孔间距过小会造成煤层的支护压力过大，因此在现场施工中不建议考虑0.6 m的孔间距。当间距为1 m时，应力降低区域有所减小，卸压效果不如0.6 m间距。当间距为1.2 m时，应力降低区域相比与孔间距为1 m时有所增加，因此卸压效果随着钻孔间距的增加表现出先减小后增加的趋势。

2.3 不同力学性质煤体合理卸压钻孔间距分析

根据上述分析理论进行判定，确认具有不同力学性质煤体的合理卸压钻孔孔径及孔间距见表2,并通过Origin软件对数据进行处理，获得钻孔孔径、孔间距与煤体力学参数的关系，如图8所示。为了提高计算精度，取钻孔孔径及孔间距与煤体强度、弹性模量和泊松比三者拟合结果的平均值，得到在特定煤层参数时的钻孔孔径及孔距计算公式为

D孔径=121.4-0.63σ-3.03exp(0.33E)+106.3ν(1)

L孔间距=0.42+0.58exp(-0.05σ)+0.98exp(-0.17E)+0.000 6exp(18.5ν) (2)

式中，σ为煤体强度，MPa;E为弹性模量，GPa;v为泊松比。

表2煤体合理卸压钻孔间距

3、工程验证

3.1 煤层概况及钻孔卸压参数设定

为了检验研究成果的合理性以及及时对研究成果进行修正，因此，以朱家店煤矿西一采区的上山猴车机道为研究对象，进行了大直径钻孔卸压，分析卸压的防冲效果，验证前述内容的合理性。朱家店煤矿位于中阳县城北西直距约9.25 km处，距吕梁市离石区约11.25 km,行政区划属于金罗镇管辖。研究对象的工作面煤层平均埋深为300～480 m,煤层厚度0～2.37 m,平均1.30 m,偶含一层0.05～0.10 m左右的夹矸，属较稳定的大部可采煤层，煤层倾角为8°～13°,平均9°。

图6平衡时总位移分布云图

图7应力场演化云图

西一采区上山开采深度为450 m,该位置鉴定为强冲击危险，该采区煤层受采动影响具有强冲击倾向性，顶板弯曲能量指数为177.92 kJ。通过实验测定得到该采区9号煤层的抗压强度为12.4 MPa,处于软硬煤之间，弹性模量约为3.75 GPa,泊松比约为0.29。根据公式(1)和公式(2),计算得到孔径为134 mm,孔间距为1.36 m。根据采区构造分析，上山猴车道断面较大，应力集中区域较深，因此考虑钻孔深度为15 m,钻孔布置方式为单排布置距离底板1.5 m。具体的钻孔布置参数见表3。

3.2 卸压效果检测

在现场施工中通常采用钻屑量来对卸压效果进行检测，钻屑量较多的区域通常划分为高应力区，钻屑量较少区域则划分为低应力区。为验证钻孔参数的合理性，在9号煤层钻孔周围区域进行钻屑量检测，每钻进1 m记录煤粉量数值，得到如图9所示的钻屑量变化曲线。

表3西一采区大直径钻孔卸压参数

由图9可知，煤层在钻孔卸压之前钻屑量的平均数值在1.93 kg/m左右，最高钻屑量数值为2.8 kg/m,峰值点处于钻孔深度的7 m位置。经过钻孔卸压后，平均钻屑量达到1.44 kg/m,降低幅度达到25.3%,峰值钻屑量达到2.80 kg/m,降低幅度达到21.4%,峰值点位置向煤层深部转移至钻孔深度为10 m位置。综上所述，采区中的计算公式所设定的钻孔卸压参数进行的钻孔卸压取得了良好的卸压效果，钻孔参数也处于合理参数范围之内。

图8煤体力学性质与钻孔参数关系

图9钻屑量变化曲线

4、结论

(1)钻孔孔径的增大，会导致钻孔上方分布的垂直应力数值逐渐降低，且降低的幅度逐渐增大，在其他钻孔参数相同的条件下，孔径越大钻孔卸压所得的效果越好。

(2)以钻孔位移场、应力场分布规律作为判定依据，确定了煤体强度为5.5～30.23 MPa的煤体合理卸压钻孔孔径为150～100 mm,合理钻孔间距为1.6～0.6 m。

(3)通过煤体强度、弹性模量、泊松比与钻孔孔径及孔间距的关系，拟合得到了钻孔参数与煤体力学性质的数学模型，可以通过煤体的力学性质得到合理的卸压钻孔孔径及孔间距。

参考文献:

[1]易恩兵,牟宗龙,窦林名,等.软及硬煤层钻孔卸压效果对比分析研究[J].煤炭科学技术,2011,39(6):1-5,85.

[2]刘红岗,贺永年,徐金海,等.深井煤巷钻孔卸压技术的数值模拟与工业试验[J].煤炭学报,2007,32(1):33-37.

[3]贾传洋,蒋宇静,张学朋,等.大直径钻孔卸压机理室内及数值试验研究[J].岩土工程学报,2017,39(6):1115-1122.

[4]王猛,王襄禹,肖同强.深部巷道钻孔卸压机理及关键参数确定方法与应用[J].煤炭学报,2017,42(5):1138-1145.

[5]王书文,潘俊锋,刘少虹,等.基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法[J].煤炭学报,2016,41(S2):297-304.