張飛燕，韓 穎，楊志龍

（1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作454000）

高瓦斯松軟煤層、軟硬復(fù)合煤層和突出煤層深孔鉆進(jìn)是公認(rèn)的世界性難題，已成為制約部分高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井瓦斯治理效果的瓶頸。長(zhǎng)期以來(lái)，眾多研究者針對(duì)上述難題進(jìn)行了大量深入細(xì)致地研究，但其焦點(diǎn)多集中在鉆孔施工裝備及工藝的改進(jìn)方面［1－4］，少數(shù)研究者對(duì)煤層鉆孔施工過(guò)程中發(fā)生的某些現(xiàn)象進(jìn)行了初步分析與探討［5－8］。上述研究工作取得了一定成效，鉆孔深度有所提高，但離瓦斯治理的需求尚遠(yuǎn)，煤層深孔鉆進(jìn)難題并未得到根本解決。究其根源，在于對(duì)煤層鉆孔失穩(wěn)破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)模糊，鉆孔成孔工藝缺乏行之有效的理論支撐。

本文基于UDEC軟件，開展了煤層鉆孔失穩(wěn)破壞的數(shù)值模擬研究，初步探討了煤層鉆孔周圍應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布規(guī)律及其破壞形式，研究結(jié)論可為鉆孔施工提供理論參考與借鑒。

1 鉆孔力學(xué)模型

鉆孔力學(xué)模型如圖1所示。假設(shè)煤層為各向同性，鉆孔在水平方向和垂直方向所受的載荷為P，即側(cè)壓系數(shù)為1。

圖1 鉆孔力學(xué)模型

鉆孔周圍彈性區(qū)應(yīng)力分布計(jì)算公式［9］為

式中，r為極坐標(biāo)，ra為鉆孔半徑，m。

塑性區(qū)應(yīng)力分布計(jì)算公式［9］為

式中，ξ＝（1＋sinφ）／（1－sinφ）；σc＝2Ccosφ／（1－sinφ）；C 為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°。

2 數(shù)值模型的建立

通用離散元程序（Universal Distinct Element Code，UDEC）是一個(gè)處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序［10］。UDEC用于模擬非連續(xù)介質(zhì)（如巖體、煤體中的節(jié)理裂隙等）承受靜載或動(dòng)載作用下的響應(yīng)?！半x散單元法”（Discrete element method）意味著：①允許離散塊體發(fā)生有限的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，包括完全脫離；②在計(jì)算過(guò)程中，自動(dòng)識(shí)別新的接觸面。

本文建立的數(shù)值模型及單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示，其邊界條件為：模型上部受到上覆巖層的自重應(yīng)力作用，設(shè)為力的邊界條件，左右邊界為位移邊界條件，即左右邊界在水平上的位移為0；底部邊界為固定約束，在水平方向和垂直方向的位移都為0。模型所需的煤體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤體力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型及網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 鉆孔周圍應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

鉆孔周圍應(yīng)力分布如圖3所示。其中，圖3（a）表明：鉆孔周圍剪應(yīng)力呈對(duì)稱的“X”狀分布，且最大剪應(yīng)力可達(dá)4MPa。圖3（b）表明：鉆孔周圍水平應(yīng)力也基本呈對(duì)稱分布，且最大水平應(yīng)力可達(dá)4.4 MPa，水平應(yīng)力較大值在垂向上分布較多，且在距離孔壁較近的范圍內(nèi)鉆孔的應(yīng)力分布反而較小，甚至在孔壁處可接近于0，從力學(xué)角度來(lái)分析，這是因?yàn)樵阢@孔開挖之后，由于鉆孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)產(chǎn)生的集中應(yīng)力超過(guò)煤體的強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生屈服，從而產(chǎn)生卸壓過(guò)程，孔壁附近的應(yīng)力自然降低。圖3（c）表明：垂向應(yīng)力在水平方向較大，在垂直方向應(yīng)力分布較小，因此，鉆孔在頂部、底部產(chǎn)生的卸壓區(qū)較大，左右兩側(cè)卸壓區(qū)較小。

3.2 鉆孔周圍位移場(chǎng)分布規(guī)律

煤層經(jīng)過(guò)打鉆后，在鉆孔周圍產(chǎn)生卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，由于鉆孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的變化必然導(dǎo)致鉆孔周圍應(yīng)變發(fā)生變化，應(yīng)變和位移之間有著必然的聯(lián)系。由前文的理論計(jì)算可知，打鉆后孔壁處的徑向應(yīng)力為0，但是隨著向煤體深部的轉(zhuǎn)移鉆孔的徑向應(yīng)力不再為0，而是逐漸增大，并且徑向應(yīng)力朝著鉆孔的臨空面，這就導(dǎo)致孔壁必然向臨空方向產(chǎn)生位移；另一方面，孔壁周圍煤體受到環(huán)向和軸向的壓應(yīng)力，兩向受壓等效于單向受拉，此時(shí)，在鉆孔的徑向也產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力同樣會(huì)導(dǎo)致孔壁周圍的煤體向臨空面發(fā)生位移。圖4為打鉆過(guò)后鉆孔周圍的位移場(chǎng)分布情況，可以明顯看出，鉆孔周圍的煤體向臨空面發(fā)生位移，最大位移為4mm左右，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)模型上半部分和鉆孔周圍的位移分布最為密集，而模型的下半部分位移分布比較均勻，這是因?yàn)殂@孔周圍產(chǎn)生卸壓和自重應(yīng)力的緣故。圖5、圖6分別鉆孔上下孔壁和左右孔壁處的位移隨時(shí)間的變化，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔在上部孔壁處的位移最大，能夠達(dá)到鉆孔底部孔壁位移的兩倍，而左右孔壁處的位移很緊接近。

圖3 鉆孔周圍應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖4 鉆孔周圍位移場(chǎng)分布圖

3.3 鉆孔的破壞形式

煤層鉆孔的破壞形式非常復(fù)雜，鉆孔的破壞必然受到地應(yīng)力和煤體的物理力學(xué)性質(zhì)控制作用，實(shí)際上鉆孔的破壞與否，就是煤層鉆孔周圍所受的應(yīng)力和鉆孔周圍煤體所能承受的最大應(yīng)力之間的斗爭(zhēng)結(jié)果，當(dāng)煤體所有的應(yīng)力超過(guò)煤體強(qiáng)度時(shí)，煤體會(huì)發(fā)生塑性破壞，如果煤體所受的應(yīng)力小于煤體的強(qiáng)度時(shí)，煤體不會(huì)發(fā)生塑性破壞。煤巖體的破壞形式，一般為拉伸破壞和剪切破壞。由圖7可以看出，在鉆孔周圍有小部分范圍發(fā)生拉伸破壞或者劈裂破壞，在孔壁附近發(fā)生了“V”狀破壞，再往煤體深部有很明顯的塑性剪切帶，塑性剪切帶呈“X”狀分布。

圖5 鉆孔頂、底部孔壁處的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖6 鉆孔左右孔壁處的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖7 鉆孔周圍的破壞形式

實(shí)際上，影響鉆孔穩(wěn)定性的因素很多，主要因素包括：①鉆孔所處應(yīng)力環(huán)境，即煤體所受到的地應(yīng)力；②煤層瓦斯壓力，瓦斯壓力越大，煤體強(qiáng)度越低，煤體越容易發(fā)生破壞；③外界人為影響，如打鉆過(guò)程中對(duì)煤體的擾動(dòng)等等。

4 結(jié)論

1）建立了煤層鉆孔的數(shù)值模型，通過(guò)UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)鉆孔周圍的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布和鉆孔的破壞形式進(jìn)行模擬研究。

2）討論了煤層鉆孔的破壞形式，結(jié)果表明：煤層鉆孔主要以剪切破壞為主，孔壁處呈“V”狀破壞和小部分拉伸破壞，孔周煤體深部呈共軛的“X”狀剪切破壞。

3）鉆孔周圍應(yīng)力環(huán)境、煤層瓦斯壓力、外界人為影響為影響鉆孔穩(wěn)定性的主要因素。

［1］王永龍，翟新獻(xiàn)，孫玉寧.刻槽鉆桿應(yīng)用于突出煤層鉆進(jìn)的合理參數(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（2）：304－307.

［2］林柏泉，李慶釗，楊威，等.基于千米鉆機(jī)的“三軟”煤層瓦斯治理技術(shù)及應(yīng)用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（12）：1968－1973.

［3］王永龍，孫玉寧，翟新獻(xiàn)，等.松軟突出煤層新型鉆進(jìn)技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（2）：289－294.

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