李必智，郝世俊，劉明軍，張 強，白 剛，莫海濤

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國礦山開采地質(zhì)條件普遍復雜，隱蔽致災因素較多，雖然開展了災難事故影響因素的普查與治理工作，但鉆探過程中還會發(fā)生沖擊地壓[1-2]、礦井突水[3-5]、煤與瓦斯突出[6-7]等重大災害事故，巷道遭到災難性破壞，人員被困井下。大直徑救援井是煤礦井下突發(fā)事故時，為實現(xiàn)巷道被困人員安全、迅速撤離地面而采取的一項鉆孔工程。多數(shù)情況下，被困人員距離安全避難室較遠，救援人員想要迅速到達事故區(qū)，需要清理巷道或者新掘通道等，輔助工程施工耗時較長，短時間內(nèi)難以形成救援通道。目前國內(nèi)煤礦事故仍主要采取以井下人工救援的方式，但存在耗時長、危險性高及成功率低等問題[8-12]。通過地面大直徑救援井進行井下被困人員快速搶救成為最有效的方式。救援的關鍵是安全、迅速地提升井下被困人員到達地面，要求救援井井徑大[13]、優(yōu)快鉆進[14]、精確中靶[15-16]，同時要控制巷道頂板的完整性[17-21]，以防止地層水、鉆井液涌入巷道，避免對井下人員造成二次傷害。為有效預防地層水和孔內(nèi)流體沿鉆孔突發(fā)涌入巷道，要求透巷前二開井底預留一定安全厚度的巖層為透巷提供保障，同時盡可能縮短安全透巷距離，增加技術套管下入深度，有效阻隔含水層及井壁不穩(wěn)定地層，保證救生艙在救援井下放、提升過程順利。目前國內(nèi)外利用地面大直徑鉆孔營救井下被困人員已取得成功，國內(nèi)學者針對礦山大直徑井成孔工藝與裝備進行了大量的研究[22-23]，但對透巷鉆進時動力擾動對頂板圍巖破壞及安全透巷距離等相關問題缺乏系統(tǒng)性研究?；诖耍P者開展動載荷作用下深部巷道巖層頂板的變形與破裂機理研究，認識動態(tài)擾動觸發(fā)深部巷道發(fā)生失穩(wěn)破裂的力學機制，以期優(yōu)化三開施工時安全透巷距離。經(jīng)工程實鉆數(shù)據(jù)驗證安全透巷距離的可靠性。

1 地層概況及井身結構

山西坪上煤礦3號避難硐室地面救援井鉆遇地層依次為第四系，巖性為黏性土，底部含砂卵石層；二疊系上石盒子組，主要為灰白、淺綠色砂巖，雜色斑塊泥巖、砂質(zhì)泥巖等；二疊系下石盒子組，主要為灰白、淺灰色砂巖，灰色、淺灰色泥巖；二疊系山西組，主要為灰黑色砂、泥巖互層，為主要含煤地層，3號煤厚5.04～7.16 m，平均6.11 m，煤層傾角平均3°，平均埋深295 m；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度13 m，泥質(zhì)膠結，節(jié)理不發(fā)育。為了能夠安全順利、快速升降救生艙，根據(jù)救生艙的規(guī)格尺寸要求，救援井終孔直徑不小于580 mm，綜合考慮覆巖層結構、煤層埋深及厚度、含水性等因素，救援井井身結構設計如圖1所示。

2 模型建立及邊界條件

圖1 救援井井身結構Fig.1 Structure of the rescue well

為了解決工程施工中超復雜接觸及高度非線性問題，基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件進行巖土力學分析，選取地層的地質(zhì)資料及井下巷道的巖石力學參數(shù)，建立地質(zhì)力學模型，依據(jù)鉆井地質(zhì)力學理論，通常埋藏于地層深處的巖石在地應力條件下，受到水平最大主應力σH、水平最小主應力σh及垂向上覆巖層壓力σV。模型取透巷頂部巖層埋深295 m，數(shù)值模擬時垂向應力按照巖層埋深加載，水平應力分別為12、10 MPa，地層傾角假設為α，地層模型長度取100 m、寬度100 m，由上及下為覆巖層、基本頂、直接頂、煤層、底板-1、底板-2。其中采用拱形巷道模擬避難硐室，尺寸為巷寬5 m，巷高3 m，頂板透巷鉆孔孔徑按照工程設計取值為580 mm?？紤]地層為無限大地應力場，為避免邊界條件處應力干擾現(xiàn)象，模型邊界左右節(jié)點水平方向位移采取對稱約束自由度；底邊節(jié)點水平及垂直兩個方向約束位移自由度，模型整體沿重力方向施加體力。針對不同巖層考慮地層傾角α的影響，透巷過程中對頂板圍巖的擾動除考慮地應力外，主要影響因素有孔內(nèi)鉆井液柱的壓力、鉆柱旋轉(zhuǎn)撓曲產(chǎn)生碰撞井壁的徑向作用力、錘頭沖擊井底破巖的鉆壓及沖擊頻率。其中，井內(nèi)液柱壓力隨井深增加而變化，鉆柱旋轉(zhuǎn)碰撞井壁可等效為梯形應力波加載方式，在巷道頂部及側幫布置合理的數(shù)據(jù)監(jiān)測點。由于Mohr-Coulomb準則能夠較好地反映巖石材料在力場作用下變形及破壞的特征，所以在模型中采用的材料力學本構關系為Mohr-Coulomb屈服準則，其屈服函數(shù)F表達式見式(1)，巖石力學屬性見表1，地層模型剖面及分層如圖2所示。

式中：φ為材料的內(nèi)摩擦角，0°≤φ≤90°；c為材料黏聚力，kPa；θ為極偏角，(°)；q為切向應力，Pa；p為法向應力，Pa。

表1 巖石力學參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

圖2 工程模型剖面Fig.2 Section of the engineering model

3 鉆進軸向沖擊壓力對圍巖影響

埋藏于深部的巖體受構造應力的影響，巖體內(nèi)部蓄積了大量的彈性應變能，在軸向動力擾動下這些能量以非常猛烈的方式釋放，從而導致巖體內(nèi)部構造的變化，動力擾動以應力波的形式存在，鉆進中造成巷道頂板圍巖剝落及垮塌，帶來工程施工隱患。采用空氣潛孔錘透巷鉆進，鉆頭施加軸向力作用于井底產(chǎn)生沖擊載荷，軸向沖擊波形如圖3a所示。

圖3b軸向應力云圖表明，應力集中發(fā)生在巷道頂板及側幫，同時井壁伴隨發(fā)生應力集中區(qū)。圖3c軸向位移云圖表明，巷道斷面周圍出現(xiàn)的塑性應變值最大，隨軸向壓力以沖擊波形式由2 MPa增加到10 MPa，應力由頂板遠端向巷道傳遞，應變逐漸增大。通過圖4曲線分析，鉆進至距離巷道中心20 m時，頂板應力增加到最大值，頂板位移出現(xiàn)明顯的增加趨勢。繼續(xù)鉆進至距離巷道中心位置為16.53 m時，應力由7.90 MPa突然下降，表明井壁開始失穩(wěn)，最大塑性應變值為0.02 m，隨后頂板位移線性增加直至巖層破壞。綜上，巷道塑性區(qū)范圍隨著軸向壓力的增加，頂板塑性應變增大，直至發(fā)生剪切破壞，但存在臨界安全值，兩側圍巖塑性應變逐漸增加，直至發(fā)生拉伸破壞。

圖3 軸向應力波載荷作用下頂板應力位移云圖Fig.3 Stress displacement nephogram of rock roof under axial stress wave load

圖4 軸向動載荷作用應力位移曲線Fig.4 Stress displacement curve under axial dynamic load

4 鉆柱旋轉(zhuǎn)徑向壓力對圍巖影響

透巷復合鉆進過程中，井內(nèi)鉆柱繞軸向以一定角速度旋轉(zhuǎn)運動，井底巖石受軸向鉆頭沖擊，井壁圍巖受徑向鉆柱碰撞及井內(nèi)鉆井液柱壓力作用影響，一定程度上對圍巖產(chǎn)生動力擾動，易發(fā)生井壁圍巖掉塊及井眼坍塌事故。而旋轉(zhuǎn)引起的井壁圍巖擾動包含鉆柱與井壁切向碰撞接觸、鉆井液流體液柱壓力作用，其中，主要影響因素為鉆柱與井壁徑向沖擊力作用，且該沖擊力可等效為沿井壁徑向施加的應力波載荷，應力波曲線如圖5a所示。

由圖5b可知，鉆柱旋轉(zhuǎn)徑向載荷作用下，巷道頂板以上應力集中在井壁，且應力大小由0.53 MPa壓應力向9.42 MPa的拉應力過渡。造成井壁圍巖產(chǎn)生了塑性應變，初始對巷道頂板影響較小，隨鉆進深度增加，井壁圍巖局部出現(xiàn)塑性應變，且應力集中由井壁觸發(fā)點向圍巖周圍傳播，造成近井壁圍巖加速塑性變化，巷道頂板圍巖擾動逐漸增強直至發(fā)生頂板塑性剪切破壞，圖5c表明，井壁位移沿地層上傾一側受到拉應力，反之沿地層下傾側受到壓應力，且井壁兩側塑性位移大小以0.03 m對稱分布，方向以井眼為中心相反。圖6表明井壁徑向應力作用下頂板圍巖受應力波作用擾動幅度較大，隨透巷井深增加，鉆進至距煤層頂板18 m時頂板位移發(fā)生遞增，應力由6.79 MPa突然下降，位移為0.01 m，鉆孔井壁圍巖受徑向沖擊載荷發(fā)生剝落破壞，巷道頂板出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖5 徑向載荷作用下頂板應力位移云圖Fig.5 Stress displacement nephogram of rock roof under radial load

5 安全透巷距離優(yōu)化

圖6 井壁徑向節(jié)點位移曲線Fig.6 Radial node displacement curve of well wall

依據(jù)礦區(qū)勘探資料、頂板巖石力學參數(shù)等，在保證上部地層安全鉆進、套管有效封堵地層、無鉆井液潰入巷道的前提下，透巷段距離最小化。實踐表明透巷井段距離越短，透巷速度越快，可減少地層涌水、井壁坍塌、井徑縮徑等復雜情況，保障救生艙快速通過透巷通道。在救援井施工過程中，井底預留一定厚度的巖層，防止上覆巖層出水進入巷道，以保障套管下入后固井過程中井底的安全，同時避免透巷結束井內(nèi)大量的巖屑涌入巷道，為井下救援預留更大的作業(yè)空間。

基于上述物理模型，取地層傾角3°為特征地層，模擬計算透巷鉆進過程中頂板安全厚度最優(yōu)解。分別對3種不同工況條件下應力位移做了計算分析(表2)：井孔軸向加載應力波載荷作用，井孔徑向加載應力波載荷作用，井孔同時加載軸向及徑向應力波載荷作用。

結果表明：動載荷作用對煤層頂板圍巖有影響，圖7表明軸向動載荷比徑向動載荷對圍巖的影響更大，2種載荷同時作用時，影響情況介于二者之間。隨著鉆進深度的增加，巷道頂界與鉆孔底部范圍內(nèi)的巖層厚度逐漸減小，可取應力突降及位移突增點為臨界安全厚度，鉆孔受軸向載荷作用時，安全距離為16.53 m，應力為7.90 MPa，位移0.02 m；鉆孔受徑向載荷作用時，安全距離為15.47 m，應力為6.79 MPa，位移為0.01 m；鉆孔同時加載軸向及徑向載荷，安全距離為15.03 m，位移為0.01 m，應力為7.32 MPa。類比取臨界安全值下線，即16.53 m為安全透巷距離。

表2 模擬數(shù)據(jù)結果Table 2 Results of the simulation data

圖7 軸向及徑向不同載荷作用應力與位移曲線Fig.7 Stress and displacement curves under different axial and radial loads

綜上，地應力波具有沿強弱膠結地層方向的釋放，一定程度上緩解了巷道圍巖塑性應變的趨勢，減少了頂板安全透巷距離，但同時易發(fā)生井眼塑性應變。在外力的影響下實際工況復雜，包括巷道頂板地層構造是否存在裂隙及裂隙的發(fā)育情況、地層的塌陷及構造斷層、地層巖性的均質(zhì)性，模擬地層傾角與實際的不確定性(文中以地層傾角3°建立模型)，沖擊鉆壓大小的波動等，可根據(jù)地層實際情況適當增加安全透巷距離。

6 工程應用結果分析

山西省沁水縣坪上煤礦3號避難硐室地面救援井施工透巷井段，選用工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，實際透巷距離段長為20 m，透巷過程中采用氣舉返循環(huán)鉆井工藝，潰入巷道泥漿量約2.4 m3，達到了預期的施工目的；采用數(shù)值模擬結果16.53 m為安全透巷距離，與現(xiàn)場實際施工數(shù)據(jù)基本吻合(表3)，驗證了模擬數(shù)據(jù)的可靠性，同時通過力學參數(shù)的選取可優(yōu)化安全透巷距離，為后續(xù)工程施工提供擬選參數(shù)指導。

表3 模擬數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of simulation data

7 結論

a.地面大直徑救援鉆井動力擾動破壞了地層原有應力平衡，引起地層應力重新分布，造成圍巖產(chǎn)生移動變形及塑性破壞，且以鉆孔中心呈鋸齒形對稱分布，其中軸向動載荷為主要影響因素。

b.徑向動載荷作用對井壁圍巖影響較大，對透巷頂板圍巖影響較小，主要表現(xiàn)為軸向沖擊載荷的影響，且應力集中由井壁觸發(fā)點向圍巖傳播，造成近井壁圍巖加速塑性變化，巷道頂板圍巖擾動逐漸增強直至發(fā)生頂板塑性破壞。

c.以山西省沁水縣坪上煤礦3號避難硐室地面救援井為例，數(shù)值模擬結果分析，工程安全透巷距離參考值可取16.53 m，其他情況可適當增加透巷頂板厚度。

d.采用ABAQUS數(shù)值模擬鉆井動力擾動條件下的安全透巷距離，可優(yōu)化地面大直徑救援井施工工藝，該技術可以縮短施工周期、節(jié)約成本，可推廣應用到其他大直徑井的施工中。