雷騰飛,李博濤

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 727300)

0 引言

隨著我國(guó)煤炭開采進(jìn)入深部階段,瓦斯災(zāi)害事故隱患增加,瓦斯事故占據(jù)據(jù)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(chǎn)安全,鉆孔瓦斯預(yù)抽是目前主要的方法之一。由于復(fù)雜地質(zhì)條件及現(xiàn)階段鉆孔技術(shù)限制[2],鉆孔穩(wěn)定性無(wú)法得到較好預(yù)測(cè),煤層開采及生產(chǎn)活動(dòng)均會(huì)對(duì)煤體鉆孔周圍平衡狀態(tài)造成影響,使得鉆孔穩(wěn)定性受到破壞[3-7],從而降低瓦斯抽采效率,瓦斯抽采達(dá)不到預(yù)期效果[8-10]。因此,需研究不同布置參數(shù)下鉆孔穩(wěn)定性變化規(guī)律,明晰不同抽采參數(shù)的變化機(jī)理。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)瓦斯抽采鉆孔破壞特征及穩(wěn)定性方面進(jìn)行了大量研究。韓穎等[11]針對(duì)煤層鉆孔孔壁穩(wěn)定性深入分析,通過(guò)研究分析鉆孔周圍“三帶(區(qū))”內(nèi)孔壁穩(wěn)定性,得到鉆孔失穩(wěn)的力學(xué)條件。BIENIAWASKI、GAO和HOBBS等[12-14]對(duì)于煤巖體的力學(xué)特性和破壞規(guī)律以及三軸壓縮條件下的應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行了研究。WHITE、姚向榮等[15-16]通過(guò)三軸加載實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)試樣的變形破壞特征以及破壞形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。付國(guó)彬、劉建林、王建鈞等[17-19]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬,建立了力學(xué)模型,并發(fā)現(xiàn)大鉆孔直徑與孔壁煤體結(jié)構(gòu)變形破壞是引起鉆孔孔壁失穩(wěn)的根本原因。張飛燕[20]通過(guò)數(shù)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(jù)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式,模擬了不同地質(zhì)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(shù)值模擬軟件,對(duì)煤巖組合體在單軸和三軸狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)和破裂過(guò)程進(jìn)行分析。李曉璐、ZHAO等[25-26]分別利用FLAC3D對(duì)煤巖組合體和煤巖組合體損傷破壞特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。杜鋒、鐘江城等[27-28]基于CT掃描和數(shù)值模擬,分析了含瓦斯煤巖組合體在常規(guī)三軸壓縮以及卸圍壓條件下的損傷破壞規(guī)律、損傷破壞特性及能量演化規(guī)律,定性研究了煤樣單軸壓縮過(guò)程中的損傷演化規(guī)律及破壞機(jī)理。

綜上所述,目前主要對(duì)于固定煤層賦存壓力條件進(jìn)行研究,較少考慮實(shí)際情況下煤層處于穩(wěn)壓狀態(tài),煤層具有初始?jí)毫?對(duì)于穩(wěn)壓情況下鉆孔的不同失穩(wěn)情況還需進(jìn)一步深入研究。因此,選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,研究不同鉆孔直徑、穩(wěn)壓壓力及加載速率影響下煤體鉆孔縱向位移的變化規(guī)律,明晰煤體鉆孔破壞特征及穩(wěn)定性影響機(jī)理,以期為煤層瓦斯預(yù)抽現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐提供一定理論依據(jù)。

1 模擬方案

1.1 模型構(gòu)建

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

表1 煤體試件物性參數(shù)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(jìn)行一次性開挖鉆孔,分別在鉆孔頂部、腰側(cè)及底部布置3個(gè)縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)。A點(diǎn)位于鉆孔頂部,坐標(biāo)為(0,75,r),B點(diǎn)位于鉆孔腰側(cè),坐標(biāo)為(r,75,0),C點(diǎn)位于鉆孔底部,坐標(biāo)為(0,75,-r),其中,r為不同實(shí)驗(yàn)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(shè)條件

煤層鉆孔瓦斯預(yù)抽效率受眾多因素影響,其中包括鉆孔穩(wěn)定性、地質(zhì)情況、地下水賦存及構(gòu)造應(yīng)力等多種因素?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的復(fù)雜情況,需要對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè),便于對(duì)煤體試件建模及數(shù)值模擬計(jì)算,在借鑒其他學(xué)者的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,對(duì)數(shù)值模擬模型做出如下假設(shè)。

(1)在應(yīng)力方面,只考慮自身的自重,忽略環(huán)境周圍其他構(gòu)造應(yīng)力;

(2)忽略煤體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性對(duì)鉆孔穩(wěn)定性的影響;

(3)煤體為連續(xù)均勻的介質(zhì);

(4)該煤體僅進(jìn)行靜態(tài)載荷分析,不考慮煤體流變性所導(dǎo)致的鉆孔失穩(wěn)情況。

1.3 網(wǎng)格劃分合理性分析

在利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究時(shí),網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)數(shù)值模擬研究影響重大,劃分時(shí)應(yīng)以實(shí)際物理學(xué)參數(shù)變化情況為基準(zhǔn),當(dāng)物體變化較為緩慢或基本偏向靜止時(shí),網(wǎng)格可劃分較粗糙,減少模擬所需時(shí)間;當(dāng)運(yùn)動(dòng)較為劇烈或大變形的情況下,網(wǎng)格應(yīng)劃分較為細(xì)膩,提高模擬精準(zhǔn)性,使模擬結(jié)果與實(shí)際情況更加接近。

對(duì)于三維實(shí)體數(shù)值模擬模型單元網(wǎng)格劃分,首先判斷所模擬的三維試件本構(gòu)模型,查看軟件中是否存在類似網(wǎng)格(本文所使用網(wǎng)格為柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格與柱體網(wǎng)格相結(jié)合);接著對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行初步劃分,并試運(yùn)行,觀察網(wǎng)格劃分效果是否達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn);然后重復(fù)試運(yùn)行,調(diào)整網(wǎng)格劃分的比例,選擇合適的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的具體情況如圖2所示。

圖2 煤體鉆孔試件的網(wǎng)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(yīng)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(shè)計(jì)見表2。

表2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)Table 1 Scheme design of numerical simulation

為了研究單因素對(duì)煤體試件的影響情況,根據(jù)影響因素的變化梯度,設(shè)計(jì)以下3組水平實(shí)驗(yàn),分別探究鉆孔直徑d、穩(wěn)壓壓力p和加載速率v這3個(gè)不同因素對(duì)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(duì)煤體鉆孔破壞特征的影響

通過(guò)改變鉆孔直徑大小,研究在相同穩(wěn)壓壓力、加載速率、煤體力學(xué)參數(shù)條件下鉆孔直徑對(duì)煤體縱向位移的影響關(guān)系,通過(guò)三軸模擬實(shí)驗(yàn),得到煤體縱向位移云圖及最大縱向位移(正值壓縮,負(fù)值拉伸),如圖3所示。鉆孔頂部A點(diǎn)最大縱向位移與鉆孔直徑呈正相關(guān)關(guān)系,隨著鉆孔直徑的增大,最大縱向位移增大0.048 mm,增長(zhǎng)幅度為1.10%;鉆孔腰側(cè)最大縱向位移隨鉆孔直徑變化不明顯,最大縱向位移穩(wěn)定在0.178 mm左右;鉆孔底部最大縱向位移與鉆孔直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(duì)煤體試件縱向位移的影響Fig.3 Influence of borehole diameter on longitudinal displacement of coal specimen

當(dāng)鉆孔直徑分別為12 mm、16 mm、20 mm、24 mm、28 mm時(shí),鉆孔頂點(diǎn)A最大縱向位移由-0.234 mm增大到-0.285 mm;鉆孔測(cè)點(diǎn)B最大縱向位移由-0.178 mm增加至-0.183 mm;底部C點(diǎn)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(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)不斷發(fā)育擴(kuò)大,超過(guò)煤樣自身彈性形變最大量,由彈性變化階段進(jìn)入彈塑性變化階段。隨著煤體內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育,鉆孔周圍孔隙進(jìn)一步發(fā)育變?yōu)槲⑿×严?鉆孔穩(wěn)定性開始受到影響。當(dāng)鉆孔周圍煤體出現(xiàn)較大裂隙時(shí),持續(xù)加載循環(huán),裂隙進(jìn)一步發(fā)育,鉆孔失穩(wěn)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(wěn)定程度隨著鉆孔直徑的增大而不斷降低。

2.2 穩(wěn)壓壓力對(duì)煤體鉆孔破壞特征的影響

通過(guò)改變穩(wěn)壓壓力的大小,研究在相同鉆孔直徑、加載速率、煤體力學(xué)參數(shù)的條件下穩(wěn)壓壓力對(duì)于煤體縱向位移的影響關(guān)系,通過(guò)三軸試驗(yàn),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(fù)值拉伸)。由圖4可知,最大縱向位移與穩(wěn)壓壓力之間為負(fù)線性相關(guān)關(guān)系,當(dāng)穩(wěn)壓壓力分別為5 000 N、5 500 N、6 000 N、6 500 N、7 000 N時(shí),鉆孔頂點(diǎn)A、側(cè)點(diǎn)B、底部C點(diǎn)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(diǎn)A位移圖像斜率最大。

圖4 穩(wěn)壓壓力對(duì)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(wěn)壓壓力的增大而增大,且穩(wěn)壓壓力的擴(kuò)大會(huì)使得鉆孔煤體試件整體縱向位移處于擴(kuò)大的趨勢(shì),其中鉆孔頂部煤體縱向位移顯著,該區(qū)域煤體內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)得到充分發(fā)育擴(kuò)展,變形程度超過(guò)煤體彈性應(yīng)變的最大值,從彈性形變階段轉(zhuǎn)為塑性變形階段,最終破裂失穩(wěn)。穩(wěn)壓壓力較小的初期,鉆孔細(xì)微裂紋發(fā)育,鉆孔周圍煤體處于直線彈性變形階段,鉆孔穩(wěn)定性較好,鉆孔煤體試件整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變。隨著煤礦開采向深部發(fā)展,穩(wěn)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(fā)育為較大裂隙,出現(xiàn)較大不可逆變形,煤體鉆孔試件穩(wěn)定性程度受到破壞。穩(wěn)壓壓力越大,鉆孔頂部越容易遭到破壞,煤體試件鉆孔穩(wěn)定程度隨著穩(wěn)壓壓力增大而不斷降低。

2.3 加載速率對(duì)煤體鉆孔破壞特征的影響

通過(guò)改變加載速率的大小,研究在相同鉆孔直徑、穩(wěn)壓壓力、煤體力學(xué)參數(shù)條件下加載速率對(duì)煤體縱向位移的影響關(guān)系,通過(guò)三軸試驗(yàn),得到縱向位移云圖(正值壓縮,負(fù)值拉伸),如圖5所示。由圖5可知,煤體試件內(nèi)部所監(jiān)測(cè)的3點(diǎn),鉆孔頂部A點(diǎn)、鉆孔側(cè)點(diǎn)B點(diǎn)及鉆孔底部C點(diǎn),最大縱向位移與加載速率之間可看成一次函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)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(shí),鉆孔頂點(diǎn)A、側(cè)點(diǎn)B、底部C點(diǎn)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(diǎn)A變化最顯著。加載速率的增大會(huì)導(dǎo)致鉆孔頂部裂隙發(fā)育、發(fā)生破裂,煤體試件鉆孔穩(wěn)定程度隨著加載速率的增大而不斷降低。

圖5 加載速率對(duì)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(huì)導(dǎo)致鉆孔煤體試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,鉆孔煤體試件整體縱向位移處于擴(kuò)大的趨勢(shì)。當(dāng)加載速率較小時(shí),鉆孔煤體試件收斂時(shí)間較短,鉆孔周圍煤體位移變化不明顯,當(dāng)收斂時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),縱向位移變化明顯,鉆孔頂部位移較大,裂紋發(fā)育完全,頂部煤體隨加載速率的增大,孔裂隙不斷發(fā)育,鉆孔穩(wěn)定性遭到破壞。加載速率對(duì)煤體結(jié)構(gòu)具有抑制作用,合適的頂部加載速率可以保障煤體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及鉆孔結(jié)構(gòu)的完整性。

2.4 煤體鉆孔穩(wěn)定性影響機(jī)理分析

煤體在受到外界擾動(dòng)后,煤體應(yīng)力應(yīng)變曲線依次由壓密階段(OA)、線彈性階段(AB)、彈塑性過(guò)渡階段(BC)、塑性階段(CD)和后破壞階段(DE)共5個(gè)階段構(gòu)成。對(duì)于煤體整體而言,在壓密階段(OA),煤體內(nèi)部原有微小裂隙壓實(shí)閉合,新生裂隙出現(xiàn)幾率較小;在線彈性階段(AB),煤體內(nèi)部微小裂隙不斷壓實(shí),同時(shí)出現(xiàn)極小的新生裂隙,煤體整體強(qiáng)度初步受到影響;在彈塑性過(guò)渡階段(BC),新生裂隙逐漸增多,煤體結(jié)構(gòu)受到影響,鉆孔周圍煤體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象;在塑性階段(CD),煤體內(nèi)部應(yīng)力值達(dá)到屈服極限,煤體破裂速度加快,新生裂隙迅速發(fā)育并相互貫通;在后破壞階段(DE),煤體結(jié)構(gòu)遭到破壞,大裂隙發(fā)育貫通,鉆孔穩(wěn)定性完全破壞,鉆孔失去穩(wěn)定性。

對(duì)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(yīng)力分布受到影響,鉆孔兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),原有平衡狀態(tài)遭到破壞,在外界因素影響下應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大,在上覆煤巖層壓力影響下,鉆孔周圍煤體向鉆孔內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)動(dòng),造成鉆孔直徑的減小,破壞了孔壁穩(wěn)定性,即鉆孔周圍煤體強(qiáng)度的極限應(yīng)力值超過(guò)了煤體自身強(qiáng)度,鉆孔周圍部分煤體由彈性變形轉(zhuǎn)為彈塑性變形,出現(xiàn)塑性破壞區(qū)。煤體鉆孔穩(wěn)定性機(jī)理分析示意如圖6所示。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)鉆孔直徑的增加會(huì)破壞鉆孔穩(wěn)定性。當(dāng)煤體試件鉆孔直徑增大時(shí),鉆孔頂點(diǎn)、側(cè)點(diǎn)縱向最大位移與鉆孔直徑呈負(fù)線性關(guān)系,鉆孔底部與鉆孔直徑其呈正線性關(guān)系。

(2)隨著穩(wěn)壓壓力的增大,發(fā)現(xiàn)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均有不同程度的上升,其中鉆孔頂點(diǎn)變化最為顯著。

(3)隨著加載速率的增大,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向位移均有不同程度的上升,其中鉆孔頂點(diǎn)變化最為顯著,側(cè)點(diǎn)其次,鉆孔底部則變化較為平緩,三者均與其呈負(fù)線性關(guān)系。

(4)通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力應(yīng)變階段煤體鉆孔試件所處狀態(tài)進(jìn)行分析研究,觀察鉆孔周圍煤體形態(tài)特征,揭示了煤體鉆孔失穩(wěn)隨時(shí)間的變化特征,能夠?yàn)橥咚垢咝О踩椴商峁├碚撘罁?jù)。