余吾煤礦掘進(jìn)工作面千米鉆機(jī)抽采鉆孔穩(wěn)定性與優(yōu)化布置研究.pdf

1、采用定向長(zhǎng)鉆孔抽采煤層瓦斯是煤礦井下區(qū)域瓦斯治理的有效手段之一，而我國(guó)松軟煤層分布廣泛，鉆孔過(guò)程中塌孔事故時(shí)有發(fā)生，極大地降低了成孔率和瓦斯抽采治理的效果。因此，鉆孔穩(wěn)定性問(wèn)題是值得深入研究的重要課題，文中以山西長(zhǎng)治余吾煤礦掘進(jìn)工作面抽采鉆孔為研究對(duì)象，通過(guò)彈塑性力學(xué)理論分析、有限元數(shù)值模擬和實(shí)例計(jì)算的研究方法，圍繞鉆孔塌孔機(jī)理展開(kāi)研究，并基于研究結(jié)果優(yōu)化鉆孔布置方式和鉆孔軌跡設(shè)計(jì)方法。主要結(jié)論如下：
　　（1）建立了考慮巖石應(yīng)變

2、軟化特性的彈塑性力學(xué)模型，得到該力學(xué)模型下鉆孔圍巖彈塑性解；理論計(jì)算表明余吾煤礦松軟煤體鉆孔的塑性區(qū)半徑為鉆孔半徑的1.99倍，巷道塑性區(qū)半徑和應(yīng)力影響半徑的平均值分別為5.02m和17.09m，且分別是巷道等效半徑的2.01倍和6.84倍。根據(jù)解析解提出了軟化綜合系數(shù) N，其值是煤巖體抗剪強(qiáng)度特性參數(shù)、變形特性參數(shù)和原巖應(yīng)力的函數(shù)；將 N作為鉆孔失穩(wěn)破壞的指標(biāo)，表征孔壁軟化程度，其值越大鉆孔越容易失穩(wěn)；確定的煤巖體存在臨界值，當(dāng)鉆孔圍

3、巖達(dá)到臨界值時(shí)，即出現(xiàn)破裂區(qū)，進(jìn)而失穩(wěn)破壞；余吾煤礦煤層鉆孔圍巖軟化綜合系數(shù)的臨界值為2.5。
　?。?）運(yùn)用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合分析軟件對(duì)鉆孔圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行模擬研究得到：煤巖體強(qiáng)度越低、原始瓦斯壓力越大、鉆孔半徑越大、抽采時(shí)間越長(zhǎng)，鉆孔圍巖塑性區(qū)越大，鉆孔穩(wěn)定性相對(duì)越差；鉆孔開(kāi)挖后，孔壁圍巖切向應(yīng)力距鉆孔中心2.3r左右達(dá)到應(yīng)力峰值，應(yīng)力集中系數(shù)均小于2；當(dāng)?shù)貞?yīng)力側(cè)壓系數(shù)不為1時(shí)，鉆孔圍巖塑性

4、區(qū)和應(yīng)力不再呈現(xiàn)圓形分布，余吾煤礦抽采鉆孔在水平方向上孔壁兩側(cè)更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、導(dǎo)致破壞，塑性區(qū)域呈長(zhǎng)軸在水平方向的橢圓狀。
　?。?）通過(guò)對(duì)彈塑性力學(xué)模型及其解析解和數(shù)值模擬結(jié)果綜合比較分析得到鉆孔塌孔機(jī)理：鉆孔圍巖應(yīng)變軟化效應(yīng)導(dǎo)致煤體強(qiáng)度下降；瓦斯壓力和吸附膨脹應(yīng)力下降，引起鉆孔圍巖有效應(yīng)力急劇增大和應(yīng)力集中；當(dāng)應(yīng)力超過(guò)煤體極限強(qiáng)度時(shí)，鉆孔圍巖產(chǎn)生極不穩(wěn)定的破碎區(qū)，進(jìn)而發(fā)生塌孔。
　?。?）基于塌孔機(jī)理及鉆孔圍巖彈塑性

5、區(qū)應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，為了預(yù)防塌孔，結(jié)合余吾煤礦 S2108掘進(jìn)工作面采掘條件，提出了采用頂（底）板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔“橫向”或“縱向”布置方式掩護(hù)預(yù)抽掘進(jìn)巷道圍巖瓦斯方案，亦即將抽采主孔布置在穩(wěn)定的巖層中，分支孔則深入煤層從而保證抽采效果。
　?。?）針對(duì)頂（底）板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔，提出了“直線—圓弧—直線”三段式斜平面鉆孔軌跡設(shè)計(jì)方法，將空間鉆孔軸線簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換至平面內(nèi)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單快捷，滿(mǎn)足工程精度。
　　（6）提出的鉆孔布置方式與鉆