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

1、采用定向長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，而我國松軟煤層分布廣泛，鉆孔過程中塌孔事故時有發(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)定性問題是值得深入研究的重要課題，文中以山西長治余吾煤礦掘進工作面抽采鉆孔為研究對象，通過彈塑性力學(xué)理論分析、有限元數(shù)值模擬和實例計算的研究方法，圍繞鉆孔塌孔機理展開研究，并基于研究結(jié)果優(yōu)化鉆孔布置方式和鉆孔軌跡設(shè)計方法。主要結(jié)論如下：
　?。?）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，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、巖達到臨界值時，即出現(xiàn)破裂區(qū)，進而失穩(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。
　?。?）運用COMSOL Multiphysics多物理場耦合分析軟件對鉆孔圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進行模擬研究得到：煤巖體強度越低、原始瓦斯壓力越大、鉆孔半徑越大、抽采時間越長，鉆孔圍巖塑性區(qū)越大，鉆孔穩(wěn)定性相對越差；鉆孔開挖后，孔壁圍巖切向應(yīng)力距鉆孔中心2.3r左右達到應(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，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)域呈長軸在水平方向的橢圓狀。
　?。?）通過對彈塑性力學(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理：鉆孔圍巖應(yīng)變軟化效應(yīng)導(dǎo)致煤體強度下降；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)力超過煤體極限強度時，鉆孔圍巖產(chǎn)生極不穩(wěn)定的破碎區(qū)，進而發(fā)生塌孔。
　?。?）基于塌孔機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掘進工作面采掘條件，提出了采用頂（底）板梳狀定向長鉆孔“橫向”或“縱向”布置方式掩護預(yù)抽掘進巷道圍巖瓦斯方案，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。
　　（5）針對頂（底）板梳狀定向長鉆孔，提出了“直線—圓弧—直線”三段式斜平面鉆孔軌跡設(shè)計方法，將空間鉆孔軸線簡化轉(zhuǎn)換至平面內(nèi)設(shè)計，簡單快捷，滿足工程精度。
　?。?）提出的鉆孔布置方式與鉆