深部瓦斯抽采钻孔稳定性与成孔控制数值分析

为了提高瓦斯抽采钻孔成孔率,以丁集煤矿11-2回风巷地质条件为背景,采用FLAC3D数值模拟软件和理论分析,研究了抽采钻孔稳定性影响因素,并对成孔控制技术进行了数值分析.研究结果表明,影响钻孔稳定性的因素有:侧压系数、岩体力学强度、初始应力(埋深)、钻孔围压和围岩力学强度;钻孔稳定性随着侧压系数增大、岩体力学强度降低、采深加大和钻孔围岩力学强度减小而降低;抽采负压对钻孔稳定性的影响很小;随着钻孔围压的增大、围岩强度强化区范围的增加,钻孔的二次应力影响范围反而减小,塑性区半径减小,孔壁径向位移减小,钻孔更容易处于稳定平衡状态.     

基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究

为了解决软弱煤层中瓦斯抽采钻孔漏气严重的问题,基于煤岩体黏聚力沿塑性区线性弱化的应变软化模型,采用理论推导的方法得出了应变软化效应下抽采钻孔封孔段围岩的应力、位移及塑性范围的求解公式,利用数值模拟的方法对抽采钻孔封孔段围岩稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:基于煤岩体应变软化模型钻孔围岩的塑性区范围及孔壁位移显著大于未考虑煤岩体应变软化效应的结果;随着孔内压力的增大,钻孔塑性区缩小,孔壁位移降低,钻孔的变形破坏受到抑制,且服从应变软化模型的围岩变形更易受到孔内压力的抑制。研究成果应用于河南某煤矿软弱煤层的瓦斯抽采封孔实践,表明在该矿软弱煤层瓦斯抽采中采用具有主动支护作用的囊袋式封孔法较聚氨酯封孔法瓦斯抽采浓度提高约18.1%,取得了良好的抽采效果。     

饱和含水条件下煤矿膨胀岩钻孔缩径弹塑性分析

通过建立煤矿膨胀岩钻孔受力平衡方程,考虑膨胀和软化特性,进行弹塑性力学分析,确定了饱和含水条件下煤矿膨胀岩钻孔围岩的塑性区半径和径向位移。以重庆某矿8#煤层底板岩巷为研究背景进行实例计算,分别研究了饱和含水条件下地应力场和孔内水压力对钻孔缩径变形的影响规律。结果表明:随着钻孔围岩地应力p的增大,塑性区半径和孔壁径向位移均在不断增加,都呈明显的非线性关系,水的存在加剧了地应力对煤矿膨胀岩钻孔缩径变形的影响;随孔内水压的增加,钻孔围岩塑性区半径和孔壁径向位移呈减小的趋势,适当提高孔内水压可以有效地控制钻孔缩径。     

松软煤层水力压裂钻孔失稳分析及固化成孔方法

分析了煤矿井下松软突出煤层钻孔失稳变形机理,指出巷道围岩应力和钻孔二次应力是煤层施工压裂钻孔后孔壁弱结构易产生破坏失稳、易塌孔和成孔难的主要根源。提出了一种有效的区域固化成孔方法,模拟分析了松软煤层和采用高强度材料固化后钻孔周围应力场和位移变化。结果表明：松软煤层中钻孔位移变形量和塑性区范围大,钻孔易发生失稳破坏;对封孔段采取固化成孔措施后,浆液渗透填充到煤岩体的裂隙中,起到加固、充填密实裂隙作用,增强孔壁围岩的强度,钻孔变形量和塑性区范围减小,有效防止了钻孔发生失稳破坏,提高了成孔率。     

煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的影响

钻孔密封性是钻孔瓦斯抽采的关键基础之一,而煤岩力学特性对钻孔密封参数的选择及密封效果具有重要影响作用。因此,为准确认识钻孔围岩密封环境并深入分析煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的控制作用,进而为钻孔密封参数的合理选择提供可靠的依据。基于煤岩全应力应变曲线及煤层力学参数,通过引入煤层软化系数k及扩容系数η1和η2,在构建煤岩线弹塑性力学软化"三折线"模型的基础上,依据线性Mohr-Coulomb屈服准则,对钻孔围岩弹性区、塑性软化区及塑性流动区半径、钻孔围岩径向位移以及钻孔围岩理论密封半径等参数进行理论数值解析计算,并对相应解析结果进行对比分析。同时结合钻孔成像技术及钻孔瓦斯抽采浓度数据监测等手段,综合分析塑性软化及扩容特性对煤层钻孔密封性的影响作用。研究结果表明,与理想弹塑性模型(Kastner)解相比,受塑性软化及扩容特性共同作用下的煤层钻孔围岩径向位移及理论密封半径分别增加12. 93倍和2. 60倍,且在构造煤层区域内钻孔缩径现象明显。在钻孔密封参数及密封材料相同的条件下,缩径现象明显的钻孔内初始平均抽采瓦斯体积分数较相邻完整钻孔降低59%,在29 d考察期内平均抽采体积分数同比降低64. 92%,瓦斯体积分数衰减率同比增加3倍。因此,塑性软化及扩容效应是造成钻孔初始密封性降低及后期抽采瓦斯衰减的主要原因之一,而采用Kastner方程求解获得的煤层钻孔围岩理论渗透半径及注浆压力等参数并不合理;同时,钻孔密封参数需应根据钻孔围岩特性进行区别选择。     

加载与卸载过程瓦斯抽采钻孔变形特征

抽采钻孔的稳定性影响到抽采工程效果的好坏。工作面回采过程中,由于支承压力随工作面推进的移动,采动影响范围内的抽采钻孔受到加载、卸载应力的作用。为得到加卸载条件下抽采钻孔变形及破坏规律,采用数值模拟的方法对不同应力变化速率下钻孔的破坏进行了计算,共设计10种计算方案,得到了不同加卸载应力变化速率下的钻孔塑性区分布范围及孔壁位移曲线。同时依据数值计算得到的卸载应力变化速率与孔壁变形相互关系,建立了考虑卸载应力变化速率的钻孔周边切应力计算模型。研究结果表明:加载过程中,加载速率对钻孔周边的破坏范围及孔壁位移不产生影响;卸载过程中,钻孔周边破坏范围与初始卸载应力及卸载速率相关,在进行抽采钻孔布置时需综合考虑钻孔的受载力学特征。     

煤层钻孔损伤区半径的影响研究

煤层钻孔塌孔等问题制约了瓦斯抽采效率,严重影响着煤矿的安全生产,研究煤体钻孔损伤区半径问题,为解决煤层钻孔抽采的塌孔问题具有重要意义。选取了4种不同硬度的煤样,分别进行单轴压缩、巴西劈裂和坚固性系数测定试验,得到各煤样的基本力学参数。基于此,建立了煤层钻孔力学模型,数值分析了地应力、侧压系数和坚固性系数对煤层钻孔损伤区半径的影响。研究结果表明:随着地应力增大,煤体钻孔损伤区半径竖直方向逐渐减小、水平方向逐渐增大;随着侧压系数增大,竖直方向损伤半径逐渐增大,水平方向逐渐减小;随着煤体坚固性系数增大,钻孔损伤区半径逐渐减小。     

深部弱结构煤岩中瓦斯抽采钻孔注浆成孔技术

针对煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层成孔的技术难题,基于现场实测煤岩物理参数,采用FLAC3D软件对丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷抽采钻孔的工艺条件进行数值模拟,得出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区变化规律,发现孔径沿垂直方向上方位移最大,下方次之,两侧位移最小,终孔形状为扁圆形.对钻孔围岩的应力、应变、位移和固化前的参量进行对比分析,得出固化后煤岩强度恢复系数为5%～60%,原岩煤体越软,强度恢复系数越大.基于注浆固化成孔理论,采用排间间隔交替和单孔位复注浆,注浆压力0.4～0.8 MPa,水灰质量比2:1,向软煤岩层孔内压注固化剂,结果表明此方法可以增强煤岩弱结构抵御变形的能力.     

辛置矿矩形巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究

针对辛置矿矩形巷道开挖后围岩应力分布、塑性区范围与形态、围岩移动变形等问题,采用Flac3D数值模拟软件对其进行研究。结果表明:矩形巷道宽高比对围岩塑性区分布影响较小,破坏形状呈圆形,围岩移动变形量及最大应力分布随宽高比增大而增大;侧压系数对围岩塑性区的影响较大,随着侧压系数的增大,巷道开挖后塑性区形状由竖向蝶形-横向椭圆形-圆形-竖向椭圆形-横向蝶形规律性变化,巷道围岩变形量和最大应力值随着侧压系数的增加先减小后增大。     

全煤巷道顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究

为了提高亭南矿顺层钻孔抽采瓦斯的效率,基于合理封孔深度的重要性,采用FLAC~(3D)模拟煤巷开挖后围岩塑性区、垂直应力分布情况,并用Tecplot软件提取巷帮煤岩垂直应力数值,拟合后得到距巷帮不同深度的应力分布曲线。根据钻屑法、钻屑瓦斯解吸指标法现场实测数据,确定出全煤巷道3个应力分区的范围。通过抽采效果验证,证明顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度是应该超出巷帮的卸压带或塑性区范围,但同时又应小于应力峰值点的深度。最终确定亭南矿顺层瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度为9m。     

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明：岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。     

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明：原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件（Mohr-Coulomb准则）,得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。     

深井高应力软岩泵房锚注支护及数值模拟研究

基于赵楼煤矿泵房的岩石矿物分析、地应力测试、岩石力学试验、破坏机理分析,采取抗让结合的"抗—卸—固"支护方案,提出以锚杆注浆加固为核心的联合支护体系,来解决深部高应力软岩大型硐室的支护技术难题。通过FLAC3D数值模拟,同未注浆硐室相比,注浆后围岩塑性区基本消失,锚杆(索)受力减小,围岩应力分布均匀,竖向位移和水平位移都有大幅度降低,整体强度增大,有效地控制住了围岩的变形,保持了泵房硐室围岩的长期稳定。     

考虑流变特性的两向不等压巷道围岩塑性区近似解

针对巷道围岩受两向不等压地应力作用下的平面应变问题,分析围岩流变特性对其塑性区的影响。深埋巷道围岩因流变的发展而持续变形,其达到稳定后的峰值应力为一定围压下的长期强度。基于此,以皖北恒源煤矿-950 m进风井井底车场巷道为例,通过三轴压缩与蠕变试验测定了巷道岩石的抗压峰值强度、长期强度和残余强度。然后,考虑岩体峰后脆性软化特性将巷道围岩分为弹、塑性区,并从既有文献轴对称应力场塑性区公式出发,结合围岩总荷载不变的规律推导了两向不等压巷道围岩水平(及竖向)轴上的塑性区半径,再结合既有文献求解的塑性区形状,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区边界的近似解。该近似解在不考虑岩体峰后脆性软化时的结果与既有文献给出的相应解析结果完全吻合;并且轴对称应力场圆巷围岩塑性区半径的解析解是该近似解在侧压系数为1时的特例。最后,结合试验数据,就考虑岩体流变特性与否的两种情况进行了对比。结果表明:考虑流变,视岩石长期强度为围岩峰值应力,得到的塑性区范围与工程实际基本吻合;否则围岩仅产生弹性变形,与实际偏差较大。可见,岩体流变特性对围岩塑性区分布具有重要的影响,理论研究及工程实际中,忽视岩体流变特性实则无形中高估了围岩岩性,不利于巷道围岩长期稳定性与安全性的评估。     

高地应力条件下高压空气爆破卸压增透技术实验研究

为探索高地应力条件下的非常规卸压增透技术,研究了深部矿井高压空气爆破卸压机理,分析了地面与井下气爆致裂煤体的差异性,构建了高地应力条件下高压空气爆破卸压范围的理论计算模型,以丁集煤矿为工程背景,理论计算了气爆致裂煤体的卸压范围;详细介绍了高压空气爆破技术与装备,开展了高压空气爆破的地面实验,得到了有、无位移约束2种条件下混凝土试件气爆破坏效果与破坏特征,分析了气爆压缩波反射作用对试件的破坏影响作用;开展了丁集矿的井下现场试验,研究了气爆卸压增透效果,分析了气爆前后钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、衰减系数与透气性系数的变化特征,结合以往经验类比与理论计算,得到了气爆后卸压增透的最佳范围。研究结果表明:在气爆压力达到60 MPa左右时,有、无位移约束的混凝土试件破坏程度很高,主要呈现出径向断裂特征;在淮南丁集煤矿气爆后的煤层钻孔瓦斯流量是无气爆的6～8倍,瓦斯抽采量是气爆前的4～7倍,透气性系数是未气爆的5～1 050倍,衰减系数是未气爆的0.4倍,气爆的最佳卸压增透半径不超过2 m;首次气爆使爆孔周围煤体的力学性质得到弱化,相当于爆孔周围发生了卸荷效应,在二次气爆与高地应力共同作用下形成了较大的松动破坏范围,从而达到卸压增透目的。     

综放工作面二次动压巷道围岩变形破坏与控制技术研究

针对综放工作面二次动压巷道变形破坏严重的情况,以不连沟煤矿F6207辅运巷为研究背景,通过现场监测和数值模拟分析得出不连沟煤矿综放工作面二次动压巷道变形破坏与应力演化特征。提出"强帮控顶、高支护材料强度、高围岩控制刚度"的围岩控制技术理念,提出新掘二次动压巷道的支护方案。新支护技术现场应用后,锚杆索受力状态良好,围岩顶帮位移量相对原支护明显降低。     

考虑空间和锚固效应的硐室围岩弹塑性分析

为研究圆形硐室围岩在开挖-支护过程中的力学机制,根据围岩力学特征将围岩划分为弹性区、软化区及残余区,考虑围岩软化、扩容和空间、锚固效应,引入软化模量、扩容系数和剪胀角,推出了围岩弹塑性区应力、位移和范围的解析表达式。通过算例分析了不同因素对塑性区范围、应力和硐室周边位移的影响。结果表明:对于软化模量较大的围岩,锚固效应可有效地减小塑性区半径和位移;而考虑空间效应时,当开挖面到计算面的距离x值越小,围岩应力、位移越大,当x值大于10 m时,空间效应基本失效;锚固残余区扩容系数h3对硐室周边位移的影响大于锚固软化区扩容系数h2;根据不同长度锚杆支护下的硐室周边位移为支护结构围岩预留变形量设计提供了参考。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

两向不等压巷道围岩塑性区近似解及数值模拟

针对两向不等压巷道围岩塑性区的解析问题,使用应力构造法求解时,巷道围岩塑性区以外的弹性区应力被主观地认为与围岩弹性应力状态下的应力在形式上一致。这虽然明显不合理,但在侧压系数为1的某个邻域内,应力构造法的准确度较高;只是在该邻域以外,其仅能确保围岩水平(或竖向)轴上塑性区半径的精度,其余位置并不准确,甚至偏差很大。同时,以侧压系数为1的特例为基准,将依据近似隐式法得到的围岩塑性区半径与基于成熟轴对称平面应变理论的相应解析解进行对比,可以发现前者存在较大理论误差。为改进上述不足,以应力构造法为基础确定围岩水平(或竖向)轴上塑性区半径;再结合近似隐式法能够较好反映塑性区形态一般变化规律的优势,以近似隐式法为基础确定塑性区的形状;最后,依据相似原理,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区的近似解析范围。将该理论应用于工程实例的分析计算,并以数值模拟结果为基准就各算法的准确性问题进行了对比分析,结果表明:上述算法不仅消除了近似隐式法在侧压系数为1时的理论误差;还克服了应力构造法无法反映塑性区一般形态变化规律的缺陷。该算法与数值模拟的结果比较接近,可代替数值模拟进行两向不等压巷道围岩塑性区的近似求解。