本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告(编辑修改稿)

本煤层瓦斯抽采封孔器材研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

tgqp    s i n1s i n20s i n1s i n1 （ 32） 塑性区位移：   20 s in c o s2 pp P C Ru Gr （ 33） 塑性区半径：     s i n2 s i n100s in1)(    C c tgqC c tgPrRp （ 34） 弹性区应力： 200 2( s i n c o s ) per RP P C r     （ 35） r本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 报告 17 200 2( s i n c o s ) pe RP P C r     （ 36） 式中 ， pR — 塑性区半径； pu — 塑性区位移； q—封孔支护力 ， MPa； 0P —地应力 ， MPa； C— 粘聚力， MPa； 0r —钻孔半径， mm； —内摩擦角； G—剪切模量， MPa； oPrσr 0 图 34 无支护和有支护时钻孔周围的应力变 化图  、 r －有支护时应力分布（实线）； 39。  、 39。 r －无支护时应力分布（虚线）； pR 、 39。 pR －有支护和无支护时的塑性区半径 根据公式 3 3 3 36 作出无支护和有支护时钻孔周 围应力变化图，如图 34 所示。 结合图 34 及上述公式分析知： 在封孔支护力 q 作用下， 钻孔周围 由两 向应力状态转入三向应力状态， 应力随封孔支护力 q 增大而增大， 从低应力状态转入高应力状态 （图 34 中表现为莫尔圆内移），钻孔周围煤体透气性随应力升高而降低，部分初始裂隙也被压密 ；同时，塑性区 半径 pR 和塑性位移 pu 随封孔支护力增 大而 减 小 ， 钻孔稳定性提高，延缓或防止新裂隙的生成和扩展。 以上分析表明有效支护钻孔对封孔有利。 由于钻孔漏气主要发生在钻孔周围塑性区内，因此从封孔角度分看，塑性区可视为漏气区。 钻孔周围漏气区呈圆环状，这里称圆环状漏气区为漏气圈，漏气圈的面积为：  39。 r39。 rpR 39。 pR本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 报告 18   1 sinsin02 2 200( ) 1 si n( ) 1pP C c tgS R r rq C c tg       （ 37） 假定钻孔半径 、地应力 、封孔支护力 ～ 、 粘聚力，内摩擦角 20～ 70176。 ，由公式 37 可绘出漏气圈截面积 S 和 q 、 C 、 三者的关系曲线，如图 45 所示。 S 与 q 之间的关系图 q (MPa)S(m*m) S 与 C 之间的关系图 C(MPa)S(m*m) S 与内摩擦角之间的关系图20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68内摩擦角 (d eg ree)S(m*m) 图 35 漏气圈截面积 S 和 q 、 C 、  三者的关系曲线 结合公式 37 和图 35 分析知，漏气圈截面积 S 同地应力 0P 成正变关系 ，说明煤层埋藏深度越大，封孔越困难；漏气圈截面积 S 同封孔支护力 q 成反变关系，说明提高封孔支护力可提高封孔质量，减少钻孔漏气；漏气圈截面积 S 同粘结力本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 报告 19 C 、内摩擦角  成反变关系，说明煤层强度越低封孔越困难。 显然，地应力难以改变，我们可通过提高封孔支护力和改变钻孔周围的煤体强度来提高封孔质量。 对钻孔施加封孔支护力 q ，可减小漏气圈截面积；在封孔段对钻孔壁进行注浆加固，提高钻孔周围煤岩强度（ C、 ），也可减小漏气圈截面积。 因此，采用主动支护式封孔，并对钻孔壁实施注浆加固，是煤层钻孔的封孔方向。 关于主动支护式封孔原理的数值模拟分析 瓦斯抽采钻孔周围的煤岩赋存和力学特性很复杂，直接对其进行分析比较困难，因此钻孔周围煤体作适当的假设和简化，建立有限元数值分析模型，确定边界条件，借助大型的有限元程序进行数值分析和解算，对钻孔周围煤岩体的位移进行定量的研究。 计算模型的建立 煤层开采后，应力重新分布，围岩应力由三向应力状态转变为二向应力状态。 当煤柱周边的应力超过煤体本身的强度极限时，煤柱发生破坏。 煤柱破坏后仍具有一定的残余强度，随着塑性变形的增加， 、C 等随之减少 ，呈 现应变软化的特性。 因此，采用应变软化模型进行模拟分析。 ⑴ 模型 建立的原则 建立数学和力学模型是数值分析的首要任务，模型设计 的 正确与否，是能否获得数值分析准确结果的前提条件。 模型的设计，必须遵循下列原则： ① 影响 瓦斯抽采钻孔周围 的煤岩赋存和力学特性 的因素很多，而煤体是复杂多变的，设计模型时，要完全考虑各种影响因素是不可能的 ， 因此，模型的设计，必须突出影响钻孔 周边 稳定的主要因素，并尽可能多地考虑其它次要影响因素。 ② 模型是由实体简化而不失真，模型的设计必须能够很好地反映材料的物理力学性态，如材料的不均匀性、不连续性、各向异性、非线性、低抗拉等特性。 ③ 地下工程实际上是半无限域问题，但数值模拟只能是在有限的范围内进行。 模型的设计，必须考虑其边界效应，选择适当的边界条件以消除边界效应。 ④ 任何地下工程问题都具有时空特性，模型的设计 应考虑钻孔开挖后围岩内应力应变的动态变化，充分考虑钻孔开挖后现场的仿真效果。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 报告 20 ⑵ 计算区域的确定 晋煤集团成庄矿位于晋城西北部，是一座年产 800 万吨的现代化矿井，井田内主要采 3 号及 9 号煤层。 本次试验是在 3209 巷道，巷深 300–350m；采 9号煤层，煤体的单轴抗压强度为 ；煤层顶板为老顶和直接顶；老顶：细砂岩，厚 ，深灰色，中厚层状，含植物化石，夹薄层状细砂岩；直接顶：泥岩，厚 ，黑色，厚层状，局部含少量砂质，水平层理发育，植物化石丰富。 煤层底板为直 接底和老底；直接底：砂质泥岩，厚 ，黑色，中厚层状，水平层理发育，中夹薄层细砂岩；老底：泥岩，厚 ，黑色，中厚层状，富含植物化石局部含砂质。 沿煤层底板掘进，煤层总厚度 ，煤层倾角 2070（ ）；根据通风科 2月份在相邻巷道 3209 巷正常生产时连续观测一个月，取月平均瓦斯涌出量，为；煤尘无爆炸危险，煤层无自燃倾向；地温： 120160C；最大涌水量：60m3/h，正常涌水量： 215 m3/h。 参考该矿 3号煤层得到该条件下煤岩体 物理参数见表 31： 表 31 煤层物理力学参数 Physical mechanics parameters of coal seal 煤层 密度 / Kg/m3 体积模量 K /GPa 剪切模量G/GPa 粘结力C/MPa 内摩擦角 /（ 186。 ） 抗拉强度 /MPa 泊松比 3号煤 1450 25 钻孔（巷道 ） 开挖后，周围煤（岩）原始应力要发生变化，产生变形、移动乃至破坏。 根据理论分析可知，煤体的局部开挖仅仅对一定的有限范围有 明显的影响，在距开挖部位稍远一些的地方，其应力变化是微不足道的。 一般认为计算区域的边界到钻孔周边的距离大于钻孔半径的 3～ 5倍后，由计算区域的大小而引起的计算误差就可以达到工程允许的范围之内。 由于 在成庄矿采用的钻头为 89 mm， 扩孔后能达到 100 mm，但 因此钻孔直径取 100 mm。 由于在封孔时采用三段式封孔装置，封孔长度为。 因此， 综合考虑模型单元数量与钻孔围岩应力影响范围两方面的因素，最终 确定计算区域尺寸为 m 1 .0m 1 .0 m。 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 报告 21 ⑶ 单元网格的划分 为了研究钻孔周围煤体在不同注浆压力的钻孔的变化情况 ， 对钻孔周围的煤体进行网格划分； 为了保证计算的必要精度， 采用了 等间距与不等间距相结合的方法划分网格，即钻孔附近的网格划分密集，离钻孔较远的岩体网格划分得相对稀疏，如图 312 所示。 图 36 网格划分 与边界条件 ⑷ 、 边界条件和载荷模式 模型采用的加载方式为先加载后开挖， 模型四周边界均施加水平位移约束，底边界均施加水平位移及垂直位移约束，上部边界为自 由面，上部边界以上的岩层作为外荷载施加在模型的上边界，见图 36。 模型的左、右边界 m， 前 部 边界 0 m， 后面边界 m为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的上面边界 m为应力边界面，上部边界 为自由面，主要承受 垂直应力 是 以上覆岩层的重力为主 ，即 Hq  ，其中  为上覆岩层的平均容重， H 为钻孔上边界至地表的深度， 模型下面边界 m为位移约束边界，约束水平和竖直方向 的位移，模型水平方向施加的应力方向及其量值的大小按侧向应力系数为 1的情况计算。 根据现在的设备、装置及材料等因素， 主动支护力（注浆压力）设 为 ， MPa、 MPa、 MPa。 模拟结果分析 F L A C 3 D 2 . 1 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a p o lis , M N U S AS t e p 1 M o d e l P e r s p e c t iv e0 9 : 1 8 : 0 6 S a t S e p 0 1 2 0 0 7C e n t e r : X : 9 . 0 8 7 e 0 0 2 Y : 7 . 5 0 0 e 0 0 1 Z : 1 . 1 3 1 e 0 0 2R o t a t io n : X : 0 . 0 0 0 Y : 0 . 0 0 0 Z : 0 . 0 0 0D is t : 5 . 0 0 0 e + 0 0 1 M a g . : 1 5A n g . : 2 2 . 5 0 0Job T itle: 注浆压力对钻孔的影响V iew T itle: S u r f a c e M a g f a c = 0 . 0 0 0 e + 0 0 0 E x a g g e r a t e d G r id D is t o r t io n 本煤层瓦斯抽采封孔器材研究 报告 22 ⑴ 塑性区变化规律 由图 37 中 a、 b、 c 可知，当采用 主动支护 力为 、 、 时，在这个区域内塑性区范围基本保持不变，其塑性区范围 ；虽然其塑性区相同，但是其受力程度不同，并且在不同的时刻，受力状态也不同。 当注浆压力继续增加，达到 时，钻孔周围的塑性区范围明显的减小，其范围为，相对于 ，其塑性区范围减小了 ，可见，在一定的范围内提高注浆压力，能使钻孔周围的塑性区范围减小，使钻孔周边的稳定，有利于瓦斯的抽放。 但是现在结合发明的装置的技术条件及对塑性区的分析可知：注浆压力采取 是合理的。 F L A C 3 D 2 .1 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a p o lis , M N U S AS t e p 1 1 0 1 M o d e l P e r s p e c t iv e0 9 : 5 9 : 3 8 S a t A u g 2 7 2 0 0 5C e n t e r : X : 6 . 0 0 1 e 0 0 3 Y : 7 . 5 0 0 e 0 0 1 Z : 2 . 8 4 0 e 0 0 3R o t a t io n : X : 0 . 0 0 0 Y : 0 . 0 0 0 Z : 0 . 0 0 0D is t : 5 . 0 0 0 e + 0 0 1 M a g . : 1 8 . 8A n g . : 2 2 . 5 0 0Job T itle: 注浆压力对钻孔的影响V iew T itle: B l o c k S t a t eN o n es h e a r n s h e a r ps h e a r p F L A C 3 D 2 .1 0I t a s c a C o n s。