松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理及改進(jìn)措施研究.pdf

1、煤層中堅(jiān)固性系數(shù)小于0.8的煤層為松軟煤層，并且高瓦斯松軟煤層在我國分布廣泛，松軟煤層被稱為煤與瓦斯動力災(zāi)害的“溫床”。高瓦斯松軟煤層深孔鉆進(jìn)塌孔是制約瓦斯高效抽采的困難之一。相比其它巖層，松軟煤層具有特殊物理力學(xué)性質(zhì)，其特殊性導(dǎo)致松軟煤層瓦斯抽放鉆孔在鉆進(jìn)過程中容易導(dǎo)致鉆孔鉆進(jìn)不深，鉆孔變形、坍塌等現(xiàn)象，極大降低了瓦斯抽采率，嚴(yán)重限制了工程進(jìn)度，影響安全生產(chǎn)。因此研究松軟煤層塌孔機(jī)理十分必要。
　　本文以余吾煤礦N2202工作面

2、為工程背景，針對其煤層堅(jiān)固性系數(shù)小這一特點(diǎn)，考慮煤體孔隙流體情況下，基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，分別建立水平鉆孔和傾斜鉆孔坍塌失效的線彈性力學(xué)模型，分析鉆孔失穩(wěn)的力學(xué)條件及計(jì)算鉆孔坍塌的臨界應(yīng)力，并且研究了鉆孔坍塌臨界應(yīng)力隨煤體基本力學(xué)參數(shù)、鉆孔軌跡和煤層流體壓力等因素的變化規(guī)律。通過收集余吾煤礦 N2202工作面煤體基本力學(xué)參數(shù)，憑借 FLAC3D有限元數(shù)值模擬手段，采用對比分析的方法，針對裸眼鉆孔和下套管鉆孔，分析其變形的

3、應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)范圍等的變化情況，研究埋深、側(cè)壓系數(shù)、鉆孔直徑等對鉆孔變形的影響機(jī)制。主要研究成果如下：
　?。?）隨著煤體原始流體壓力增大，鉆孔坍塌臨界應(yīng)力、坍塌風(fēng)險(xiǎn)率及衰減的速率和幅度均隨之增大，到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間縮短。當(dāng)鉆孔傾角小于60°時(shí)，方位角為30°左右時(shí)，鉆孔極不穩(wěn)定；當(dāng)鉆孔傾角大于60°時(shí)，情況完全相反，鉆孔穩(wěn)定性在方位角為90°左右時(shí)最差；當(dāng)鉆孔傾角為60°時(shí)，方位角對鉆孔穩(wěn)定性的影響甚微。在松軟煤層打鉆時(shí)，鉆

4、孔傾角設(shè)置為22.5°最為合適。
　?。?）當(dāng)埋深小于600m時(shí)，埋深對鉆孔變形影響范圍較小，當(dāng)埋深大于600m后，埋深對鉆孔變形速率急劇增加，鉆孔縮徑明顯，垂直位移和塑性區(qū)范圍增大速率加快。
　?。?）同側(cè)壓系數(shù)λ=0.5時(shí)的鉆孔最大圍巖垂直應(yīng)力相比，側(cè)壓系數(shù)λ=1.0、1.5、2.0時(shí)的最大圍巖垂直應(yīng)力分別增大了1.4、2.6、3.05MPa。側(cè)壓系數(shù)增大，鉆孔承受綜合應(yīng)力增加，鉆孔穩(wěn)定性降低。
　?。?）鉆孔直徑

5、越大，對煤層產(chǎn)生的擾動作用越強(qiáng)，鉆孔越不穩(wěn)定。
　?。?）在下套管條件下，鉆孔圍巖垂直位移、最大垂直應(yīng)力作用點(diǎn)與鉆孔中心距離、塑性區(qū)范圍均隨著套管強(qiáng)度的增加而減小。
　　（6）根據(jù)以上的理論分析及數(shù)值模擬，埋深對余吾煤業(yè)鉆孔穩(wěn)定性影響較小，而側(cè)壓系數(shù)、鉆孔直徑、鉆孔支撐壓力是影響鉆孔穩(wěn)定性的主要因素。因此，建議在松軟煤層地質(zhì)構(gòu)造引起綜合應(yīng)力增加的區(qū)域，應(yīng)采取小直徑鉆孔、增加鉆孔支護(hù)強(qiáng)度等方式提高鉆孔穩(wěn)定性，保障鉆孔瓦斯抽采。