非均匀应力场瓦斯抽采钻孔扰动煤体变形破坏特征

深部松软低透煤层瓦斯抽采钻孔周围煤体变形破坏特征影响着煤层瓦斯预抽效果。基于非均匀应力场条件,构建了钻孔扰动煤体的力学模型,推导了钻孔扰动煤体破碎区、塑性区、弹性区的应力、应变及位移的解析解,分析了侧压系数、载荷条件、黏聚力及扩孔行为等因素对扰动煤体“三区”分布的影响规律,并通过工程实例验证了理论模型的可靠性。研究结果表明:在非均匀应力场条件下,扰动煤体塑性区、破碎区呈椭圆形分布,随着侧压系数的增大,扰动煤体塑性区、破碎区的上、下两翼的长度也越来越大,较小应力方向的塑性区、破碎区半径大于较大应力方向两区的半径;煤体塑性区、破碎区的半径均随着垂向载荷的增大而增大,随着初始黏聚力、残余黏聚力的增大而减小,垂向载荷对其形状产生的影响可以忽略不计;当钻孔直径由0.1 m扩孔为0.5 m时,距钻孔中心0~1.0 m的煤体产生强扰动作用,1.0~4.6 m的煤体产生弱扰动作用,4.6 m之后的煤体几乎无影响;通过古汉山煤矿16032底抽巷水力扩孔现场实例,观察到扩孔段扰动煤体的破坏程度较高,基于出煤量反推出扩孔直径为1.5 m,进而分别通过理论计算与数值模拟获得钻−扩孔煤体变形破坏特征,2者吻合度较高,从而验证理论模型的可靠性。

顺层钻孔施工过程中应力和位移变化规律

为掌握顺层钻孔施工过程中应力、位移变化规律,建立了FLAC3D数值模型,根据模拟结果和钻孔周围应力分布理论,对整个过程中应力、位移变化规律进行分析,并在平煤集团八矿进行钻孔窥视工业性试验。结果表明:钻孔施工过程中,扰动煤体依次经历原始应力、应力升高直至峰值、应力下降、残余应力4个阶段,同时位移增大速度呈现出由小变大再变小的特征;成孔之后,钻孔径向上依次存在卸压区、应力集中区和原岩应力区,距离钻孔中心越近,煤体的位移量越大,反之越小,且与钻孔中心同等距离处的上部煤体位移比下部大。