王書文,毛德兵,2,任 勇,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

鉆孔卸壓技術(shù)參數(shù)優(yōu)化研究

王書文1,毛德兵1,2,任 勇1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

通過分析鉆孔圍巖變形破壞機理,得出鉆孔最終成孔半徑的計算公式,在此基礎(chǔ)上通過ANSYS軟件對相同鉆孔密度下不同布置方式 (單排、三花、四方)的卸壓效果進行模擬,從水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力兩方面進行卸壓效果分析,通過 5個指標(biāo)綜合評價,最終確定了在設(shè)定地質(zhì)條件下最優(yōu)的鉆孔布置方案。

鉆孔卸壓;沖擊礦壓;參數(shù)優(yōu)化;數(shù)值模擬

鉆孔卸壓技術(shù)是面臨沖擊威脅礦井廣泛采用的一種有效解危措施,影響其卸壓效果的因素眾多,主要包括地質(zhì)因素和技術(shù)因素。對于既定煤層中的某條巷道來講,地質(zhì)因素的變化一般很小,在現(xiàn)場實踐中,可調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)主要包括鉆孔深度、孔徑、鉆孔排間距、鉆孔布置形式等技術(shù)因素[1]。目前,大多數(shù)公開發(fā)表的關(guān)于鉆孔卸壓參數(shù)的文獻主要集中在孔深、孔徑、孔排間距這 3個相對較為直觀的因素上,而對不同鉆孔布置方式效果之間的差異進行論述的公開文獻并不多見[2]。

對于不同的鉆孔布置形式,由于鉆孔彼此距離和方位的不同,卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)的整體分布情況將有所不同,最終的卸壓效果必然不同。因此,如何總體評價各自的綜合效果將成為研究該問題的關(guān)鍵。針對這一問題,在鉆孔卸壓機理分析的基礎(chǔ)上,利用ANSYS分析軟件對目前常用的 3種鉆孔布置方式卸壓效果從不同的角度進行比較分析,最終得出一定條件下的最優(yōu)方案。

1 鉆孔圍巖變形破壞機理

鉆孔形成后,其圍巖的變形破壞過程主要包括2個階段。

(1)鉆孔周圍煤體由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成兩向或單向受力狀態(tài),其強度降低,在集中應(yīng)力作用下,鉆孔周圍的煤體首先由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。隨著時間的推移,孔壁近區(qū)的塑性區(qū)煤體變形量將不斷增大,處于塑性區(qū)內(nèi)圈煤體變形量將比塑性區(qū)外圈煤體要大,當(dāng)達到變形極限 (U>Umax)時,內(nèi)圈煤體就會破裂,形成破裂區(qū)。破裂區(qū)內(nèi)部煤體的強度將明顯削弱,低于原巖應(yīng)力。最終,鉆孔由內(nèi)而外形成破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū),如圖 1 (a)所示,鉆孔引起的卸壓區(qū)主要集中在破裂區(qū)范圍內(nèi)[3]。

(2)隨著塑性區(qū)及破裂區(qū)煤體變形量的不斷增加,破裂區(qū)煤體的強度進一步降低,當(dāng)煤塊之間的摩擦力不足以抵抗內(nèi)部圍巖的變形壓力及自重時,將發(fā)生塌孔,即鉆孔周圍破裂煤體向自由空間內(nèi)坍塌。

隨著時間的推移,塌落煤體將逐步充填自由空間,最終塌落煤塊與變形后的破裂區(qū)邊沿接觸,并對后者提供一定的支承力 Fb,若 Fb仍無法平衡破裂區(qū)傳遞的變形壓力,塌落區(qū)松散煤塊將逐漸被壓實,破裂區(qū)變形能繼續(xù)向孔內(nèi)方向釋放,而此時被壓實的煤塊抵抗變形能力不斷增大,當(dāng)其增長到足以平衡破裂區(qū)傳遞的壓力時,則會出現(xiàn)整體受力平衡,各區(qū)域相對保持穩(wěn)定,最終應(yīng)力分布形式如圖1(b)。

圖1 鉆孔圍巖應(yīng)力分布

根據(jù)圖 1(b)所示模型,由體積相等原則,可得塌落區(qū)半徑 (最終成孔半徑)Rb、原始塌落區(qū)半徑 Rb1和原始鉆孔半徑 R0之間的關(guān)系為:

式中,p為塌落區(qū)的煤體碎漲系數(shù)。

與鉆孔直徑相比,彈、塑性變形量 U較小,將其略去,即令 Rb1=Rb,可得最終成孔半徑:

圖 1(b)中所示的 Rc即為卸壓鉆孔的卸壓半徑,理論上,若要準(zhǔn)確地推斷其大小,則不能僅僅以鉆孔大小 R0為依據(jù),而應(yīng)以鉆孔空間被煤體完全填充后,煤體最終的塌落范圍 Rb1為依據(jù),在此基礎(chǔ)上,再通過數(shù)值解析或數(shù)值模擬對未垮落的區(qū)域進行變形破裂分析,最終得出 Rc的值。

可見,由于出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,實際成孔直徑與鉆頭直徑并不相同。鉆孔后所形成的破裂區(qū)和塑性區(qū)范圍大小主要取決于煤體應(yīng)力條件,煤體本身的強度,以及鉆孔所提供的塌落空間。鉆孔塌落后的成孔半徑與塌落煤塊的碎漲系數(shù)有密切關(guān)系。

2 不同鉆孔布置方式卸壓效果比較

2.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計

本文試通過ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果分別對不同布置方式的鉆孔卸壓效果進行分析評價。不同的布置方式都應(yīng)遵循同一個原則,即各個鉆孔形成的卸壓區(qū)應(yīng)能夠彼此聯(lián)通,達到比單個鉆孔孤立卸壓的效果更為明顯?？疾觳煌@孔布置方式的卸壓效果(鉆孔卸壓效率)區(qū)別時,應(yīng)以相同鉆孔數(shù)量為前提,即鉆孔密度相同的情況下對各種布置方案進行效果比較。

某礦生產(chǎn)工作面回風(fēng)巷采用錨網(wǎng) +U型棚支護,其中U型棚間距 0.6m,為提高卸壓效果,將鉆孔密度定為平均每棚一孔。以該礦實際條件為前提,現(xiàn)提出 3種鉆孔布置方案:單排眼、三花眼、四方眼,具體參數(shù)如圖 2所示。

圖2 鉆孔卸壓布置

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

模擬煤體的力學(xué)參數(shù)取自某礦實測資料,如表1所示。目前該礦采用的鉆孔直徑為 <100mm,根據(jù)公式 2選擇擴孔系數(shù) 2,最終成孔直徑取 200mm。采用平面應(yīng)變二維模型,模型長 ×寬為 5m× 3m,孔周圍單元長度 30mm,模型周邊單元長度60mm。單排布置共劃分 7950個單元;三花布置共劃分 13920個單元;四方布置共劃分 8723個單元。模型擬采用 D-P本構(gòu)模型,Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則是Mises準(zhǔn)則的修正,且充分考慮了靜水壓力分量的影響,其屈服強度隨著側(cè)限系數(shù) (靜水壓力)的增加而相應(yīng)增加,較好地表現(xiàn)出巖石等材料的屈服特性[4]。

表1 模擬煤體力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖 3,圖 4分別顯示了 3種鉆孔布置方式下水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出,不同的鉆孔布置方式導(dǎo)致的卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)分布差異較大,且對水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力卸壓程度亦有 較大的區(qū)別。

圖 3 不同鉆孔布置方式水平應(yīng)力分布

圖 4 不同鉆孔布置方式垂直應(yīng)力分布

(1)水平應(yīng)力卸壓效果分析 將圖 3的模擬結(jié)果統(tǒng)計于表 2。水平方向上 (沿線段A)的水平應(yīng)力全部得到了不同程度的卸壓,現(xiàn)根據(jù)不同的卸壓程度進行分區(qū)統(tǒng)計;垂直方向的水平應(yīng)力同時出現(xiàn)了卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū),卸壓厚度的大小與鉆孔的存在與否有關(guān),為此,將其分為沿孔 (線段 B)和沿孔間 (線段 C)分別進行統(tǒng)計。

表2 水平應(yīng)力卸壓范圍統(tǒng)計

由表 2可知,3種鉆孔布置方式的水平應(yīng)力都得到了不同程度的卸壓,但單排布置和四方布置的水平應(yīng)力都處在 0.75σx以下的高度卸壓區(qū),而三花布置僅有 68%處在高度卸壓區(qū)。

從垂直方向卸壓厚度來看,三花眼卸壓范圍最大,平均達到了 1.05m,且在線段 B和線段 C方向的卸壓厚度大致相等,說明在水平方向上卸壓較為均勻。單排布置和四方布置在垂直方向的平均卸壓厚度略小于三花布置方式,且前兩者的卸壓范圍沿水平方向的分布不夠均勻,呈現(xiàn)“厚 -薄 -厚-薄”的交替分布現(xiàn)象。

(2)垂直應(yīng)力卸壓效果分析 對于垂直應(yīng)力而言,無論采用何種布置方式,都會同時出現(xiàn)卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū),本文將兩者分別進行統(tǒng)計比較,統(tǒng)計方式如同前文。將圖 4模擬結(jié)果統(tǒng)計于表 3。

表 3垂直應(yīng)力卸壓范圍統(tǒng)計

由表 3可知,在水平方向上 (沿線段A),垂直應(yīng)力是以卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)交替出現(xiàn),但各自所占的比例有不同程度的差別。單排布置和三花布置由于在水平方向上鉆孔密度相同,卸壓區(qū)所占的比例大致相等,分別為 68%和 60%;在相同鉆孔密度下,四孔布置孔間距是其他布置方式的 2倍,從而導(dǎo)致孔間垂直應(yīng)力集中區(qū)所占比例較大,約為卸壓區(qū)的 2倍,從這一方面講,相同密度下的四方眼布置垂直應(yīng)力卸壓效果不理想。

在垂直方向卸壓厚度方面,單排眼卸壓效果最為優(yōu)越,其垂直方向卸壓區(qū)平均厚度分別比三花和四方布置高出 6%和 48%,且應(yīng)力集中區(qū)平均厚度則分別只占后兩者的 67%和 55%;相對單排眼而言,三花布置雖然提高了鉆孔上下煤體卸壓的范圍,但孔間垂直應(yīng)力集中區(qū)卻明顯增多,因此,其水平方向上的均勻度有所下降;四方布置的均勻度最差,垂直應(yīng)力卸壓區(qū)和集中區(qū)都集中出現(xiàn),易造成新的應(yīng)力集中。

(3)綜合效果評價分析 以上對 3種鉆孔布置方式的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力卸壓效果進行了詳細(xì)分析比較,為便于得出最終結(jié)論,提出 5個指標(biāo)進行評價,分別為:a水平應(yīng)力的卸壓程度 (沿 A); b水平應(yīng)力在垂直方向的卸壓厚度 (沿B和 C);c水平應(yīng)力在水平方向上的卸壓均勻度 (沿 A);d垂直應(yīng)力在垂直方向的卸壓厚度 (沿 B和 C);e垂直應(yīng)力在水平方向上的卸壓均勻度 (沿A)。

其中每一指標(biāo)以最優(yōu)的鉆孔布置方式為“優(yōu)”,其次為“良”、“差”,相差較小者歸為一類,結(jié)果如表 4。

表4 各鉆孔布置方式效果統(tǒng)計

從比較結(jié)果來看,在水平應(yīng)力卸壓方面,3種鉆孔布置方式效果大致相當(dāng),都為 2“優(yōu)”1“良”,三花眼雖然在垂直方向卸壓厚度和均勻度方面略有優(yōu)勢,但由于其鉆孔相對分散,卸壓程度遠(yuǎn)不及鉆孔相對密集的單排布置;而在垂直應(yīng)力的卸壓效果方面,單排布置最優(yōu),三花布置其次,四方布置最差,究其原因,亦為鉆孔布置過于分散,彼此相互影響較小,易形成新的應(yīng)力集中。

3 結(jié)論

(1)鉆孔塌落后的成孔半徑與塌落煤塊的碎漲系數(shù)有密切關(guān)系,通過理論推導(dǎo),得出了計算最終成孔半徑的計算公式

(2)對于設(shè)定的地應(yīng)力條件 (水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力),在鉆孔直徑及鉆孔密度相同的情況下,為實現(xiàn)卸壓效率的最大化,采用單排眼布置方式要優(yōu)于三花眼及四方眼布置方式。該結(jié)論可以供具有相似地質(zhì)條件的現(xiàn)場參考。

[1]齊慶新,竇林名 .沖擊地壓理論與技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[2]蘭永偉 .鉆孔防治煤礦沖擊地壓的研究 [D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2004.

[3]蔡美峰,何滿潮 .巖石力學(xué)與工程 [M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[4]賴永標(biāo),胡仁喜,等 .ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[責(zé)任編輯:于海湧]

Parameter Optim ization of Drilling Holes for Pressure Relief

WANG Shu-wen1,MAO De-bing1,2,REN Yong1,2

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

This paper analyzed defor mation and damage mechanism of borehole’s surrounding rock and obtained calculation formula of ultimate aperture of borehole.On the basisof this,it applyingANSYS to simulating pressure relief effect based on vertical and horizontal stress under different borehole layoutmanners(single row,triangle,square)and same borehole density.It obtained optimal borehole layout project under given geological condition by comprehensive evaluation of 5 indexes.

pressure relief by borehole;rock-burst;parameter opt imization;numerical simulation

TD322.5

A

1006-6225(2010)05-0014-04

2010-04-13

王書文 (1983-),男,山東魚臺人,在讀碩士研究生,主要從事煤礦沖擊礦壓防治研究。