馬念杰，郭曉菲，趙希棟，李　季，閆振雄

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京　100083)

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煤與瓦斯共采鉆孔增透半徑理論分析與應(yīng)用

馬念杰，郭曉菲，趙希棟，李季，閆振雄

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

摘要:在煤與瓦斯共采時(shí)，受采動(dòng)加、卸載應(yīng)力影響，瓦斯抽采鉆孔圍巖塑性區(qū)內(nèi)煤體會(huì)產(chǎn)生大量裂隙，增大了瓦斯的滲透率，形成瓦斯增透圈，增透圈半徑的大小直接影響瓦斯的抽采效果。以鉆孔圍巖“蝶形塑性區(qū)”理論為基礎(chǔ)，建立了鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈模型，首次推導(dǎo)出了鉆孔增透圈半徑解析式。深入分析了鉆孔增透半徑影響因素發(fā)現(xiàn)：增透半徑與鉆孔半徑成線性正比例關(guān)系，與最小圍壓和圍壓比值呈類指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，與巖石黏聚力和內(nèi)摩擦角呈負(fù)指數(shù)變化關(guān)系；其中最小圍壓與圍壓比值是影響增透半徑的關(guān)鍵因素，深部開(kāi)采與高圍壓比值是形成大尺寸有效增透圈的必要和充分條件。這一理論為煤與瓦斯共采中瓦斯抽采鉆孔間距設(shè)計(jì)、位置選擇、方向確定、采場(chǎng)與鉆孔布置在時(shí)間和空間上關(guān)系協(xié)調(diào)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:煤與瓦斯共采；增透半徑；鉆孔增透圈；蝶形塑性區(qū)；圍壓比值；深部開(kāi)采

我國(guó)煤層瓦斯賦存豐富，實(shí)現(xiàn)礦井煤與瓦斯2種能源共采是現(xiàn)今提倡的綠色開(kāi)采理念核心之一[1]。鉆孔抽采是當(dāng)前煤與瓦斯共采中瓦斯抽采的主要工程手段，鉆孔塑性區(qū)對(duì)優(yōu)質(zhì)瓦斯通道的形成具有重要作用[2]。

為了增大煤層透氣性以提高鉆孔的抽采效率，學(xué)者對(duì)煤層注水、水力割縫和水力壓裂等各種增透措施做了大量的研究工作[3-8]。然而，由于在淺部、非采動(dòng)影響條件下鉆孔圍巖形成的塑性區(qū)范圍很小對(duì)瓦斯的增透效應(yīng)微乎其微，所以鉆孔圍巖塑性區(qū)的瓦斯增透作用常常被忽視。文獻(xiàn)[9-15]在研究圓形巷道圍巖塑性區(qū)時(shí)發(fā)現(xiàn)在非等壓條件下巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生“蝶形塑性區(qū)”，且隨著雙向壓力差值的增大“蝶葉”尺寸成倍增加。文獻(xiàn)[2]首次將巷道“蝶形塑性區(qū)”理論應(yīng)用于瓦斯抽采鉆孔中，指出在高壓力差值條件下鉆孔圍巖會(huì)形成幾十倍孔徑大小的“蝶形塑性區(qū)”，擴(kuò)大了鉆孔的聯(lián)通范圍，形成優(yōu)質(zhì)瓦斯通道。目前的理論多采用文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)出的塑性區(qū)邊界方程來(lái)確定鉆孔塑性區(qū)的影響范圍，方程復(fù)雜且為隱式，使用不便。本文建立了鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈的理論模型，推導(dǎo)出了鉆孔增透半徑的解析式，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了理論分析，為煤與瓦斯共采中鉆孔的布置提供了理論依據(jù)。

1鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈理論模型

在礦山壓力作用下，位于煤體中的瓦斯抽采鉆孔周圍將出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的煤體產(chǎn)生大量裂隙，導(dǎo)致瓦斯?jié)B透率增加，形成鉆孔瓦斯增透區(qū)域。為了表征鉆孔對(duì)瓦斯增透范圍的大小，定義塑性區(qū)最大邊界對(duì)應(yīng)的外接圓為瓦斯增透圈。圖1為鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈理論模型示意。

圖1　鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈理論模型Fig.1　Theoretical model of the drilling plastic zone and gas permeability-increasing circle

文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)出了非均勻應(yīng)力場(chǎng)中鉆孔圍巖塑性區(qū)邊界隱性方程：

(1)

式中,r,θ為塑性區(qū)邊界任一點(diǎn)的極坐標(biāo)；C為巖石黏聚力；φ為巖石內(nèi)摩擦角；η為圍壓比值，η=P1/P3。

式(1)結(jié)果表明，在圍巖巖性一定的條件下，鉆孔雙向圍壓比值決定了鉆孔圍巖塑性區(qū)的形態(tài)及范圍大小：當(dāng)η=1時(shí)，圖1為雙向等壓受力模型，鉆孔圍巖塑性區(qū)為圓形；隨著η的增大，鉆孔圍巖將形成蝶形塑性區(qū)，且蝶葉尺寸不斷擴(kuò)大，當(dāng)η增大到一定值時(shí)蝶葉最大尺寸將達(dá)到鉆孔半徑的幾十倍。圖2為巖石巖性一定(P1=20 MPa，a=0.05 m，C=5 MPa，φ=29°)時(shí)，在不同圍壓比值條件下鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈理論計(jì)算圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆孔所處圍壓比值較小時(shí)，鉆孔增透圈非常小，半徑甚至不足0.1 m；隨著η的增大，增透圈也不斷增大，當(dāng)η增大到18時(shí)，增透圈半徑達(dá)到1.08 m，為鉆孔半徑的21倍。

鉆孔增透圈半徑(簡(jiǎn)稱增透半徑)的大小直接影響鉆孔瓦斯抽采的效果，增透半徑越大瓦斯抽采效果越好。

2鉆孔增透半徑解析解的理論分析

2.1塑性區(qū)蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角特征

圖2　不同圍壓比值下鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈Fig.2　Drilling plastic zone and gas permeability-increasing circle in different confining pressure ratio

圖3　蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角θ與蝶葉最大半徑關(guān)系Fig.3　Relationship between butterfly leaf’s maximum radius corresponding polar angle and maximum radius

根據(jù)邊界方程可求出一定條件下鉆孔圍巖塑性區(qū)邊界范圍。圖3為3種巖石強(qiáng)度條件下蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角θ與蝶葉最大半徑關(guān)系圖(均質(zhì)條件下蝶形塑性區(qū)具有對(duì)稱性，所以只研究第1象限內(nèi)蝶葉情況)。研究發(fā)現(xiàn)，在一定圍壓條件下鉆孔圍巖出現(xiàn)蝶形塑性區(qū)后，不管蝶葉尺寸如何變化第一象限蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角基本在45°附近。巖石強(qiáng)度較低時(shí)，如圖3(a)所示，η=6塑性區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)蝶葉，蝶葉最大半徑約為孔徑的2.3倍，對(duì)應(yīng)極角θ為44.2°，隨著η的增大蝶葉半徑不斷增大，最大半徑對(duì)應(yīng)極角θ也在增大，η=8.5時(shí)蝶葉最大半徑約為孔徑25倍，對(duì)應(yīng)極角θ為45.7°。在中等巖石強(qiáng)度條件下，如圖3(b)所示，從開(kāi)始出現(xiàn)蝶葉到蝶葉最大半徑為孔徑23倍，蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角θ從44.5°變?yōu)?5.5°，θ偏離45°最大不超過(guò)0.5°。巖石強(qiáng)度較高時(shí)，如圖3(c)所示，蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角θ接近45°程度更高，偏離值最大不超過(guò)0.4°?？梢?jiàn)，鉆孔圍巖出現(xiàn)蝶形塑性區(qū)后，蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角在45°附近。

2.2鉆孔增透半徑解析式

上文分析得到，鉆孔圍巖出現(xiàn)蝶形塑性區(qū)后蝶葉最大半徑對(duì)應(yīng)極角都穩(wěn)定值在45°附近，最大偏差值不超過(guò)1°，可把45°處塑性區(qū)邊界半徑作為鉆孔的增透半徑。把θ=45°代入塑性區(qū)邊界方程(1)得到關(guān)于增透半徑的方程式：

(2)

式(2)是關(guān)于a/R的一元八次方程，其中八次、六次、二次項(xiàng)系數(shù)均為(1-η)2的整數(shù)倍，方程提出公因式變形得到

(3)

(4)

(5)

(2)當(dāng)b≠0時(shí)方程(4)是關(guān)于X的一元二次方程，解方程得

(6)

X2=-c-c2-4bd2b(7)

(8)

把各參數(shù)代入公式(5)和(8)得到瓦斯抽采鉆孔增透半徑的解析式：

(9)

2.3增透半徑解析式誤差分析

2.3在求解增透半徑解析式過(guò)程中把45°邊界半徑作為蝶葉邊界最大半徑且在解方程過(guò)程中省去微小項(xiàng)，所以所求增透半徑解析式與準(zhǔn)確值存在偏差。

表1為在3種不同巖石強(qiáng)度條件下，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算式(1)得到蝶葉最大半徑Rmax和在相同條件下通過(guò)解析式得到的增透半徑R對(duì)比表。由表1可以看出，解析式所求的增透半徑值與準(zhǔn)確值相比偏小但非常接近，相對(duì)誤差最大不超過(guò)3%，絕對(duì)誤差最大不超過(guò)鉆孔半徑的1倍，鉆孔半徑一般為50 mm左右，所以絕對(duì)誤差最大的都不超過(guò)50 mm。圖4是蝶葉最大半徑為孔徑20倍左右時(shí)，在3種不同巖性條件下式(1)所求蝶葉最大半徑與解析式求得增透半徑對(duì)比圖，從圖4可更直觀看出解析式增透半徑與式(1)蝶葉最大半徑高度吻合。

表1　3種巖石強(qiáng)度條件下蝶葉最大半徑和解析式半徑對(duì)比

3鉆孔增透半徑的影響因素

由鉆孔增透半徑表達(dá)式(9)可以看出，影響鉆孔增透半徑的因素有鉆孔半徑、圍壓比值、最小圍壓值、巖石黏聚力、巖石內(nèi)摩擦角，下面將詳細(xì)分析各因素對(duì)鉆孔增透半徑的影響。

圖4　蝶葉最大半徑與解析式半徑對(duì)比Fig.4　Comparison between the butterfly leaf’s maximum radius and the radius of analytic formula

(1)鉆孔半徑。

控制其他因素不變，鉆孔半徑從0.05～0.20 m以0.01 m間隔變化時(shí)，研究3種不同巖石強(qiáng)度的鉆孔增透半徑的變化趨勢(shì)，如圖5所示。由圖5可以得出，鉆孔增透半徑與鉆孔半徑成線性正相關(guān)關(guān)系，即隨著鉆孔半徑的增大，增透半徑線性增大，此性質(zhì)從增透半徑表達(dá)式也可以看出。增透半徑與鉆孔半徑線性關(guān)系的直線斜率由巖石巖性決定，當(dāng)巖石強(qiáng)度較低時(shí)直線斜率較大；在相同條件下，低強(qiáng)度巖石的鉆孔增透半徑大于高強(qiáng)度。在條件允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡量增大鉆孔孔徑以擴(kuò)大增透半徑，提高瓦斯抽采效率。

圖5　鉆孔增透半徑與鉆孔半徑關(guān)系Fig.5　Relationship between permeability-increasing radius and radius of the hole

(2)圍壓比值。

鉆孔所受圍壓比值是影響增透半徑的重要因素，圖6為3種不同巖石強(qiáng)度的鉆孔增透半徑與圍壓比值關(guān)系圖。由于巖石強(qiáng)度較大時(shí)破壞需要更大圍壓，為了在有限的圍壓比值范圍內(nèi)得到完整的曲線圖，在研究時(shí)強(qiáng)度大的巖石適當(dāng)增大了其所受的最小圍壓值。由圖可得，圍壓比值較小時(shí)3種強(qiáng)度巖石的增透半徑都很小且數(shù)值相近，基本為鉆孔半徑，圍壓比值的變化對(duì)鉆孔增透半徑影響不明顯；當(dāng)圍壓比值達(dá)到一定值后，如圖6所示，低強(qiáng)度的曲線在圍壓比值達(dá)到7，高強(qiáng)度的需要在圍壓比值達(dá)到16以后，增透半徑隨圍壓比值迅速增長(zhǎng)，可達(dá)到鉆孔半徑的十幾倍甚至幾十倍；不同的巖石強(qiáng)度鉆孔增透半徑與圍巖比值關(guān)系曲線具有相似的變化趨勢(shì)，只是巖石強(qiáng)度較大時(shí)，出現(xiàn)較大增透半徑需要更大的圍壓比值。

圖6　鉆孔增透半徑與圍壓比值關(guān)系Fig.6　Relationship between permeability-increasing radius and confining pressure ratio

(3)巖石黏聚力。

巖石的黏聚力是影響巖石強(qiáng)度的重要參數(shù)，圖7為鉆孔增透半徑與巖石黏聚力的關(guān)系。隨著巖石黏聚力的增加鉆孔增透半徑逐漸減小，黏聚力無(wú)限增大時(shí)增透半徑變化趨于平緩逐漸接近鉆孔半徑，鉆孔的增透作用幾乎為零。隨著巖石黏聚力的增大巖石強(qiáng)度在增大，鉆孔圍巖形成的塑性區(qū)逐漸減小，鉆孔增透半徑會(huì)不斷減小，當(dāng)黏聚力增大到一定值后，鉆孔失去增透作用，對(duì)于抽采瓦斯不利。圖7中3條曲線對(duì)比再次證明低強(qiáng)度高圍壓比值更容易形成大的增透半徑。

圖7　鉆孔增透半徑與巖石黏聚力關(guān)系Fig.7　Relationship between permeability-increasing radius and the cohesion

(4)巖石內(nèi)摩擦角。

與巖石黏聚力相似，巖石內(nèi)摩擦角是影響巖石強(qiáng)度的另一個(gè)重要參數(shù)，圖8為鉆孔增透半徑與巖石內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖。由圖8可得，隨著巖石內(nèi)摩擦角的增加鉆孔增透半徑逐漸減小，內(nèi)摩擦角增大到一定值后繼續(xù)增大時(shí)增透半徑變化趨于平緩逐漸接近鉆孔半徑，鉆孔的增透作用幾乎為零，此時(shí)對(duì)于抽采瓦斯不利。巖石內(nèi)摩擦角較小時(shí)，隨著內(nèi)摩擦角減小鉆孔增透半徑迅速增長(zhǎng)，如圖8中藍(lán)色曲線內(nèi)摩擦角為25°時(shí)鉆孔增透半徑達(dá)到1.27 m，約為鉆孔半徑的25倍，此時(shí)對(duì)于抽采瓦斯有利。

圖8　鉆孔增透半徑與巖石內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.8　Relationship between permeability-increasing radius and the internal friction angle

(5)最小圍壓與開(kāi)采深度。

鉆孔圍壓與鉆孔布置深度有關(guān)，一般地質(zhì)條件下原巖應(yīng)力場(chǎng)中水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，在鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈理論模型中可將垂直應(yīng)力作為最小圍壓值，其大小為上覆巖層的自重應(yīng)力，即P3=γH，γ為上覆巖層平均容重，H為開(kāi)采深度，隨著埋深的增加，最小圍壓線性增大。圖9為不同巖石強(qiáng)度條件下鉆孔增透半徑隨開(kāi)采深度的變化關(guān)系。由圖9可得，3條曲線具有相似的變化趨勢(shì)：開(kāi)采深度較淺時(shí)，隨著深度的增加增透半徑緩慢增大，當(dāng)深度達(dá)到一定值后隨著深度繼續(xù)增加增透半徑迅速增大，甚至可達(dá)到鉆孔半徑的幾十倍大小。巖石強(qiáng)度較大時(shí)，出現(xiàn)較大增透圈需要更大的圍壓值，鉆孔就要求布置在更深位置。

圖9　鉆孔增透半徑與開(kāi)采深度關(guān)系Fig.9　Relationship between permeability-increasing radius and the depth of drilling

鉆孔增透半徑的大小與5個(gè)因素相關(guān)，但5個(gè)影響因素有主次之分。增透半徑與鉆孔半徑成線性正比例關(guān)系，但比例系數(shù)卻至關(guān)重要，當(dāng)比列系數(shù)較小時(shí)單純依靠擴(kuò)大孔徑來(lái)增大增透圈半徑作用有限，所以鉆孔半徑為次要影響因素；在實(shí)際地質(zhì)條件下，巖層和巖石強(qiáng)度已經(jīng)客觀存在，巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角為非人為可控因素；在采礦工程活動(dòng)中會(huì)形成“加載”和“卸荷”效應(yīng)從而改變鉆孔圍壓比值，且只有在達(dá)到一定的開(kāi)采深度后才會(huì)有足夠破壞圍巖形成增透圈的圍壓力，所以圍壓比值和開(kāi)采深度是影響增透半徑的關(guān)鍵因素。通過(guò)上文對(duì)鉆孔增透半徑影響因素分析可知，只有當(dāng)開(kāi)采深度和圍壓比值增大到一定值后才會(huì)形成大的增透圈，所以深部開(kāi)采與高圍壓比值是形成大尺寸有效鉆孔增透圈的必要和充分條件。

圖10　采場(chǎng)附近應(yīng)力分布、分區(qū)及對(duì)應(yīng)鉆孔增透圈Fig.10　Stress distribution and partition near the stope and corresponding drilling permeability-increasing circle

4增透圈在煤與瓦斯共采中的應(yīng)用

上文研究表明，瓦斯抽采鉆孔在深部、高圍壓比值條件下圍巖將產(chǎn)生有利于瓦斯抽采的增透圈，在鉆孔深度和圍壓比值達(dá)到一定值后增透半徑隨著圍壓比值的增加而迅速增長(zhǎng)，在鉆孔周圍形成范圍較大的瓦斯增透區(qū)域，提高了瓦斯抽采效果。

采礦工程活動(dòng)引起的“加載”與“卸荷”效應(yīng)形成了高圍壓比值環(huán)境，為鉆孔增透圈形成創(chuàng)造有利條件，圖10為采場(chǎng)附近應(yīng)力分布、分區(qū)及對(duì)應(yīng)鉆孔增透圈示意圖。

在工作面前方，水平應(yīng)力由零逐漸增大趨近于原巖應(yīng)力，垂直應(yīng)力先增大至最大值后逐漸減小趨近于原巖應(yīng)力，形成“垂直應(yīng)力加載區(qū)”(簡(jiǎn)稱“加載區(qū)”)；在工作面后采空區(qū)下方，由于煤體開(kāi)采的“卸荷”作用使下鄰近層煤體所受垂直應(yīng)力銳減，隨著采空區(qū)頂板垮落壓實(shí)垂直應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力，水平應(yīng)力基本不變，在工作面后采空區(qū)下方形成“垂直應(yīng)力卸荷區(qū)”(簡(jiǎn)稱“卸荷區(qū)”)。“加載區(qū)”鉆孔所受最大圍壓為垂直應(yīng)力最小圍壓為水平應(yīng)力，圍壓比值近似等于工作面前方支承壓力系數(shù)，在圖10所示條件下鉆孔增透半徑為1.34 m，約為鉆孔半徑的27倍；“卸荷區(qū)”鉆孔所受最大圍壓為水平應(yīng)力最小圍壓為垂直應(yīng)力，圍壓比值最大可達(dá)到16以上[2]，在圖示條件下鉆孔增透半徑為1.44 m,約為鉆孔半徑的29倍。

抽采本開(kāi)采煤層瓦斯時(shí)，鉆孔應(yīng)垂直工作面水平布置，如圖10中鉆孔Ⅰ。鉆孔通過(guò)工作面前方的“加載區(qū)”，圍壓比值可近似等于工作面前方支撐壓力系數(shù)，在高圍壓比值環(huán)境下形成有利于瓦斯抽采的增透圈，隨著工作面向前推進(jìn)，“加載區(qū)”同時(shí)向前推移，鉆孔在“加載區(qū)”部分一直處在高圍壓比值環(huán)境中，瓦斯增透圈大，可持續(xù)高效抽采瓦斯。

預(yù)抽采“卸荷”下鄰近層瓦斯時(shí)，應(yīng)在上工作面回采之前在下鄰近煤層中預(yù)先布置水平鉆孔，如圖10中鉆孔Ⅱ。如果上工作面回采后再布置鉆孔，采空區(qū)后方壓實(shí)垂直應(yīng)力恢復(fù)，高圍壓比值環(huán)境消失，鉆孔周圍不會(huì)形成有利于瓦斯抽采的增透圈。圖11通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法得到了采深800 m、長(zhǎng)200 m工作面下方圍巖主應(yīng)力比值云圖，可以看出采空區(qū)下方“卸荷區(qū)”不同層位形成穩(wěn)定的高圍壓比值環(huán)境。在高圍壓比值帶內(nèi)鉆孔所受最大圍壓為水平應(yīng)力，近似等于上覆巖層自重應(yīng)力，即P1=γH，鉆孔所受最小圍壓P3=P1/η，據(jù)此可計(jì)算出不同圍壓比值帶內(nèi)鉆孔增透圈。由圖11可得，采空區(qū)下方“卸荷區(qū)”不同層位形成了不同的圍壓比值帶，Ⅱ?qū)游粐鷫罕戎底罡呖蛇_(dá)到16.6，對(duì)應(yīng)鉆孔增透半徑為1.3 m約為孔徑的26倍，鉆孔布置在這一區(qū)域可提高瓦斯的抽采效率。

圖11　卸荷區(qū)高圍壓比值帶與帶內(nèi)鉆孔增透圈Fig.11　High confining pressure ratio belt in unloading zone and drilling permeability-increasing circle

5結(jié)論

(1)建立了鉆孔塑性區(qū)與瓦斯增透圈的理論模型，推導(dǎo)出了鉆孔增透半徑解析式，可以作為瓦斯抽采鉆孔間距設(shè)計(jì)、位置選擇、方向確定、采場(chǎng)與鉆孔布置在時(shí)間和空間上關(guān)系協(xié)調(diào)的理論計(jì)算基礎(chǔ)。

(2)增透半徑與鉆孔半徑呈線性正比列關(guān)系，與最小圍壓和圍壓比值呈類指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，與巖石黏聚力和內(nèi)摩擦角呈負(fù)指數(shù)變化關(guān)系。

(3)最小圍壓與圍壓比值是影響增透半徑的關(guān)鍵因素，深部開(kāi)采與高圍壓比值是形成鉆孔較大增透圈的必要和充分條件。

(4)采礦工程活動(dòng)引起的“加載”與“卸荷”效應(yīng)形成了高圍壓比值帶，將鉆孔布置在這些高圍壓比值區(qū)域?qū)⑿纬纱蟮你@孔增透圈，有利于瓦斯抽采。

參考文獻(xiàn)：

[1]繆協(xié)興，錢(qián)鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開(kāi)采研究現(xiàn)狀與展望[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009,26(1):1-14.

Miao Xiexing,Qian Minggao.Research on green mining of coal resources in China:Current status and future prospects[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2009,26(1):1-14.

[2]馬念杰，李季，趙希棟，等.深部煤與瓦斯共采中的優(yōu)質(zhì)瓦斯通道及其構(gòu)建方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015,40(4):742-748.

Ma Nianjie,Li Ji,Zhao Xidong,et al.High quality gas channel and itsconstruction method applied to coal and gasin deep mining[J].Journal of China Coal Society,2015,40(4):742-748.

[3]楊天鴻，于慶磊，王善勇，等.荷載和水壓力作用下巖石裂紋貫通過(guò)程的數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(1):5026-5030.

Yang Tianhong,Yu Qinglei,Wang Shanyong,et al.Study on crackcoalscence process under loading and hydraulic pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(1):5026-5030.

[4]林柏泉，張其智，沈春明，等.鉆孔割縫網(wǎng)絡(luò)化增透機(jī)制及其在底板穿層鉆孔瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012,37(9):1425-1430.

Lin Baiquan,Zhang Qizhi,Shen Chunming,et al.Permeability-increasing mechanism of network slotting boreholes and application in crossing borehole gas drainage[J].Journal of China Coal Society,2012,37(9):1425-1430.

[5]穆朝民，王海露.煤體在高壓水射流作用下的損傷機(jī)制[J].巖土力學(xué)，2013,34(5):1515-1520.

Mu Chaomin,Wang Hailu.Damage mechanism of coal under high pressure water jetting[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(5):1515-1520.

[6]楊永明，鞠楊，陳佳亮，等.三軸應(yīng)力下致密砂巖的裂紋發(fā)育特征與能量機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014,33(4):691-698.

Yang Yongming,Ju Yang,Chen Jialiang,et al.Cracks development features and energy mechanism of dense sandstone subjected to triaxial stress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(4):691-698.

[7]閆發(fā)志，朱傳杰，郭暢，等.割縫與壓裂協(xié)同增透技術(shù)參數(shù)數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015,40(4):823-829.

Yan Fazhi,Zhu Chuanjie,Guo Chang,et al.Numerical simulation parameters and test of cutting and fracturing collaboration permeability-increasing technology[J].Journal of China Coal Society,2015,40(4):823-829.

[8]翟成，李賢忠，李全貴.煤層脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011,36(12):1996-2001.

Zhai Cheng,Li Xianzhong,Li Quangui.Research and application of coal seam pulse hydraulic fracturing technology[J].Journal of China Coal Society,2011,36(12):1996-2001.

[9]林遠(yuǎn)東，涂敏.非均應(yīng)力場(chǎng)圓形巷道圍巖塑性區(qū)解析分析[J].煤炭科技，2011(2)：27-28.

Lin Yuandong,Tu Min.Analytical analysis of non-uniform force field circular surrounding rock plastic zone[J].Coal Science and Technology,2011(2):27-28.

[10]陳立偉，彭建兵，范文，等.基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的非均勻應(yīng)力場(chǎng)圓形巷道圍巖塑性區(qū)分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007,32(1)：20-23.

Chen Liwei,Peng Jianbing,Fan Wen,et al.Analysis based on unified strength theory of non-uniform stress field circular roadway for plastic zone[J].Journal of China Coal Society,2007,32(1):20-23.

[11]趙志強(qiáng).大變形回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理與控制方法研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2014.

Zhao Zhiqiang.Mechanism of surrounding rock deformation and failure and control method research in large deformation mining roadway[D].Beijing:China University of Mining & Technology(Beijing),2014.

[12]劉朝科，任建喜.非均勻應(yīng)力場(chǎng)圓形巷道塑性區(qū)研究[J].煤礦安全，2014,43(3):42-45.

Liu Chaoke,Ren Jianxi.Study on plastic zone of circular roadway under non-uniform stress field[J].Safety in Coal Mines,2014,43(3):42-45.

[13]馬念杰，李季，趙志強(qiáng).圓形巷道圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布規(guī)律研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,44(2):206-213.

Ma Nianjie,Li Ji,Zhao Zhiqiang.Distribution of the deviatoric stress field and plastic zone in circular roadway surrounding rock[J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(2):206-213.

[14]張小波，趙光明，孟祥瑞.基于巖石非線性統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則的非均勻應(yīng)力場(chǎng)中圓形巷道圍巖塑性區(qū)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013,13(3):202-206.

Zhang Xiaobo,Zhao Guangming,Meng Xiangrui.Plastic zone analysis of the surrounding rock mass in circular tunnel under non-uniform stress field[J].Journal of Safety and Environment,2013,13(3):202-206.

[15]蔣斌松，楊樂(lè)，龍景奎.基于對(duì)數(shù)應(yīng)變的圓形巷道圍巖開(kāi)挖應(yīng)力分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,41(5)：707-710.

Jiang Binsong，Yang Le，Long Jingkui.Stress analysis of rock surrounding circular openings:The caving problem and logarithmic strain[J].Journal of China University of Mining & Technology,2012,41(5):707-710.

Theoretical analysis and application about permeability-increasing radius of drilling for simultaneous exploitation of coal and gas

MA Nian-jie，GUO Xiao-fei，ZHAO Xi-dong，LI Ji，YAN Zhen-xiong

(FacultyofResourceandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

Abstract:Under the influence of mining induced loading and unloading stress in simultaneous exploitation of coal and gas,a large number of cracks are generated in the surrounding rock plastic zone of gas drilling,which increases the permeability of gas and forms the permeability-increasing circle whose radius directly affects the effect of gas extraction.Based on the theory of the “butterfly plastic zone”,the model of the borehole plastic zone and the gas permeability-increasing circle was established,and the analytic formula of permeability-increasing circle radius was deduced.The further research on the factors affecting the permeability-increasing radiusreveals that the permeability-increasing radius is linearly positive to the radius of borehole,similarly exponentially positive to the minimum confining pressure and confining pressure ratio,and exponentially negative to the cohesion and the internal friction angle.The minimum confining pressure and confining pressure ratio are the key factors,and the deep mining and high confining pressure ratio are the sufficient and necessary conditions for the formation of effective permeability-increasing circle.This theory provides ascientific basis for the drilling spacing design,location selection,direction determination and the coordination of time and space between mining field and borehole layout.

Key words:exploitation of coal and gas;permeability-increasing radius;permeability-increasing circle of drilling;butterfly plastic zone;confining pressure ratio;deep mining

中圖分類號(hào):TD712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0120-08

作者簡(jiǎn)介:馬念杰(1959—)，男，遼寧開(kāi)原人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:njma5959@126.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2011CB201204)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51234005，51434006)

收稿日期:2015-07-08修回日期:2015-10-10責(zé)任編輯:常琛

馬念杰，郭曉菲，趙希棟，等.煤與瓦斯共采鉆孔增透半徑理論分析與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):120-127.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.8005

Ma Nianjie，Guo Xiaofei，Zhao Xidong，et al.Theoretical analysis and application about permeability-increasing radius of drilling for simultaneous exploitation of coal and gas[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):120-127.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.8005