易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术数值模拟研究*

  张  超1，2，李树刚1,2，林海飞1,2，张静非1,2，杨会军1,2

（1．西安科技大学能源学院，西安710054；2．西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，西安710054）

摘要：针对松软煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成钻孔密封难的技术难题，提出了预先采用加固技术来提高松软煤层瓦斯抽采钻孔的稳定性，合理的解决钻孔高效密封的现实难题。首先，阐述了易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术的基本原理。其次，利用FLAC3D模拟软件对比分析了松软煤层、硬质煤层在不同固孔材料固化后钻孔周围位移场变化。研究表明：采取固孔措施后的钻孔相比措施前等值线分布稀疏，梯度较小，不同位置处的煤体的位移量差别较小。钻孔形成后，顶部位移量均大于底部位移量，左右两帮的位移量基本相同，有效的降低钻孔周边煤体的位移变化量，增强钻孔稳定性，为钻孔的高效密封提供了保障。

关键词：钻孔失稳；加固技术；瓦斯抽采；钻孔密封；

中图分类号：X936 doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 02. 013

0  引言

 钻孔是煤矿瓦斯治理的基础技术手段，广泛应用于瓦斯抽采、参数测试、煤层注水、煤层增透等各个方面。一般而言，打好钻孔后都要求对钻孔进行密封，钻孔密封是保持孔底负压或正压的关键因素，而封孔质量的好坏直接影响各类钻孔作用的发挥。 

在掘进巷道围岩应力场和煤体内大量原生裂隙的影响下，煤层施工钻孔后钻孔壁弱结构易产生破坏失稳，导致易塌孔，成孔难。为了实现钻孔的高效密封，首先要解决的就是钻孔成孔问题。目前采取的方法一般是采用风排渣或者使用套管以保证成孔，但无法有效地解决问题。本文提出了一个有效的成孔方法，即先在预施工钻孔周边打固化孔，向孔内加压注浆，待浆液将固化孔周围的裂隙和弱结构填充完毕后，再施工钻孔。通过FLAC3D数值模拟的方法，模拟分析松软煤层、硬质煤层、以及分别采用强度较小的固孔材料和强度较大的固孔材料后钻孔周围位移场变化，得出采用先固孔再成孔的方法能够有效的降低钻孔周边煤体的位移变化量，增强钻孔稳定性，提高成孔率。

1  易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术原理

 在松软煤层瓦斯抽采钻孔周边打固化孔，通过加强固化孔周边强度的方法来加强瓦斯抽采钻孔周边煤体的强度，从而达到提高钻孔稳定性的目标。

 1)固化孔的成孔

 在瓦斯抽采钻孔的区域先施工4个直径为70 mm，孔间距为200 mm，上下左右对称分布的4个固化孔，由于煤体是裂隙发育，存在一定的裂隙结构，固化孔施工完毕后，由于受到扰动影响，其周围将产生一定的裂隙和弱结构。见图1。

 2)固化孔的加压注浆

 固化孔形成后，向孔内带压注入CF固化材料，在高压的驱使下，CF固化材料能够渗入固化孔周边的裂隙和弱结构内。见图2。

 3)区域加固

 待固化孔中的CF固化材料彻底凝固后，4个固化孔也加固完毕，此时固化孔周围的裂隙和弱结构被CF固化材料填充，区域内煤体强度增大。见图3。

 4)施工瓦斯抽采钻孔

 在4个固化孔中间施工瓦斯抽采钻孔，由于固化孔在区域内的加固作用，钻孔周围煤体位移变化量减小，结构稳定，不易塌孔。见图4。

2  易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术的数值模拟

2.1  模型建立及参数设置

 针对松软煤层瓦斯抽采钻孔成孔后煤体内部应力、位移的变化情况，选择FLAC3D软件中的塑性模型摩尔一库伦模型进行数值模拟。

 本次模型采用瓦斯抽采钻孔直径为70 mm，考虑到网格划分疏密以及钻孔与固化孔之间的影响，确定模型的计算区域为1 mx1mx0.6 m，其中钻孔和固化孔之间距离为200 mm。由于钻孔长度远大于其直径，因此钻孔周围煤体的变化情况可以视为平面应变问题。考虑上覆岩层密度不同，初始垂直方向地应力取20 M Pa，侧向应力系数A取1。考虑固孔注浆时的压力因素，在固化孔周围采用压力边界，加压注浆时，固化孔周围压力取15 M Pa，运行500步后卸除压力，模拟停止注浆后固化孔的变化情况，该方法能够真实地反映加压注浆前后的变化情况。

本次模拟采用Cylinder和Radcylinder模型建立，使用空单元来描述开挖区域的煤体材料，应变软化模型来描述煤体材料，弹塑性本构模型描述固孔材料。其中煤体和固孔材料的物理力学参数如表1所示。

2.2模拟结果及分析

 在向固化孔内注浆过程中，瓦斯抽采钻孔区域的煤体都会受到影响，产生一定的位移，但只有施工钻孔前后煤体的位移变化情况能够反映钻孔的稳定性，因此本次模拟只分析施工钻孔后煤体的位移变化情况。

 通过图6可以看出，不同强度材料的打钻成孔后钻孔周边的Z向位移量差别较大，且Z向位移多发生在钻孔的顶部及底部，两帮Z向位移很小，基本趋近为零；通过图7可以看出，软煤中钻孔顶部和底部的Z向位移值分别为18、16 mm;硬煤中钻孔顶部和底部的Z向位移值分别为3.5、3 mm,低强度材料中钻孔顶部和底部的Z向位移值分别为6、2 mm,高强度材料中钻孔顶部和底部的Z向位移值都接近为零。

 通过图8可以看出，不同强度材料的打钻成孔后钻孔周边的X向位移量差别较大，且X向位移多发生在钻孔的左右两帮，顶底部X向位移很小，基本趋近为零；而通过图9可以看出，软煤中钻孔两帮的X向位移值分别为16、16 mm；硬煤中钻孔两帮的X向位移值分别为2.5、2.5 mm;低强度材料中钻孔两帮的X向位移值分别为4、4 mm,高强度材料中钻孔两帮的X向位移值分别为0.2、0.2 mm，基本趋近于零。

3  结论

 1)随着固化材料强度的增大，钻孔成形后位移量越来越小，当固化材料强度高达一定程度时，位移量趋近于零，此时钻孔最为稳定。

  2)采取固孔措施后的钻孔相比措施前等值线分布稀疏，梯度较小，不同位置处的煤体的位移量差别较小。钻孔形成后，顶部位移量均大于底部位移量，左右两帮的位移量基本相同。