地面钻井剪切变形破坏的时空规律分析.pdf

2 0 1 1 年 l 2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 8 卷第6期 地面钻井剪切变形破坏的时空规律分析 林府进 1 ． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 中煤科工集团重庆研究院 瓦斯防灭火研究分院， 重庆4 0 0 0 3 7 摘要 为有效预 防地面瓦斯抽采钻井的剪切变形破坏， 建立 了基于采场上覆岩层层面剪切 滑移效 应的采场任意点地面钻井剪切变形破坏模型， 并对套管变形随 回采工作面推进 的空间分布和时间变化 规律进行了分析 ， 同时运用 3 D E C数值模拟软件对模 型进行模拟分析并与现场工程 实例进行 了对 比验 证。指 出地面抽采钻井应优先布置在采场 中部 区域 以减小剪切变形 ， 模型描述 的规律对地面钻 井的施 工布井和钻井防护具有较强的工程指导意义。 关键词 地面钻井； 瓦斯抽采； 剪切滑移； 时空规律 中图分类号 T D 2 6 5 ； T D 7 1 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 1 0 6 0 0 0 1 0 5 利用地面钻井抽 采煤矿瓦斯时 ， 随着 回采工作 面的推进 ， 采场上覆岩层会发生剧烈 的移动 ， 当工作 面推过地面钻井位置后钻井迅速发生切孔破坏， 使 钻井无法再继续抽采采空 区瓦斯。而且 ， 随着煤层 回采工作 面的推进 ， 采场空间不同位置的钻井 ， 其变 形量是不 同的。因此 ， 笔者将概率积分法与复合岩 梁理论相结合 ， 构建 了采场任意位置地面抽采钻井 的剪切滑移破坏模型， 并对钻井套管变形随回采工 作面推进的空间分布规律和时间变化规律进行了研 究， 可为地面钻井的布孔及防护提供工程指导 1 - 3 ] 。 1 地面钻井剪切滑移变形破坏规律 由于沉积岩地质结构 的赋存特点 ， 煤系岩层一 般为层叠板状结构。因此， 在煤层倾向上， 开采长度 一 般远远大于采场覆岩单一岩层 的厚度 ， 在走 向方 向上任取一微段， 可以选用等效岩梁模型对岩层倾 向方向的变形及受力 特性进行分析 。同样 ， 在煤层 走 向上 ， 从 回采工作 面到下沉盆地 的边缘距离一般 远远大于采场覆岩单一岩层 的厚度 ， 在倾 向方 向上 任取一微段， 可以选用等效岩梁模型对岩层走向方 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 8 ； 2 0 1 1 0 9 2 6修订 基金项 目 国家重大基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 4 ； 国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X 0 5 0 4 1 0 0 6 ； 国 家自然科学基金青年基金项 目 5 0 9 0 4 0 3 4 作者简介 林府进 1 9 7 4 一 ， 男， 贵州盘县人， 高级工程 师， 主要从事煤矿安全技术方面的科研开发工作。E m a i l l 0 q y 1 6 3 ． c o m。 向的变形和受力特性进行分析 ， 如图 1 所示 。 图 1 上覆岩层移动的等效岩梁模型 采场上覆岩层的移动可以转变为采场倾 向和采 场走 向的等效复合岩梁 的综合作用进行分析 ， 如图2 所示 。由于地表沉 陷、 岩层移动是一个随着 回采工 作面推进而逐渐变化 的动态过程 ， 等效复合岩梁 的 应力也是一个 由相对均匀逐渐转变为非均匀分布状 态的过程 。 ／ 』 -g U』 ． ⋯⋯⋯⋯一 一 l ／ Z ， t 图2 复合等效岩梁结构模型 由文献[ 4 ] 可知， 等效复合岩梁所在平面任意点 的沉降函数为 1 2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 8 卷第6 期 伽 x , z 1 ． Y 1 d 1 ，Y J Z l 式中 是等效复合岩梁所在平面的最大沉降位 移 ， 其与岩层性质 、 回采速度等有关 ； r 是等效复合 岩梁所在平面的采动影响半径， 取岩层上表面的埋 深为基准埋深； ， ， 。 ， 分别为倾向和走向方向 的采动影响区问； S ， s 分别 为采场倾 向和走向方 向 的沉降拐点偏移距。 当 P点为位于走 向方 向 z 方 向 的某一点时 ， 其在倾向方向 方向 的复合等效岩梁的挠曲下沉 表达式为 A 1 d s x 2 ， Y J Xl 式 中A 为 走 向 方 向 坐 标z 处 一 定 值 ， A 。 广 。 州 d 屯 ， 按 下 式 求 解 A f 一 半 无限 开采 ry J 0 ry 。 一 d 3 ry J 0 r y 有限开采 由概率积分法和承受复杂非线性荷载的复合等 效岩梁变形分析可知 ， 此时 P点处煤层倾向方 向等效复合岩梁的层间滑移位移 岩层间的相对滑 动位移 为 e 丁 X - r y 2 半无限 竿 ， 有限开采 式中 h 为等效复合岩梁上覆岩层的厚度 ； 为 P点 距倾 向方 向采 动影 响边界的距 离； f 为煤层走 向方 向有效开采进度。 同理， 当P点位于倾向方向的某一点时， 其在走 向方向的复合等效岩梁的层间滑移位移表达式为 2 h ,B。 一 Z - r y 2 半无限开采 ry 。 一 。 5 rY 有限开采 式 中 B 为 倾 向 方 向 坐 标 处 一 定 值， B x - r - s ，按下式糯 2 『B f。。 。 一 d 半 无 限 开 采 l r y 。 f 。。 l y 。 y 【 有限开采 因此 ， 岩层移动的和位移为 “ 。 “ 2 c o s 0“ 丁 7 式 中 u 和 。 分别为岩层在倾 向和走向方 向的层间 滑移位移； C O S 0 为采场上覆岩层 ， 点处倾向方 向复合等效岩梁发生层间滑移后相对初始位置的倾 角余弦值， c 。 s 0 t an 南； 可 l 十 l l J 由文献[ 7 ] 中地表沉陷公式求导获得。 根据数值模拟 和实测 的对 比结果 ， 可以将套管 剪切变形假设为“ S ”形 ， 如图 3所示 ] 。 图3 套管剪切变形的“ S ” 形模型 i n y ] sp 叼 l i 三 一 j 叼f 一 ] J 式中 Q是位移函数的振幅 ， Q ； 口与岩层物 2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 8 卷第6 期 剪切变形关于复合 等效岩梁 的中点对称 ， 岩梁中点 处于变形局部极小值点 ， 向岩梁两端 ， 剪切变形缓慢 增大， 在下沉 曲线拐点偏向岩梁中点处达到最大值 ， 随后 剪切变 形迅速减 小 ， 在岩梁 端点减小 为 0， 如 图4 所示。因此 ， 在采场倾 向方 向上 ， 地面抽采钻井 因岩层移动发生 的剪切变形 ， 两侧采动影 响范围边 界处最低 ， 拐点偏向采空区中部最高， 采场中间为局 部极小区域。 0 图4 充分采动时地面钻井套管剪切应变水平分布规律 由于地下煤炭的回采通常采用沿煤层走 向方向 推进 ， 煤层倾向方 向煤柱 的回采 时间与走 向方 向的 推进时间相比是很小 的， 故可视倾 向方 向的等效岩 梁 的卸荷释放为瞬时完成的 ， 层 间滑移位移变化 由 式 2 值决定 ； 而走 向方 向等效 岩梁的卸荷释放 为随回采工作面推进逐步完成 ， 层 间滑移位移变化 由式 5 B值决定 。 设 回采工作 面推进速度为 ， 因采动影响导致 的岩层沉降影响以速度 随回采工作面的推进而向 前发展 。根据实测数据可知 ， 在有限开采时 ， 随 着回采空间 f 的增加， 采动影响半径逐渐增大； 当达 到半无限开采状态时， 采动影 响半径基本稳定下来 ， 为一定值。因此 ， 设 r V 半无 限开采 ⋯ 【 有限开采 式 中 。为与开采速度 、 采场上覆岩层物性参数 、 采矿 方法等有关 的无 因次参数 ， 01 。 采场上覆岩层的沉降并非伴随回采工作面推进 一 步到位沉降到其最大值 ， 而是在 回采工作面推进 中以及推过后的数月甚至数年内缓慢沉降达到最大 沉降位移， 即采场上覆岩层的沉降具有时间迟滞性。 因此 ， 引入岩性的时间系数 c来描述采场上覆岩层 的沉降迟滞性 f ， C 1 0 ， 1 U1 式中 t 为回采工作面以推进速度 推过 2倍采动 影响半径 2 r 所用的时间； T为采场某点达到沉降 最大值所用的时间。 因此， 任意等效复合岩梁的局部坐标系x y z 亦随 工作面的推进以速度 向前移动 ， 故设工作面实 际 向前推进时间为 t ， 有 A 。 d s 1 1 ，y J Z l 将式 1 1 代入式 4 ， 得不 同时刻采场倾斜方 向上的复合等效岩梁任 一点层间滑移位 移变化规 律 ， 如图 5所示。 u x ／ u 图5 倾向方向复合等效岩梁层间滑移位移变化规律 由图5可见， 倾向方向复合等效岩梁任一点层 间滑移位移随时间逐渐增加， 在岩层 移动 的初期阶 段 ， 层 问滑移位移缓慢增加且加速度逐渐增大， 在拐 点附近加速度增加到最大值 ， 随后层 间滑移位移增 加的加速度逐渐减小 ， 当位移接近最 大层 间滑移位 移时， 加速度趋近于0 ， 层间滑移位移也趋于最大值。 同理， 将覆岩移动影响范围的移动速度参数代 人式 5 ， 得 回采工作面影响范围内采场走向方向复 合等效岩梁交界面上任一点的层间滑移位移 2 h lB。 一 半无限开采 ry 。 。 一 T C V t - r y 2 一 。 一 T C V t - r y - v t 2 2 ry 有限开采 采场走向方向复合等效岩梁交界面上任一点的 层 间滑移位移随时间的变化规律 ， 如图 6所示。 u z ／ u z 图 6 走向方向复合等效岩梁层间滑移位移变化规律 由式 7 、 式 8 可得某一时刻采场上覆复合岩 层交界面层间滑移位移 ， 如图 7所示 。 3 2 0 1 1 年l 2 月 矿 业安 全 与环保 第3 8 卷第6 期 图7 某一时刻采场上覆复合岩层交界面层问滑移 位移等值线分布示意图 随着工作面的推进 ， 采场中线附近首先出现沉 降， 产生层间滑移， 并逐渐扩展到回采工作面的边界 处 ， 而且逐渐增大 ， 因此 ， 在采动影响的初始阶段 ， 越 靠近采场中部岩层层间滑移位移越大； 但在倾向方 向上 ， 层间滑移位移变化的加速度是不 同的， 在采场 中线附近要小于回采工作面边界的拐点附近 ， 因此 ， 随着工作面推进 ， 层间滑移位移会在岩层沉降拐点 偏向采空区中心一侧首先达到极大值， 并且在同一 倾向分布线上其位移值也是最大的； 采场中间部位 层间滑移位移最大值的出现 时间相对较晚 ， 在 同一 倾向分布线上其值相对拐点附近较低； 从拐点向采 场侧边界方向， 层间滑移位移迅速降低， 其出现高滑 移值的时间最晚， 在同一倾向分布线上滑移值最低。 2 地面抽采钻井剪切滑移变形破坏的数值 模 拟 2 ． 1 数值模型的构建 为了对前述分析获得的模型规律进行验证 ， 利 用美国 I t a s c a 公司的 3 D E C数值模拟软件构建了地 面钻井变形破坏的三维数值模型。根据模拟需要， 构建了表土层下 的等厚覆岩结构模型， 并根据工程 地质情况和采场覆岩“ 三带” 划分经验估算了垮落 带 、 断裂带和弯曲下沉带的发育高度， 以对地面钻井 变形破坏的基本规律进行模拟验证分析。为了与煤 炭回采的工程实际相符 和减小模型 的尺度影 响， 模 型以 x y z 方 向3 6 0 mx 3 0 0 mx 4 0 0 m的空间体为基础 构建。数值3 D模型如图8 所示。 为了如实反映煤层回采过程中采场上覆岩层应 力、 位移及钻井套管变形的变化规律， 选取 M o h r C o u l o m b 模型作为采场覆岩和煤层的本构模型， 各岩 体力学参数如表 1所示。模型中所有节理采用 C o u l o m b面接触滑动模型， 本模拟选取石油套管 G B 8 1 6 3 8 7 作为地面钻井瓦斯抽采套管。 ．4 图 8 三维数值模型 表 1 各 岩层 的物理 力学特性参数 采用分步开挖 ， 沿煤层走向方 向每次开挖 1 0 m， 共计 1 1步 的开 挖方 式来模 拟分 析 回采 工作 面在 1 1 d内的回采情况， 采用垮落法控制煤层顶板。为 了获得地面钻井 的剪切滑移变形沿采场倾 向方向的 空间变化 规律 ， 将 钻孔 布 置在走 向方 向 方 向 1 6 5 m， 倾 向方向 方 向 分别位于 3 5， 6 5 ， 9 5 ， 1 2 5 ， 1 5 5 ， 1 8 0， 2 0 5 ， 2 3 5 ， 2 6 5 ， 2 9 5 ， 3 2 5 m处 的 1 1个方案 ， 其编号分别为方案 1～1 1 。回采煤层采空区 、 开挖分 步及钻孔布置如图 9所示 。 图9 回采煤层开挖分步及地面钻井布置示意图 2 ． 2 模拟结果 对 3 D数值模型中地面钻井布置方案 l ～ 1 1 分 别进行数值模拟， 并对 Y 1 4 0 ， 2 2 0 m两个平面上钻 井套管的位移值进行数据分析可得， 在走向位置 1 6 5 m处的采场倾 向线上 ， 地面钻井套管位移变 化规律如图 l O所示。 2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 8 卷第6 期 0 ． O 1 2 0 ． 0 1 0 0 ． 0 0 8 羹0 ．0 o 6 球 0 ． 0 0 4 0． 0 02 O 吕 球 3 5 6 5 9 5 l 2 5 1 5 5 l 8 0 2 0 5 2 3 5 2 6 5 2 9 5 3 2 5 钻 井水平位 置， m a y 1 4 0 m 钻 井水平位 置／ m b y 2 2 0 m 图 1 0 地面钻井层问滑移位移沿采场倾向方向变化规律 数值分析结果与理论推导的地面钻井变形在倾 向上 的分布规律基本 上一致 ， 在采场采动影响范 围 内， 地面钻井套管剪切滑移和位移分布在采场 中部 极小 ， 向两端逐渐增高， 在采场两侧采 区回风和运输 巷道偏向采场中部附近达到最大值， 然后向采场影 响边界方 向逐渐减小 ， 由此证明 ， 理论模型获得 的空 间分布规律是正确 的。 模拟方案 3和方案 5中， 在 Y1 5 0， 1 9 0 m两个 水平监测点的套管相对滑移和位移随工作面推进变 化规律如 图 1 1 所示 。 g 一． ／ ， ． 。 、 _， 厂 - ． ； - ． ． - 一． 毒r一一 j 一 开挖 步 方案3 x 9 5m，y 1 5 0m、 方案5 1 5 5 m，y l 5 0 n n - ． -方案3 x 9 5 m，y l 9 0m、 方案5 1 5 5 m，y l 9 0 m1 图 1 1 地面钻井套管相对滑移和位移随工作面 推进变化规律 随着煤层回采， 地面钻井套管发生的层问相对 滑移和位移总体呈递增趋势 ， 当地面钻井位置靠近 采场中部时呈先增大后减小的趋势。这与采动影响 下岩层移动和沉降规律是一致的。因此， 同一倾向 线上采场中部的地面钻井套管最先达到所在走向线 上相对滑移位移 的极大值 ， 但采场 中部的套 管相对 滑移位移最大值要小于拐点附近的相对滑移位移最 大值 。考虑到地面钻井“ 一井三用” 抽采采空区瓦斯 的功能 ， 应将地面抽采钻井优先布置在采场中部。 3 现场验证 淮南矿业集团潘一矿在 2 6 6 2 1 工作面施工 了 3 个地面抽采钻孔， 均布置在采区中部， 回采过程中 钻井一直正常运作 ， 没有发生明显破坏。而地质条 件基本相似的2 3 6 1 1 工作面宽度约为 3 0 0 m， 地面 抽采钻孔布置在采区偏 向回风巷一侧 ， 距离 回风巷 6 5 m处 ， 钻孔深 6 8 0 ． 8 9 m， 距开切眼2 6 0 m。工作面 推过钻孔 5 9 m时 ， 钻孔发生破坏 ， 钻孔工作 了 1 0 d 。 通过探孔发现 ， 套管在距离地表 3 2 0 m深度处阻断。 因此 ， 在倾 向方 向上采空区中部 为地 面抽采钻 井剪切滑移变形相对较小的位置。 4 结论 1 在采场倾 向方 向上 ， 地面抽采钻井 因岩层移 动发生的剪切 变形呈两侧采 动影 响范 围边 界处最 低 ， 拐点偏 向采空区中部最高 ， 采区中间为局部极小 值点的分布规律 。 2 同一倾向线上 ， 采场 中部的地 面钻井套管最 先达到所在走向线上相对滑移位移的极大值， 但采 场 中部的套管相对滑移位移最大值要小于拐点附近 的相对滑移位移最大值。考虑到地面钻井“ 一井三 用” 抽采采空区瓦斯的功能， 应将地面抽采钻井优先 布置在采场中部。 3 由于倾斜状态下采区上覆岩层的沉降曲线会 发生变化 ， 因此应对覆岩倾斜 角度对地面抽采钻井 剪切滑移变形规律的影响进行深入研究。同时， 还 应对 因关键层 、 巨厚岩层 引起 的离层位移突变处进 行专门的防护措施研究。 参考文献 [ 1 ]刘宝琛， 廖国华． 煤矿地表移动的基本规律[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 6 5 ． [ 2 ]胡千庭， 梁运培， 林府进． 采空区瓦斯地面钻井抽采技术 试验研究[ J ] ． 中国煤层气， 2 0 0 6 ， 3 2 3 6 ． [ 3 ]刘玉洲， 陆庭侃， 于海勇． 地面钻井抽放采空区瓦斯及其 稳定性分析[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 增 1 4 9 8 2 4 9 8 7 ． [ 4 ]煤炭科学研究总院北京开采所． 煤矿地表移动与覆岩破 坏规律及其应用[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 8 1 ． 下转第 8页 5 2 0 1 1 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 8 卷第6 期 2 现场试验及 结果分析 现场考察地点选择山西晋城某矿 3 煤层三采 区 2 l l 8巷 ， 该巷道长 8 0 m， 试验时 自辅助 1 巷与 2 l 1 8巷 拐角处开始每隔 1 0 m布置 1测点 ， 测点位 于巷道 中 线顶板处 ， 见 图 1 。 鄹口 O试 验 测 点 图 1 现场试验地点 该矿为单井单面作业， 试验期间该矿正在开采二 采区， 准备三采区 ， 并且 已在三采 区进行 了长时 间的 瓦斯抽采作业， 试验区域内的瓦斯抽采量已趋于稳 定 ， 经现场考察确定试验巷道风速为 7 ． 2 m ／ s ； 煤壁瓦 斯涌出源 Q 0 ． 0 0 6 1 k g ／ s ， 表明考察期间巷道煤壁瓦 斯涌出已趋于稳定 ， 即单位时间内瓦斯的涌出量为一 定值 ， 在现场考察试验期间 ， 巷道空 间瓦斯浓度分 布 恒定， 计算结果见图2 。 通过现场实测 与理论计算结果对 比， 结果表 明 所建立的煤壁瓦斯涌出扩散模型能较好地反映瓦斯 的实际扩散过程。 3结论 1 通过对井下采掘空间中瓦斯扩散 问题 的理论 分析 ， 建立了井下风流瓦斯扩散数学物理模 型， 并 采 用格林 函数法得到模型的解 析解及采掘 空间瓦斯浓 度分布的时空规律。 2 4 6 测 点 图2 瓦斯浓度实测与计算结果对比 2 对山西晋城某矿三采区 2 1 l 8巷内煤壁瓦斯涌 出扩散特征进行了考察， 并与模型计算结果进行了对 比， 结果表明 研究得到 的井下风流 瓦斯扩散模 型能 较好地反映井下采掘空间瓦斯扩散过程。 3 研究获得的煤壁瓦斯涌出扩散模型， 对于煤矿 防灾计划的制订和矿井通风系统优化具有 重要的指 导意义 。随着煤层瓦斯 流动理论 的发展 ， 最终将会实 现井下采掘空间瓦斯浓度场的精确计算 。 参考文献 [ 1 ]高运增， 周心权， 王润华． 煤矿井下爆炸烟气动态稀释规 律研究[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 0 0 6 ， 3 3 2 4 - 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