深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究.pdf

第 1 3 卷 第 8期 2 0 1 7年 8月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u r na l o f S a f e t y S c i e nc e a nd Te c h no l o g y Vo 1 ．1 3 NO ． 8 Au g．201 7 文 章 编 号 1 6 7 31 9 3 X 2 0 1 7 一0 80 1 5 20 7 深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究 张学博 。 ， 高建 良 ， 1 ． 煤炭安全生产河南省协同创新 中心 ， 河 南 焦作 4 5 4 0 0 3 ； 2 ． 河南省瓦斯地 质与瓦斯治理重点实验室 一 省部共建 国家重点实验室培育基地 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 ； 3 ． 河南理工大学 安全科学 与工 程学 院 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘要 为了研究 深部 开采 松软煤层 抽采 钻孔 变形 失稳特性 ， 基 于有 限元理论 和统计损伤理 论数值模拟 了深部开采松 软煤层抽采钻孔变形失稳整个过程 ， 分析了钻孔周 围煤体应 力及形 变分布 、 卸压 区演化 和渗透特 性。研究表 明 钻孔 破坏形式 为上方发生垮塌 ， 形成垮塌区 ； 左右侧发生破坏 ， 形成破 碎 区； 钻孔周 围煤体 均 向钻孔 移动 ， 钻孔 附近煤体位 移量较 大 ， 远处煤体位移量相对较小 ； 钻孑 L 形 状由开始 的圆形逐渐变 成“ 类橄榄球形 ” ， 然 后钻孔 “ 类橄榄球形 ” 断 面逐 渐 减小 至坍 塌。钻孔 失稳 过程 中 ， 钻孔附近煤 体渗透 率逐渐增 大 ， 钻孑 L 周 围煤 体渗 透率变 化量 及变 化范 围均不 断增 加 ； 周围煤体渗透率分布均大致呈“ V” 字型变化规律 ， 即煤体渗透率呈 随着距 钻孔距离 的增加先减小后 增加然后 趋于 稳 定的趋势。研 究结 果可以为我国煤矿深部开采松软煤层瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑 ， 具有指导性意义 。 关键词 松软煤层 ； 变 形特 征 ； 抽采钻孔 ； 渗透 特性 中图分类号 X 4 3 文献标志码 A d o i 1 0 ． 1 1 7 3 1 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 3 1 9 3 x ． 2 0 1 7 ． 0 8 ． 0 2 4 St u dy o n d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f dr a i na g e bo r e h o l e i n s o f t c o a l s e a m wi t h d e e p mi n i n g Z HANG Xu e b o 一．GAO J i a n l i a n g ’ 1 ．C o a l P r o d u c t i o n S a f e t y C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r i n He n a n P r o v i n c e ，J i a o z u o He n a n 4 5 4 0 0 3，Ch i n a 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y Cu l t i v a t i o n Ba s e f o r Ga s G e o l o g y a n d Ga s Co n t r o l ，J i a o z u o He n a n 4 5 4 0 0 3，C h i n a ； 3 ．C o l l e g e o f S a f e t y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，He n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ，J i a o z u o He n a n 4 5 4 0 0 3，C h i n a Ab s t r a c t T o s t u d y t h e d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f d r a i n a g e b o r e h o l e i n s o ft c o a l s e a m wi t h d e e p mi n i n g，t h e wh o l e p r o c e s s o f d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e o f d r a i n a g e b o r e h o l e i n s o ft c o a l s e a m wi t h d e e p mi n i n g wa s s i mu l a t e d b a s e d o n t h e f i n i t e e l e me n t t h e o r y a n d t h e s t a t i s t i c a l d a ma g e t h e o r y ．Th e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n d i s t r i b u t i o n，t h e e v o l u t i o n o f p r e s s u r e r e l i e f z o n e a n d t h e p e r me a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o a l bo d y a r o u n d t h e b o r e h o l e we r e a n a l y z e d．Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d a ma g e f o r m o f b o r e h o l e wa s u p p e r c o l l a p s e a n d s i d e d a ma g e，wi t h t h e f o r ma t i o n o f t h e c o l l a p s e z o n e a n d fra c t u r e z o n e r e s p e c t i v e l y ．Al l t h e c o a l b o d y a r o u n d t h e b o r e h o l e mo v e d t o t h e b o r e h o l e，a n d t h e d i s p l a c e me n t o f c o a l wa s l a r g e r n e a r t h e b o r e h o l e a n d r e l a t i v e l y s ma l l e r i n t h e d i s t a n c e ．T h e s h a p e o f b o r e h o l e c h a n g e d fro m t h e i n i t i a l c i r c l e t o a Y u g b y l i k e s ha p e g r a d u a l l y，a n d t h e n t h e r u g b y l i k e s h a p e s e c t i o n o f b o r e h o l e r e d u c e d g r a d ua l l y u n t i l t h e c o l l a p s e ．I n t h e p r o c e s s o f b o r e h o l e f a i l u r e ，t h e p e r me a b i l i t y o f c o a l b o d y a r o u n d t h e b o r e h o l e i n c r e a s e d g r a d u a l l y，a n d b o t h t h e v a r i a t i o n q u a n t i t y a n d v a r i a t i o n r a n g e o f c o a l b o d y a r o u n d t h e b o r e h o l e i n c r e a s e d g r a d u a l l y ． T h e p e r me a b i l i t y d i s t r i b u t i o n o f s u r r o u n d i n g c o a l b o d y s u b s t a n t i a l l y p r e s e n t e d t h e V s h a p e v a r i a t i o n l a w，n a me l y t h e p e r me a b i l i t y o f c o a l b o d y p r e s e n t e d t h e t r e n d o f f i r s t d e c r e a s e．t h e n i n c r e a s e，a n d t e n d t o b e s t a b l e wi t h t h e i n c r e a s e o f d i s t a n c e a wa y f r o m t h e b o r e h o l e ． T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r t h e g a s c o n t r o l a n d g a s d r a i n a g e i n s o ft c o a l s e a m wi t h d e e p mi n i n g i n Ch i n a ，wi t h a g u i d i n g s i g n i f i ea nc e ． K e y wo r d ss o ft c o a l s e a m ；d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s；d r a i n a g e b o r e h o l e；p e r me a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s 0 引言 深部开采 的松软 煤层 具有应 力 高 、 力学 强度 低 、 瓦 收稿 日期2 0 1 70 70 5 作者简介 张学博 ， 博 上生 ， 讲师。 基金项目 国家 自然科学基金项 目 5 1 1 7 4 0 7 9 ； 教 育部 “ 长 江学 者和创新 团队发 展计划 ” 创新 团 队项 目 I R T 1 2 3 5 ； 河南省基础与前沿技术研究计划 1 4 2 3 0 0 4 1 3 2 3 3 斯大且解吸速 度快 、 煤 层厚度变 化较大 等特 征 ， 抽 采钻 孔在松软煤层施工时 ， 经常出现喷孔 、 顶钻 、 卡钻等动力 现象 ， 常会 出现 大范 围塌孔 ， 形 成钻 穴⋯ ； 成 孔后 ， 钻孑 L 孔壁 也会 发 生变形 、 冒落 、 坍 塌 ， 导致 孔径 缩小 或 者 闭 合 ， 阻断瓦斯 涌 出和流 动 的通道 ， 严 重影 响 了瓦斯 抽采效率 。研究高 应力松 软煤 层抽采钻 孔变 形失 稳特 征 ， 对解决高应 力松软 煤层钻孔 失稳 坍塌 问题 、 有 效提 高瓦斯抽采效果有着重要 的理论指导意义 。 国内外许 多学 者对抽 采钻孔 周 围煤 岩 的变形 失稳 第 8 中 安 全 生 产 利 技 术 l 5 3 规伴 十 I { 火 论 进 r研 究 、T e z u k a等 提 Ⅲ r ⋯ 些钻孔稳定性模 ， 外基于这些模 型对钻孔 的稳定 性进行胛 沦分 析； 振 基于理论分 析建立 了抓进 面防 突钻孔 火稳力学模 ， ， 研究 了孑 L 底 f 1 1 孑 L 壁附近煤 体破坏 彤式 及夫稳特 征 ； 赵 【j f j ” 等对含钻孔 花岗岩体 1 人 】 在恒 温 下钻孔 变形 规律及其 临界 火稳条件进行 研究 ， 运 用黏弹 性 力学 沦建 立 了钻 孔 变形的黏 弹性 论模 型及黏弹 一 性 沦模 型 ； 翟成 、 睿 通过 刈 矿仆 松软突m煤层 钻孔火稳 变形 机 的分析 指出 _ r导敛 钻 孔 变肜 火稳主要 索 ； 郝富 吕 { 士 5 据 建立 的黏弹 性 软 化模 模拟分析 J 软硬煤层 中钻孔卸 压效果 ， 研究 r孔 径的变化姚伴 。前 人大 郝是对 钻孔 失稳前 变形 特 征等 进 行 』 ’ 研 究 ， 而对 f抽 果 钻 孔 变 形 火 稳 过 程 及 失 稳 后 的 相_火规律 尚未进行研究 ； 本文拟埘岛应 力松 软煤 抽 采 钻孔变形失稳过程 f 1 1 及失稳后剧Ⅲ煤休应 力变化 、 化 移 变化 、 透 气性分布 等特 征进行研 究 ， 这对 优化 抽 采钻孔 m咒 、 提高 瓦斯抽 采效 果 、 有效 防治瓦斯 灾 害有荷 匝要 的删 沦指导意义 。 1 抽 采钻 孑 L 变 形 失 稳数 值 分 析 方 法 及模 型 参 数 1 ． 1 理论 模型 建立 小文采用一种川 连续介 质力 学方法 解 决非连 续介 质 力学 IU题的新 型数值 分析 工具 RF P A 2 D系统对 钻孑 L 变形火稳过 程进 行模 拟分 析 ． RF P A 2 D 系统 可 以有效 地将 数f f i 计算方法与损伤力学结合起来 ， 充 分考虑岩石 的非均匀性 ， 常用来 模拟 岩石变 形 、 失稳 和破 裂 的非线 性 行 为 ． 1 ． 1 ． 1 基本控 制 方程 夺文模型基于如下基本假设 1 煤岩体是非均匀的 ， 煤 岩体细观单元 体的损伤 参 量符合 We i b u l 1 分和 ． 旦 ． e x p 一旦 1 0 2 o 1 O g o 中 和 ． ． 分别为材料微冗体力学性 质 如弹性 模赞 、 强度等 和 力 性质平 均 ； n l为均质 度 系数 ， m 越大 ． 煤 体越均质 ， 反之 ， 则越不 均质 、 2 措 中细观 死 体是弹脆性 的 ， 并 有残 余强 度 ， 其力学行为， H弹 性损 伤 理 论描 述 ， 最 大 拉应 变 准 则 和 Mo h r C o u l o mb准则作 为损伤 阑f 』I 条什 。 衡 方 程 _ I p X 0 i ， 1 ， 2， 3 2 d “ 几何 程 ， “ “ ／ 2占 s I 1s 2 2 3 3 3 水卡 句 方 程 j r ， A6 ， 2GF 4 1 ． 1 ． 2 煤岩体 芩 构 关 系的 细观 统计损 伤模 型 培于煤岩体受力后 不 断损伤 l 起 微裂 纹 ∞ft ．- 和扩 展造成其应力 一心变 f } } 1 线为非线州 ， 【 l J’ 以将柑 f ，J 细 观 单几的力学性质J l J 弹性损伤 的本构父 系术描述 ， 按 照 变等价原 ， 受损材料单了 { 小小构 关系 f IJ ‘ 以通 过尤 拟 材料 『 f 1 的名义心 得到 ， 即 s r r ／ E 1， 1一 D E．． 5 中 E 和 分 5 j JJ 为损 伤 己的仞始 弹性 摸 量 千 I1 弹性模 量 ； D为反映损伤稃度的损伤变龄 。 煤岩体 细观 次上的破坏傲视 为批仲 和 圳破坏 ， 其 死 被拉仲 f 1 l 压缩时 ， 单元体损伤变 D J 以分 别 川 下述 公 式 描 述 r 0 F s D』 0 ‘ ’ 7 【 If ， ／ e E 0 s≥ s ． 【] t f ] ． 为拉仲损 伤残余 度 ； s 为 弹性 极 托臆 变 ； 为最大拉 应 变； 为剪 切损 伤残余 强 度 ； e ， 为 应 变 的 弹性 极 限 1 ． 2物 理模 型建 立 据 弹性力学川 沦 町知 ， 汁算域 不 小于 巷道半 径 5 倍 ， 这 里取 2 0倍 ， 钻孔 卜径取 f f 【 5 0 i n I l l ， 模 【 } I l媒 尺 寸为 1 0 0 0 mm x 1 0 0 0 I Y I n l ， 网 格划分 2 0 02 0 0个 兀。 由于钻孔 长度远 大于 孔径故 可以将 其 简化 为 麻 变 模型来研究 ， 加载方式 采用 固定找衙 ， 侧压 系数 为 1 ． 0 。 建立 的物理模 型 如 1所示 、 图 I物理模型 Fi g． 1 Num e r i c al s i m ul at i on m o de l 1 ． 3模 拟参数 确定 R l I1 P A系统川均 质 度 系数 m米 表 征材 料 的均 匀程 度 ， 均质度系数 m将 岩体 宏观 力学 特性 与 细蚬 力学 性 质密切联 系起来 ， 叮根掂下面拟合公式 对输入 的弹忡模 1 5 4 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 量 干 u 岩休 强度进 选取 ， ’ 0 ． 2 6 0 2 I n to 0 ． 0 2 3 3 1 ． 2≤ m ≤ 5 0 8 ．， E 0 ． 1 4 1 2 l M 0 ． 6 4 7 6 1 ． 2≤ I T Z ≤ 1 0 9 E 式 l { f E 和 ， 表示模拟分析采用的弹性模量 和强 度的均 值 ；E 和 分 别为 煤 岩体 实 际 的弹性 模 量 和 强 度 。 某矿 煤 层 埋 深 1 0 0 0 I 1 1左 右 ， 按 照 平 均 重 度 2 7 k N ／ m ， 叮汁算得其垂 直应 力为 2 7 ． 0 MP a ， 侧压 系数 为 1 ． 0 ， 故其水平心力 也为 2 7 ． 0 MP a ； 其煤 质非 常松软 ， 实 测 其煤样 坚同性 系数 0 ． 7， 弹性模 量 2 0 0 0 MP a ， 单轴抗 压强度 7 ． 3 MP a ； I l 值取 6， 由式 1 、 2 可 得弹性模 和 单轴抗 J Ii 强度 的模拟输 入值分 别 为 4 0 8 6 ， 8 ． 1 MP a ； 其 他模拟 所需 参数 表 1所示 。 a 步骤 1 第 l 3卷 表 1 煤 的物理 力学参数 Tab l e 1 Phy s i c a l a nd m e c ha ni c al p ar am e t e r s o f c oa l 2 深部 开采松软煤层抽 采钻孔变形特性研究 利用 RF P A 2 D系统数 值模 拟 J ， 深 部开采松 软煤层 抽采钻 孔变形 失稳过 程 ， 以 分 别从钻孔 周同煤体应 力 及形变分布 、 卸压 演 化 、 位 移变化 干 透气 性分 布规律 个方 面反 映抽采钻进 变形失稳特 ．． 2 ． 1 钻 孔周 围煤 体应 力分 布及演 化规 律 数值解算得 到钻孑 L J 吉 j 嗣媒体最 大卞幢力分布女 I 】 图 2 所示 ， 图中灰度表示应 力值大 小， 颜色越深应力值越 小 C o 步骤 1 1 e 步骤 5 0 m 步骤 5 2 图 2最 大 主 应 力分 布 Fi g． 2 M a xi m um pr i nc i pa l s t r e s s d i s t r i b ut i on 山图 2町以石 ， 深 部 开采 的 高应 力 松软 煤层 抽 采 钻孑 L 施 1 后 ， ⋯ 于孔 壁 周 围煤 体 径 向 应 力 突 然 解 除 ， 钻孔周 H 爿 心 力重 新 分布 ， 钻 孔 周 边 产 生 的 竖 直挤 压和水 挤 作 川 J ， 使孔 擘 周 围形 成应 力集 中 区 ； 在 集 叶 1 应力 作 川 下， 孔 附近 煤 体 率 先发 生 屈 服 ， 形 成 塑性 区 ； 然 后 ， 应 力集 中区 向钻 孑 L 外 部 移动 ， 孔 壁 附近 塑性 状态 的煤体 变形 不 断增 大 ， 孔 壁 附 近塑 性状 态 煤 体变形 量 比远处 性 状 态煤 体要 大 ， 当其达 到 变形 极 限时 ， 孔 壁 附 近 塑性 状 态 煤 体 就会 破 裂 ， 形 成 破 裂 。 破裂 区 内部 煤 体 的强 度 【 jJ ] 削 刺 低 于 原 岩 应 力 ； 随着 塑性 区及破裂 煤 体 变肜 的 断增 加 ， 破 裂区煤体 的强度进 一 步 降低 ， 、 ‘{ 煤块 川的摩 擦 力无 法 抵抗煤体 的变形压 力及 自章 时 ， 钻 孔周 同破 裂 煤 体将 阳钻孔 内坍 塌 ， 即塌 孑 L 发 牛 ．最 终 ， 钻 孔 由 内而 外 形 成破裂 区 、 塑性 区 、 弹性 区， 钻孔 r j 1 起 的卸 压 区主要 集 f } 】 在破裂 区范 围内 第 8期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 l 5 5 从 钻孑 L 周 围裂隙发育情况来看 ， 钻孔附近 的塑 性区 内煤体 首先产 生一些 微孔／ 微 裂隙 ， 然 后 随着塑 性 区内 煤 体变形量 的不断增 大， 微裂隙逐渐 贯通形成较大 的次 生裂 隙 ， 次生裂 隙逐渐增 多并 贯通 ； 最 后破 裂 区煤体 形 成大宏 观裂纹 导致钻孔周 围煤体失稳 垮塌 ， 紧邻钻孔 周 围煤体 形成垮塌 区和破碎 区。总体来说 ， 钻孔破坏形 式 为上方 发生垮塌 ， 形成垮塌 区； 左右侧 发生破坏 ， 形 成破 2 0 0 I 1 5 0 匣 1 0 0 凶 届 5 0 6 。 重 4 o 菩2 o O 1 O O 8 O 室 6 0 4 o 2 O 0 - ● 切应力 嘲 一。 碎区 ， 这与胡胜 勇 博 士 的钻孑 L 孑 L 壁 附近 煤岩 体破 坏 全过程的相似试验结果基本相同 ， 也验证 了数值模 拟结 果的正确性 。 2 ． 2钻孔周 围煤体 卸压 区演 化规 律 为了进 一步研 究钻孑 L 周围卸压 区演 化规律 ， 过钻孔 中心做一水平截线 ， 该 截线上最大主应力 及切应 力分布 及演化如图 3， 4所示 。 6 。 重 4 。 巷2 o 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 o 0 l 0 0 0 0 位置坐标／ m m a 步骤 1 l O 0 8 O 叟 6 0 4 o 2 0 图 3钻孑 L 周围应力动态分布 Fi g ． 3 Dyn ami c d i s t r i but i on o f t he s t r e s s ar ound t h e b or e hol e O l O 2 0 3 0 4 0 5 0 步数 图 4钻孔周 围煤体卸压 区变化 Fi g． 4 The c ha ng e o f c o al unl oa di ng z o ne ar ound t h e bor e hol e 由图 3 ， 4容 易看 出 ， 钻 孔附 近煤 体应 力 集 中区应 力较 大 ， 距钻孔越远 ， 煤体应力越低 ， 主应力逐 渐接近原始应 力 ； 随着时间 的延长 ， 应力集中区不断 向钻 孔外侧移 动 ， 钻孔附近卸压 区内应力降低 ， 钻孔周 围卸压 范围不断 变 大 ，卸 压 范 围 由 0s t e p 1 3 5s t e p 2 1 9 0 s t e p 3 9 1 6 7 m m s t e p 5 2 ， 总体而 言 由钻 孑 L 变形失 稳引起 的周围煤体 的卸压 区域 较小 。此外 ， 由图 3 d 可以看出 ， 钻孔 失稳 坍塌后 ， 由于钻孔 顶部 煤体 不断 下 移 ， 钻孔 内煤体不断 压实 ， 使 得孔 内煤 体最 大主 应力 也 由开始的 0 MP a变成了 3 6 ． 6 MP a ， 切应力也 由0 MP a变 成了 2 8 ． 0 MP a 。 2 ． 3钻孔周 围煤体 形变 分布 及演 化规 律 钻孔周 围煤体 形变分布如图 5所示 ， 图 5中箭 头大 小表示位移大小 ， 箭头方 向表示位移方向。 由图 5可 以看 出， 钻 孔施 工 完毕后 ， 钻孔 周 围煤 体 逐渐 向钻孔 移动 ， 即上部煤体下 移 、 下部煤 体上移 ， 左 侧 煤体 右移 、 右侧煤 体左移 ， 钻孑 L 附近煤体 位移量较 大 ， 远 处煤体位移 量相对 较小 ； 随时间的增加总 位移量不 断增 加 ， 钻孔 面积不 断减 小最后 基本 变为零 ， 这说 明 钻孑 L 最 后被周 围煤 体堵 死 即堵 孔 ； 受 竖直 方 向地 应 力及 自 身重 力影 响 ， 钻孔 上方煤 体下移 量略大于 下方煤体上 移 量 ， 钻孔左 右侧水平位移相差不 大。 2 ． 4钻 孔孔 壁位 移变 化 规律 为了进一步的研究钻孔孔壁 变形情况 ， 分别在钻孑 L O ∞ O 舳 枷 标骤 坐步 枷垤 ∞ ∞ O O ∞ 枷 标骤 坐步 枷蛆 0 加 O 咖 啪 伽 标骤 坐步 伽 ㈣ 瑚 l 5 6 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 a 步骤 l 5 c 步骤 3 8 d 步骤 5 2 图 5钻子 L 周 围煤体形变分布 Fi g． 5 The de f o r m at i o n di s t r i but i on o f c o al ar o un d t he bor e ho l e 顶 、 底部及两侧设置监测点 ， 各监 测点位 移情况如 图6～ 8所 示 。 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8 5 2 步数 图 6钻 子 L 子 L 壁位 移 变 化 Fi g． 6 Th e v a r i at i on o f c o al di s pl a c e m e n t ar oun d t he bor e ho l e 从图 6， 7中可以看 出 ， 随解算 步数的增加 ， 孑 L 壁顶 、 底部垂直位移整体呈先增加然后再降低 的变化趋势 ； 开 始 阶段 s t e p l～2 8 ， 钻 孔顶 部煤 体垂 直 位移 量 比较 小 且增长速度较 小 ， 该 阶段 为钻 孔失稳 前 弹性变 形 阶段 ； 然后随着时间 的延 长 s t e p 2 8～5 0 ， 其垂 直位移 量不 断 增加且位移量增长速度逐渐变大 ， 该 阶段 为钻孔逐渐 失 1 2 O 口1 O 0 8 0 6 0 4 0 据 2 0 第 1 3卷 0 4 8 l 2 l 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 44 4 8 5 2 步数 图 7钻子 L 孔壁顶 、 底部 总位移变化 Fi g． 7 The va r i at i o n o f c oa l t o t a l di s p l a c e m e nt o n t op a nd b ot t o m o f bo r e bo l e 稳过程 ； 最后 s t e p 5 0～5 2 ， 垂直位 移量开 始降低 ， 该 阶 段为钻孔失稳后孑 L 内煤 体压缩 阶段 ； 钻 孔顶 、 底部煤 体 总垂直位移均是随解算步数的增加不断增加 ， 钻孔 顶部 煤体 下 移 量 最 后 达 到 7 0 ． 1 m l n， 底 部 煤 体 上 移 量 为 3 2 ． 3 mm， 二者 位 移 之 和 为 1 0 2 ． 4 mm 大 于 钻 孔 直 径 l 0 0 ． 0 mm， 说 明钻孔 已经坍塌。 从 图 6， 8中可以看出 ， 孔壁 两侧水平位移 随解算步 数的增加大致呈先增加再降低的变化趋 势 ， 其 总位移均 是随解算步数 的增加不断增加 ， 左右两 侧总水平位移量 第 8期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 5 7 4 0 3 0 2 0 要1 0 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 4 8 5 2 步数 图 8 钻孔孔壁顶 、 底部两帮总位移变化 Fi g ． 8 Th e v a r i at i on o f c o al t ot al d i s pl ac e me n t o n bo t h s i de s of b or e h ol e 分别是 1 2 ． 1 ， 1 8 ． 3 m m， 二者位移之 和为 3 2 ． 4 m m； 可见 其两侧水平 位移 量 远远 小 于顶 底部 位 移垂 直 位移 量 。 由此可知 ， 钻孔 变形失 稳过 程 中， 钻 孔 的形 状 由开始 的 准圆形逐 渐 变成 “ 类 橄 榄 球形 ”， 然 后钻 孔 “ 类 橄 榄 球 形 ” 断面逐渐减小至坍塌 。 2 ． 5钻孔 变形 失稳过 程 中周 围煤层 渗透 特性研 究 大量 的受载含 瓦斯煤岩体渗透 实验结果 可知 ， 煤岩 体 变形破 坏过程可 以分为 孔隙／ 裂 隙压密 阶段 、 弹性 变 形 阶段 、 屈服变形及峰值强度 阶段和残余 强度变形 阶段 4个阶段 ， 前 2个 阶段煤岩体体积 减小渗透率 降低 ， 后 2 个 阶段煤岩体体积增大渗透率增加 ， 渗透 率总体表现 出 一 种先降低后增加 的“ V ” 字 型的发展趋 势。因此 ， 可 以 2 ．0 2 5 E l 7 2 ．0 2 0 E l 7 2 ．01 5 E 一1 7 { 嚣2 ．0 1 0 E _ l 7 登2 ．0 0 5 E _ 1 7 2 ．0 0 0 E一1 7 1 ．9 9 5 El 7 1 ．9 9 0 E一1 7 十 距孔项 5 O mm 。 彝 距孔顶5 0 1 5 0m l n } 々一 距孔顶1 5 0 ～ 3 0 0 m i x ’ 5{ 一 距孔顶3 0 0 ,．．4 5 0 m ff ． 8 ． 、 5 o o 一 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 距钻孔的距离／ r a m a 步骤 1 5 0 o 一 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 距钻孔的距离／ n u n C 步骤 3 9 基于煤体体积应变来研究煤体变形过程 中的渗透特性 。 煤体孔隙率与有 效应 力 、 孔 隙应 力 等有关 ， 如果 仅 考虑有效应力导致 的煤体孔隙率变化 ， 则煤体孔 隙率可 表示为⋯ V 。一△ V b 0 1一 。 ‰一 0／ b 0一△ V b ／V b 0 ～ 1一△ V h ／V b 0 1 O 式 中 为 有效 应 力增 加 而 引起 的煤样 体 应 变增 量 ； 。 为煤层 初始孔 隙率 ； V n 为煤层 的孔隙体 积 ， 为 煤层体积 ， △ 为煤层的体积变化量 。 煤层渗透率大小 与煤 体体 积应 变 的关 系可 以通 过 Ko z e n yC a r ma n方程推导得 出 ， 通过 推导 可以得 到 ‘ ‘ 1 1 这里 以钻孔上部 煤体 为例研 究钻 孔失 稳过 程 中周 围煤体 渗透演化特性 ， 在钻孔上部煤体 内设置 5条 水平 监测线 ， 将其划分 4个 煤体 监测 区 ， 分 别监 测该 区 域 的 变形情况 ， 以计算该 区域 的渗透 率 ； 煤 体初 始孔 隙率 和 初始渗透率分别为 0 ． 0 4和 21 0 m ， 得到 钻孔 变形 失稳过程 中钻孔上部煤体渗透率分布规律如 图 9所示 。 从 图 9中可以看 出 ， 在 钻孔 变形 失稳 坍塌 过程 中， 由于钻 孔附近煤体 的变形 量不 断增加及 裂 隙 的不 断 贯 通 ， 使得周 围钻孔 附近煤体 渗透 率逐渐 增 大 ， 钻孔 周 围 2．0 2 5 E- l 7 2 ． 0 2 0 E一 1 7 2 ． 0 1 5 E一 1 7 嚣2 ．0 1 0 E _ 1 7 2 ． 0 0 5 E_ l 7 2 ． 0 0 0 E一 1 7 1 ． 9 9 5 E一 1 7 1 ． 9 9 0 E一 1 7 熏 癌 、 ， r 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 一l O 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 距钻孔的距离／ m m b 步骤 2 l 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 i 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 距钻孔的距离／ m m d 步骤 5 2 图 9钻孔周 围煤体渗透率分布 Fi g ． 9 Di s t r i but i on o f c o al [pe r me a bi l i t y a r o und t he bo r e ho l e 6 6 7 7 7 7 9 l 至 j m 堰 l 至 j L L Ⅲ／ 槲錾 f 7 7 7 l l l 一 一 一 E E E 6 4 2 Ⅱ ／ 得魁酶 1 5 8 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 1 3卷 煤体渗透率变化 量及 变化范 围不断 增加 ； s t e p l ， s t e p 2 1 ， s t e p 3 9 ， s t e p 5 2时 ， 钻孔上部煤 体渗透率 最大值分别 是初 值 的 1 ． 0 1 ， 1 ． 3 8， 3 ． 9 3 ， 5 ． 4 2倍 。 钻孔失稳前 后上 部煤 体渗 透率分 布均 大致 呈 “ V” 字型变化规律 ， 即钻孔 附近煤体 渗透 率变化 较 大 ， 钻孔 正上方煤体渗透率最大 ， 钻孔两侧煤体渗 透率随着距离 钻孔水平距 离的增加 呈先减 小后增 加然后 趋于稳 定 的 趋势 ， 在部分 区域煤体渗透率甚至减小 。这与文献[ 1 1 ] 根据建立 的考虑有效应力变化 、 瓦斯解 吸和煤基质收缩 效应 的煤层渗 透率