大直徑救援井動載荷作用下安全透巷距離數(shù)值模擬

李必智，郝世俊，劉明軍，張 強(qiáng)，白 剛，莫海濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國礦山開采地質(zhì)條件普遍復(fù)雜，隱蔽致災(zāi)因素較多，雖然開展了災(zāi)難事故影響因素的普查與治理工作，但鉆探過程中還會發(fā)生沖擊地壓[1-2]、礦井突水[3-5]、煤與瓦斯突出[6-7]等重大災(zāi)害事故，巷道遭到災(zāi)難性破壞，人員被困井下。大直徑救援井是煤礦井下突發(fā)事故時，為實(shí)現(xiàn)巷道被困人員安全、迅速撤離地面而采取的一項鉆孔工程。多數(shù)情況下，被困人員距離安全避難室較遠(yuǎn)，救援人員想要迅速到達(dá)事故區(qū)，需要清理巷道或者新掘通道等，輔助工程施工耗時較長，短時間內(nèi)難以形成救援通道。目前國內(nèi)煤礦事故仍主要采取以井下人工救援的方式，但存在耗時長、危險性高及成功率低等問題[8-12]。通過地面大直徑救援井進(jìn)行井下被困人員快速搶救成為最有效的方式。救援的關(guān)鍵是安全、迅速地提升井下被困人員到達(dá)地面，要求救援井井徑大[13]、優(yōu)快鉆進(jìn)[14]、精確中靶[15-16]，同時要控制巷道頂板的完整性[17-21]，以防止地層水、鉆井液涌入巷道，避免對井下人員造成二次傷害。為有效預(yù)防地層水和孔內(nèi)流體沿鉆孔突發(fā)涌入巷道，要求透巷前二開井底預(yù)留一定安全厚度的巖層為透巷提供保障，同時盡可能縮短安全透巷距離，增加技術(shù)套管下入深度，有效阻隔含水層及井壁不穩(wěn)定地層，保證救生艙在救援井下放、提升過程順利。目前國內(nèi)外利用地面大直徑鉆孔營救井下被困人員已取得成功，國內(nèi)學(xué)者針對礦山大直徑井成孔工藝與裝備進(jìn)行了大量的研究[22-23]，但對透巷鉆進(jìn)時動力擾動對頂板圍巖破壞及安全透巷距離等相關(guān)問題缺乏系統(tǒng)性研究?；诖?，筆者開展動載荷作用下深部巷道巖層頂板的變形與破裂機(jī)理研究，認(rèn)識動態(tài)擾動觸發(fā)深部巷道發(fā)生失穩(wěn)破裂的力學(xué)機(jī)制，以期優(yōu)化三開施工時安全透巷距離。經(jīng)工程實(shí)鉆數(shù)據(jù)驗證安全透巷距離的可靠性。

1 地層概況及井身結(jié)構(gòu)

山西坪上煤礦3號避難硐室地面救援井鉆遇地層依次為第四系，巖性為黏性土，底部含砂卵石層；二疊系上石盒子組，主要為灰白、淺綠色砂巖，雜色斑塊泥巖、砂質(zhì)泥巖等；二疊系下石盒子組，主要為灰白、淺灰色砂巖，灰色、淺灰色泥巖；二疊系山西組，主要為灰黑色砂、泥巖互層，為主要含煤地層，3號煤厚5.04～7.16 m，平均6.11 m，煤層傾角平均3°，平均埋深295 m；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度13 m，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理不發(fā)育。為了能夠安全順利、快速升降救生艙，根據(jù)救生艙的規(guī)格尺寸要求，救援井終孔直徑不小于580 mm，綜合考慮覆巖層結(jié)構(gòu)、煤層埋深及厚度、含水性等因素，救援井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 模型建立及邊界條件

圖1 救援井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the rescue well

為了解決工程施工中超復(fù)雜接觸及高度非線性問題，基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行巖土力學(xué)分析，選取地層的地質(zhì)資料及井下巷道的巖石力學(xué)參數(shù)，建立地質(zhì)力學(xué)模型，依據(jù)鉆井地質(zhì)力學(xué)理論，通常埋藏于地層深處的巖石在地應(yīng)力條件下，受到水平最大主應(yīng)力σH、水平最小主應(yīng)力σh及垂向上覆巖層壓力σV。模型取透巷頂部巖層埋深295 m，數(shù)值模擬時垂向應(yīng)力按照巖層埋深加載，水平應(yīng)力分別為12、10 MPa，地層傾角假設(shè)為α，地層模型長度取100 m、寬度100 m，由上及下為覆巖層、基本頂、直接頂、煤層、底板-1、底板-2。其中采用拱形巷道模擬避難硐室，尺寸為巷寬5 m，巷高3 m，頂板透巷鉆孔孔徑按照工程設(shè)計取值為580 mm?？紤]地層為無限大地應(yīng)力場，為避免邊界條件處應(yīng)力干擾現(xiàn)象，模型邊界左右節(jié)點(diǎn)水平方向位移采取對稱約束自由度；底邊節(jié)點(diǎn)水平及垂直兩個方向約束位移自由度，模型整體沿重力方向施加體力。針對不同巖層考慮地層傾角α的影響，透巷過程中對頂板圍巖的擾動除考慮地應(yīng)力外，主要影響因素有孔內(nèi)鉆井液柱的壓力、鉆柱旋轉(zhuǎn)撓曲產(chǎn)生碰撞井壁的徑向作用力、錘頭沖擊井底破巖的鉆壓及沖擊頻率。其中，井內(nèi)液柱壓力隨井深增加而變化，鉆柱旋轉(zhuǎn)碰撞井壁可等效為梯形應(yīng)力波加載方式，在巷道頂部及側(cè)幫布置合理的數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)。由于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則能夠較好地反映巖石材料在力場作用下變形及破壞的特征，所以在模型中采用的材料力學(xué)本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，其屈服函數(shù)F表達(dá)式見式(1)，巖石力學(xué)屬性見表1，地層模型剖面及分層如圖2所示。

式中：φ為材料的內(nèi)摩擦角，0°≤φ≤90°；c為材料黏聚力，kPa；θ為極偏角，(°)；q為切向應(yīng)力，Pa；p為法向應(yīng)力，Pa。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

圖2 工程模型剖面Fig.2 Section of the engineering model

3 鉆進(jìn)軸向沖擊壓力對圍巖影響

埋藏于深部的巖體受構(gòu)造應(yīng)力的影響，巖體內(nèi)部蓄積了大量的彈性應(yīng)變能，在軸向動力擾動下這些能量以非常猛烈的方式釋放，從而導(dǎo)致巖體內(nèi)部構(gòu)造的變化，動力擾動以應(yīng)力波的形式存在，鉆進(jìn)中造成巷道頂板圍巖剝落及垮塌，帶來工程施工隱患。采用空氣潛孔錘透巷鉆進(jìn)，鉆頭施加軸向力作用于井底產(chǎn)生沖擊載荷，軸向沖擊波形如圖3a所示。

圖3b軸向應(yīng)力云圖表明，應(yīng)力集中發(fā)生在巷道頂板及側(cè)幫，同時井壁伴隨發(fā)生應(yīng)力集中區(qū)。圖3c軸向位移云圖表明，巷道斷面周圍出現(xiàn)的塑性應(yīng)變值最大，隨軸向壓力以沖擊波形式由2 MPa增加到10 MPa，應(yīng)力由頂板遠(yuǎn)端向巷道傳遞，應(yīng)變逐漸增大。通過圖4曲線分析，鉆進(jìn)至距離巷道中心20 m時，頂板應(yīng)力增加到最大值，頂板位移出現(xiàn)明顯的增加趨勢。繼續(xù)鉆進(jìn)至距離巷道中心位置為16.53 m時，應(yīng)力由7.90 MPa突然下降，表明井壁開始失穩(wěn)，最大塑性應(yīng)變值為0.02 m，隨后頂板位移線性增加直至巖層破壞。綜上，巷道塑性區(qū)范圍隨著軸向壓力的增加，頂板塑性應(yīng)變增大，直至發(fā)生剪切破壞，但存在臨界安全值，兩側(cè)圍巖塑性應(yīng)變逐漸增加，直至發(fā)生拉伸破壞。

圖3 軸向應(yīng)力波載荷作用下頂板應(yīng)力位移云圖Fig.3 Stress displacement nephogram of rock roof under axial stress wave load

圖4 軸向動載荷作用應(yīng)力位移曲線Fig.4 Stress displacement curve under axial dynamic load

4 鉆柱旋轉(zhuǎn)徑向壓力對圍巖影響

透巷復(fù)合鉆進(jìn)過程中，井內(nèi)鉆柱繞軸向以一定角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，井底巖石受軸向鉆頭沖擊，井壁圍巖受徑向鉆柱碰撞及井內(nèi)鉆井液柱壓力作用影響，一定程度上對圍巖產(chǎn)生動力擾動，易發(fā)生井壁圍巖掉塊及井眼坍塌事故。而旋轉(zhuǎn)引起的井壁圍巖擾動包含鉆柱與井壁切向碰撞接觸、鉆井液流體液柱壓力作用，其中，主要影響因素為鉆柱與井壁徑向沖擊力作用，且該沖擊力可等效為沿井壁徑向施加的應(yīng)力波載荷，應(yīng)力波曲線如圖5a所示。

由圖5b可知，鉆柱旋轉(zhuǎn)徑向載荷作用下，巷道頂板以上應(yīng)力集中在井壁，且應(yīng)力大小由0.53 MPa壓應(yīng)力向9.42 MPa的拉應(yīng)力過渡。造成井壁圍巖產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，初始對巷道頂板影響較小，隨鉆進(jìn)深度增加，井壁圍巖局部出現(xiàn)塑性應(yīng)變，且應(yīng)力集中由井壁觸發(fā)點(diǎn)向圍巖周圍傳播，造成近井壁圍巖加速塑性變化，巷道頂板圍巖擾動逐漸增強(qiáng)直至發(fā)生頂板塑性剪切破壞，圖5c表明，井壁位移沿地層上傾一側(cè)受到拉應(yīng)力，反之沿地層下傾側(cè)受到壓應(yīng)力，且井壁兩側(cè)塑性位移大小以0.03 m對稱分布，方向以井眼為中心相反。圖6表明井壁徑向應(yīng)力作用下頂板圍巖受應(yīng)力波作用擾動幅度較大，隨透巷井深增加，鉆進(jìn)至距煤層頂板18 m時頂板位移發(fā)生遞增，應(yīng)力由6.79 MPa突然下降，位移為0.01 m，鉆孔井壁圍巖受徑向沖擊載荷發(fā)生剝落破壞，巷道頂板出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖5 徑向載荷作用下頂板應(yīng)力位移云圖Fig.5 Stress displacement nephogram of rock roof under radial load

5 安全透巷距離優(yōu)化

圖6 井壁徑向節(jié)點(diǎn)位移曲線Fig.6 Radial node displacement curve of well wall

依據(jù)礦區(qū)勘探資料、頂板巖石力學(xué)參數(shù)等，在保證上部地層安全鉆進(jìn)、套管有效封堵地層、無鉆井液潰入巷道的前提下，透巷段距離最小化。實(shí)踐表明透巷井段距離越短，透巷速度越快，可減少地層涌水、井壁坍塌、井徑縮徑等復(fù)雜情況，保障救生艙快速通過透巷通道。在救援井施工過程中，井底預(yù)留一定厚度的巖層，防止上覆巖層出水進(jìn)入巷道，以保障套管下入后固井過程中井底的安全，同時避免透巷結(jié)束井內(nèi)大量的巖屑涌入巷道，為井下救援預(yù)留更大的作業(yè)空間。

基于上述物理模型，取地層傾角3°為特征地層，模擬計算透巷鉆進(jìn)過程中頂板安全厚度最優(yōu)解。分別對3種不同工況條件下應(yīng)力位移做了計算分析(表2)：井孔軸向加載應(yīng)力波載荷作用，井孔徑向加載應(yīng)力波載荷作用，井孔同時加載軸向及徑向應(yīng)力波載荷作用。

結(jié)果表明：動載荷作用對煤層頂板圍巖有影響，圖7表明軸向動載荷比徑向動載荷對圍巖的影響更大，2種載荷同時作用時，影響情況介于二者之間。隨著鉆進(jìn)深度的增加，巷道頂界與鉆孔底部范圍內(nèi)的巖層厚度逐漸減小，可取應(yīng)力突降及位移突增點(diǎn)為臨界安全厚度，鉆孔受軸向載荷作用時，安全距離為16.53 m，應(yīng)力為7.90 MPa，位移0.02 m；鉆孔受徑向載荷作用時，安全距離為15.47 m，應(yīng)力為6.79 MPa，位移為0.01 m；鉆孔同時加載軸向及徑向載荷，安全距離為15.03 m，位移為0.01 m，應(yīng)力為7.32 MPa。類比取臨界安全值下線，即16.53 m為安全透巷距離。

表2 模擬數(shù)據(jù)結(jié)果Table 2 Results of the simulation data

圖7 軸向及徑向不同載荷作用應(yīng)力與位移曲線Fig.7 Stress and displacement curves under different axial and radial loads

綜上，地應(yīng)力波具有沿強(qiáng)弱膠結(jié)地層方向的釋放，一定程度上緩解了巷道圍巖塑性應(yīng)變的趨勢，減少了頂板安全透巷距離，但同時易發(fā)生井眼塑性應(yīng)變。在外力的影響下實(shí)際工況復(fù)雜，包括巷道頂板地層構(gòu)造是否存在裂隙及裂隙的發(fā)育情況、地層的塌陷及構(gòu)造斷層、地層巖性的均質(zhì)性，模擬地層傾角與實(shí)際的不確定性(文中以地層傾角3°建立模型)，沖擊鉆壓大小的波動等，可根據(jù)地層實(shí)際情況適當(dāng)增加安全透巷距離。

6 工程應(yīng)用結(jié)果分析

山西省沁水縣坪上煤礦3號避難硐室地面救援井施工透巷井段，選用工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，實(shí)際透巷距離段長為20 m，透巷過程中采用氣舉返循環(huán)鉆井工藝，潰入巷道泥漿量約2.4 m3，達(dá)到了預(yù)期的施工目的；采用數(shù)值模擬結(jié)果16.53 m為安全透巷距離，與現(xiàn)場實(shí)際施工數(shù)據(jù)基本吻合(表3)，驗證了模擬數(shù)據(jù)的可靠性，同時通過力學(xué)參數(shù)的選取可優(yōu)化安全透巷距離，為后續(xù)工程施工提供擬選參數(shù)指導(dǎo)。

表3 模擬數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of simulation data

7 結(jié)論

a.地面大直徑救援鉆井動力擾動破壞了地層原有應(yīng)力平衡，引起地層應(yīng)力重新分布，造成圍巖產(chǎn)生移動變形及塑性破壞，且以鉆孔中心呈鋸齒形對稱分布，其中軸向動載荷為主要影響因素。

b.徑向動載荷作用對井壁圍巖影響較大，對透巷頂板圍巖影響較小，主要表現(xiàn)為軸向沖擊載荷的影響，且應(yīng)力集中由井壁觸發(fā)點(diǎn)向圍巖傳播，造成近井壁圍巖加速塑性變化，巷道頂板圍巖擾動逐漸增強(qiáng)直至發(fā)生頂板塑性破壞。

c.以山西省沁水縣坪上煤礦3號避難硐室地面救援井為例，數(shù)值模擬結(jié)果分析，工程安全透巷距離參考值可取16.53 m，其他情況可適當(dāng)增加透巷頂板厚度。

d.采用ABAQUS數(shù)值模擬鉆井動力擾動條件下的安全透巷距離，可優(yōu)化地面大直徑救援井施工工藝，該技術(shù)可以縮短施工周期、節(jié)約成本，可推廣應(yīng)用到其他大直徑井的施工中。