基于FLAC3D 的鉆孔擴(kuò)孔前后應(yīng)力分布特征研究

崔衛(wèi)峰

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

鉆孔成孔技術(shù)作為保障煤礦瓦斯治理的重要手段之一，對(duì)于井下安全生產(chǎn)、保障人員生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要意義。對(duì)于井下鉆孔成孔前后鉆孔的應(yīng)力分布情況，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成效。吳小娃[1]對(duì)水力割縫前后鉆孔周邊的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究，認(rèn)為水力割縫破壞了鉆孔周邊煤體的應(yīng)力分布狀態(tài)，加大了鉆孔周邊裂隙的二次發(fā)育，提高了瓦斯抽采效果；鄭春山[2]等開展了順層鉆孔施工前后，鉆孔周邊的應(yīng)力和位移變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔周圍煤體依次經(jīng)歷原始應(yīng)力、應(yīng)力升高直至峰值、應(yīng)力下降、殘余應(yīng)力4 個(gè)階段；韓磊[3]等對(duì)工作面護(hù)巷煤柱采動(dòng)應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分別建立了基于摩爾- 庫(kù)倫（MC） 本構(gòu)模型以及應(yīng)變軟化（SS） 本構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算模型，精細(xì)研究了綜放工作面煤柱采動(dòng)應(yīng)力空間分布及演化規(guī)律；韋瑞敏[4]認(rèn)為決定鉆孔變形的因素是鉆孔所受的應(yīng)力和強(qiáng)度，當(dāng)煤層強(qiáng)度一定時(shí)，鉆孔的變形只與所受的應(yīng)力有關(guān)。前人對(duì)鉆孔施工前后的應(yīng)力分布進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于鉆孔擴(kuò)孔前后鉆孔周邊應(yīng)力二次分布和有效卸壓范圍研究較少。本文以新景礦井下鉆孔為研究對(duì)象，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，模擬未擴(kuò)孔及擴(kuò)孔后順層鉆孔及穿層鉆孔周邊的應(yīng)力變化情況，分析造穴前后鉆孔周邊的應(yīng)力二次分布和有效卸壓范圍。新景礦15124 低位巷、15124 回風(fēng)巷鉆孔造穴施工后，對(duì)鉆孔擴(kuò)孔前后的應(yīng)力分布情況進(jìn)行考察，在此基礎(chǔ)上，得到鉆孔有效卸壓范圍，為現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采提供幫助。

1 地質(zhì)概況

此次數(shù)值模擬考察煤層為新景集團(tuán)的15 號(hào)煤層，15 號(hào)煤層主要位于太原組下段，K2 石灰?guī)r之下。在井田西南部，15 號(hào)煤層夾矸層增厚出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，分為15 號(hào)煤層和15 號(hào)下煤層。15 號(hào)下煤層屬較穩(wěn)定大部可采煤層，除個(gè)別點(diǎn)尖滅外，與15 號(hào)煤層合并為一層，厚度0.60～3.85 m，平均2.04 m；15 號(hào)煤層（包括合并層） 為全井田穩(wěn)定可采煤層，厚度3.80～8.85 m，平均6.29 m。煤層直接頂?shù)装鍨榛液谏鄮r，孔隙率小，具有良好的封閉能力，煤層頂?shù)装逯旅芡暾咚挂萆l件差，有利于瓦斯的賦存。

2 數(shù)值模型建立

2.1 鉆孔力學(xué)模型劃分

在運(yùn)用FLAC3D 建立數(shù)值模型過(guò)程中，假設(shè)煤體為各向同性均質(zhì)且符合摩爾- 庫(kù)侖彈塑性模型的介質(zhì)，以煤層鉆孔段為研究對(duì)象，且計(jì)算時(shí)不考慮與時(shí)間有關(guān)的物理量。在此基礎(chǔ)上，建立尺寸為10 m×10 m×5 m 的煤體模型，模型X 軸正負(fù)方向、Y 軸正負(fù)方向、Z 軸負(fù)方向邊界變形設(shè)置為0，即設(shè)定為固定邊界，Z 軸正方向設(shè)置為自由邊界。因?yàn)樵趯?shí)際工況中的煤巖層是處于重力環(huán)境中的，因此取Z 軸負(fù)方向的重力加速度g為10 m/s2。根據(jù)新景礦15 號(hào)煤層實(shí)際情況，模型上部施加沿Z軸負(fù)方向的載荷P0=17.5 MPa；在模型左右兩側(cè)施加側(cè)壓系數(shù)1.2 的壓力，即P1=21 MPa 的側(cè)向壓力用來(lái)模擬模型周圍煤體的側(cè)應(yīng)力。模擬鉆孔直徑為100 mm 擴(kuò)大到500 mm 時(shí)鉆孔周圍應(yīng)力分布和卸壓破壞的范圍，分別以順層鉆孔和穿層鉆孔的模式進(jìn)行開挖，兩種模式的力學(xué)模型如圖1 所示，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖1 鉆孔力學(xué)模型Fig.1 Borehole mechanics model

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model meshing

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

一般來(lái)說(shuō)大多數(shù)巖層都可視為彈塑性介質(zhì)，在一定應(yīng)力水平下表現(xiàn)為線彈性，超過(guò)此限即表現(xiàn)為塑性。對(duì)于巖石一類的材料，在塑性變形時(shí)具有明顯的體積變形，因而必須考慮到體積應(yīng)力的影響，故計(jì)算中煤層采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用莫爾- 庫(kù)侖準(zhǔn)則。計(jì)算莫爾- 庫(kù)侖塑性模型所涉及的巖石力學(xué)參數(shù)包括密度、體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等，新景礦15 號(hào)煤層建模煤層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型材料物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of model materials

3 鉆孔擴(kuò)孔前后數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)模型分步連續(xù)開挖，在開挖鉆孔之前煤巖層初始應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 初始地應(yīng)力分布云圖Fig.3 Distribution cloud of initial geostress

3.2 順層鉆孔模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬順層鉆孔擴(kuò)孔過(guò)程，得到鉆孔直徑為100 mm 和擴(kuò)孔到500 mm 的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

從圖4 可知，垂直應(yīng)力分布云圖呈現(xiàn)蝶形對(duì)稱分布，應(yīng)力分布區(qū)域可分為兩類，即應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力降低區(qū)域。由于鉆孔開挖以后，鉆孔周圍卸壓，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域，而由于上覆煤巖體產(chǎn)生的地應(yīng)力集中在鉆孔水平兩側(cè)，造成鉆孔水平兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。在鉆孔直徑為100 mm 時(shí)，應(yīng)力卸壓影響范圍較小，應(yīng)力集中區(qū)域距離鉆孔兩側(cè)較近；當(dāng)擴(kuò)孔直徑達(dá)到500 mm 時(shí)，應(yīng)力卸壓區(qū)域明顯擴(kuò)大，應(yīng)力集中區(qū)域向兩側(cè)移動(dòng)。

為了更加直觀的體現(xiàn)順層鉆孔兩側(cè)的應(yīng)力分布，通過(guò)FLAC3D 模型中內(nèi)置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)命令，因?yàn)閼?yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)稱分布，因此調(diào)取了在鉆孔圓心左側(cè)水平線和圓心垂直線上半部的測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制了鉆孔左側(cè)垂直應(yīng)力分布曲線和鉆孔上部的垂直應(yīng)力曲線，如圖5 所示。

圖5 順層鉆孔左側(cè)煤體垂直應(yīng)力曲線Fig.5 Vertical stress curve of coal body on the left side of bedding borehole

由圖5（a） 可知，由于鉆孔周圍煤體原有應(yīng)力平衡被打破，煤體原有結(jié)構(gòu)受到破壞，且鉆孔左右兩側(cè)存在側(cè)應(yīng)力，因此在鉆孔左右兩側(cè)出現(xiàn)一定區(qū)域的應(yīng)力降低區(qū)域，而由于存在地應(yīng)力作用，應(yīng)力集中區(qū)域作用在應(yīng)力降低區(qū)域外側(cè)。從圖中數(shù)據(jù)分析可知，在鉆孔直徑為100 mm 時(shí)，應(yīng)力卸壓區(qū)域出現(xiàn)在距離圓心左側(cè)0.15 m 內(nèi)，應(yīng)力最大集中點(diǎn)在距離鉆孔圓心左側(cè)0.15 m 處，在鉆孔圓心左側(cè)0.15～3.8 m 的煤體，由于受地應(yīng)力影響，應(yīng)力出現(xiàn)逐步升高狀態(tài)，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.36。當(dāng)鉆孔擴(kuò)大直徑到500 mm 時(shí)，鉆孔中心左側(cè)卸壓范圍增大到1.2 m，應(yīng)力集中點(diǎn)也增大到鉆孔中心左側(cè)的1.2 m 處，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.48。因此，鉆孔擴(kuò)孔后，卸壓范圍增大2.4 倍，應(yīng)力集中系數(shù)增大1.08 倍。

由圖5（b） 可知，在鉆孔垂直方向上，鉆孔頂部出現(xiàn)卸壓狀態(tài)，當(dāng)鉆孔直徑為100 mm 時(shí)，最小垂直應(yīng)力為7.52 MPa，最大卸壓范圍為0.8 m；當(dāng)鉆孔擴(kuò)孔直徑為500 mm 時(shí)，最小垂直應(yīng)力為0.4 MPa，最大卸壓范圍為2.4 m，相比較于未擴(kuò)孔之前的煤體應(yīng)力，卸壓范圍增加3 倍，鉆孔上部局部區(qū)域完全卸壓。

水平應(yīng)力卸壓說(shuō)明鉆孔周圍煤體裂隙發(fā)育，利于瓦斯抽采，因此，調(diào)取了模型的水平應(yīng)力俯視剖面圖，如圖6 所示。根據(jù)圖6 可看出，鉆孔周圍煤體應(yīng)力隨著鉆孔開挖，鉆孔左右兩側(cè)開始卸壓，在鉆孔擴(kuò)孔之后，鉆孔周圍煤體卸壓范圍明顯增大。為了更加清晰的顯示鉆孔周圍煤體卸壓范圍，調(diào)取了水平方向鉆孔左側(cè)部分的水平應(yīng)力數(shù)據(jù)，并繪制了圖7。

圖6 順層鉆孔周圍煤體水平應(yīng)力俯視剖面圖Fig.6 Horizontal stress overlooking profile of coal around bedding borehole

圖7 順層鉆孔左側(cè)煤體水平應(yīng)力曲線Fig.7 Horizontal stress curve of coal body on the left side of bedding borehole

根據(jù)圖7 可知，在水平方向鉆孔直徑為100 mm 時(shí)的卸壓范圍為4.2～5 m，卸壓半徑為0.8 m；通過(guò)擴(kuò)孔直徑為500 mm 后，卸壓范圍增加到1～5 m，卸壓半徑為4 m。在鉆孔直徑擴(kuò)大后，卸壓范圍增大了80%，水平方向卸壓范圍增大，鉆孔周圍裂隙發(fā)育，提升了瓦斯抽采能力。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，在鉆孔擴(kuò)孔之后，根據(jù)鉆孔左側(cè)煤體的垂直應(yīng)力分布數(shù)據(jù)顯示，水平方向上卸壓范圍增大2.4 倍，垂直方向上卸壓范圍增大3倍；在鉆孔左側(cè)水平應(yīng)力分布顯示，擴(kuò)孔之后，卸壓半徑從0.8 m 增加到4 m，卸壓半徑增大5 倍。說(shuō)明擴(kuò)孔之后，鉆孔周圍煤體卸壓良好，通過(guò)對(duì)鉆孔負(fù)壓瓦斯抽采，使得瓦斯在鉆孔附近的被破壞煤體區(qū)域產(chǎn)生的裂隙中更好的流動(dòng)，提高了瓦斯抽采率。

3.3 穿層鉆孔模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬穿層鉆孔擴(kuò)孔過(guò)程，得到鉆孔直徑為100 mm 和擴(kuò)孔到500 mm 的應(yīng)力剖面分布云圖，如圖8 所示。穿層鉆孔開挖后，在孔壁周圍形成卸壓區(qū)域，且卸壓區(qū)域呈現(xiàn)對(duì)稱分布，為了更加直觀的表現(xiàn)卸壓范圍，在模型中部設(shè)置了1 條水平測(cè)線，用于監(jiān)測(cè)水平應(yīng)力，由于應(yīng)力基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，因此水平測(cè)線只調(diào)取了鉆孔左半部分的應(yīng)力數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)繪制了圖9 的應(yīng)力分布曲線。

圖8 穿層鉆孔煤體水平應(yīng)力分布剖面云圖Fig.8 Horizontal stress distribution profile of coal body in cross-layer borehole

圖9 穿層鉆孔左側(cè)煤體水平應(yīng)力曲線Fig.9 Horizontal stress curve of coal body on the left side of cross-layer drilling hole

由圖9 可知，煤層穿層鉆孔開挖后，鉆孔周圍煤體原有應(yīng)力平衡被打破，煤體結(jié)構(gòu)受到破壞，鉆孔周圍煤體逐漸卸壓，隨著鉆孔直徑的擴(kuò)大，鉆孔周圍煤體的卸壓范圍也在不斷增大。當(dāng)鉆孔直徑為100 mm 時(shí)，鉆孔中心左側(cè)0.6 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)卸壓狀態(tài)，最小水平壓力為3.33 MPa，相對(duì)于原巖水平應(yīng)力，應(yīng)力系數(shù)為0.16；當(dāng)鉆孔直徑擴(kuò)大到500 mm 時(shí)，鉆孔周圍煤體卸壓范圍擴(kuò)大到距離鉆孔中心左側(cè)3.8 m 處，最小水平應(yīng)力為0.64 MPa，相對(duì)于原巖水平應(yīng)力，應(yīng)力系數(shù)為0.03。在鉆孔直徑擴(kuò)大后，鉆孔周圍卸壓范圍由0.6 m 擴(kuò)大到3.8 m，增大了6.3 倍，最小水平應(yīng)力由3.33 MPa 降低到0.64 MPa，降低了80%。

綜上所述，穿層鉆孔擴(kuò)孔后，卸壓范圍增大，卸壓狀態(tài)好，鉆孔周圍煤體受到破壞，在卸壓過(guò)程中產(chǎn)生大量裂隙，使得瓦斯流動(dòng)通道被打開，提升了瓦斯抽采效果，增大了瓦斯抽采影響范圍。

4 結(jié)語(yǔ)

以新景礦井下鉆孔為研究對(duì)象，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)煤層順層鉆孔和穿層鉆孔擴(kuò)孔過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在順層鉆孔擴(kuò)孔施工后，在鉆孔左側(cè)卸壓范圍相對(duì)較小，鉆孔上部卸壓范圍較大，擴(kuò)孔后卸壓范圍幾乎可以擴(kuò)展到煤層頂板；在鉆孔左側(cè)，擴(kuò)大鉆孔孔徑之后，卸壓半徑為2.8 m，裂隙更為發(fā)育，可有效提升鉆孔瓦斯抽采效率；穿層鉆孔擴(kuò)孔施工后，鉆孔周圍煤體卸壓半徑為3.8 m，說(shuō)明鉆孔周圍煤體裂隙發(fā)育，擴(kuò)孔之后有效的提升了鉆孔瓦斯抽采效果。