瓦斯抽放钻孔破坏分析

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1、科】技l论}坛科瓦斯抽放钻孔破坏分析迟学海f黑龙江省煤矿设计院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：本文从瓦斯抽放过程中钻孔的塌孔卡钻现象出发，借助弹性力学的方法对卸荷的瓦斯抽放钻孔周边煤岩体的应力情况进行了理论计算，推导出了当测压系数=I／4时的沿钻孔周边方向的环向应力表达式，并绘制出了环向应力变化曲线。关键词：瓦斯抽放；测压系数；平面应变；卸荷1概述煤炭是中国的主要能源，占一次能源的袁1沿钻孔周边方向的环向应力70％以上，进入21世纪以来，随着中国经济的快速增长，煤炭需求量也快速增长，2001年至2008年中国煤炭产量由11．06亿t猛增到27．2第二组面力”、”所对

2、应的问题较为复亿t，平均每年增长了18．24％。中国煤炭工业在杂，可从其所受面力分析人手。在外边界上边界q保障中国经济快速增长的同时，也使煤炭的开条件为采条件不断恶化，突出表现在开采深度增加、瓦目f(口，，：6一i1(g—P)cos20斯压力和瓦斯含量增大、地质构造条件复杂，瓦；¨”-¨外边界J(r¨”)J，；÷(q一P)sin2斯灾害、特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重。瓦+P斯抽采是防范瓦斯事故的治本之策，必须努力内边界I(～=0实现抽采达标。通过瓦斯抽采，降低煤层中的瓦I(⋯=0斯含量，从根本上治理防范瓦斯灾害。我国目前由应力函数与应力分量关系得：钻孔抽放瓦斯是实现

3、瓦斯抽采和预防瓦斯突出1a1a万的重要手段，而塌L卡钻现象严重的制约着钻8。_∞(＼2)，孔抽放瓦斯技术的应用和发展。所以钻孑L周边a，1a、图I瓦斯抽放钻孔平面应变模型煤岩体破裂规律的研究是发展钻孔抽放瓦斯技r了【而一术亟待解决的问题。由观察和相容方程并求解得应力函数为：2理论分析孔壁破坏规律，十B，+c+罢)lc0s2(3)卸荷变形破坏现象在自然界中广泛存将(2)式和(3)式代人边界条件得(其中在。瓦斯抽放钻孑L的开挖实际上是煤岩体在某；≈。}：0一，一方面的应力得到释放，从而破坏了原有的力学平衡状态，使煤岩体产生新的变形，甚至破I}‘一(4)裂、破碎。在开挖过程

4、中，由于应力重分布导致JD÷(q—p)。‘围岩损伤破坏。目前我国的瓦斯抽放钻孑L长度将(3)式和(4)式代人(2)式得从几十米到近千米不等，塌孑L点一般在钻孔的14a23~a)cos”图2沿钻孔周边方向的环向应力变化曲线r深部，因此本文将瓦斯抽放钻孔简化为平面应(5)首先出现明显的卸压区域。在瓦斯涌出过程中一(g～，m)(1+萼)cos2变问题。伴随煤岩应力的重新分布和流变，上下两侧孔如图1所示，将瓦斯抽放钻孑L简化为平面=一(q-p)O+等一3a4)sin2壁首先被拉裂。由于上下两侧孔壁的破坏，钻孑L应变问题。由于平面为边界均受压力作用，所以根据叠加原理，将与两组面

5、力相对应的两已不完整，在钻孑L内左右两侧孔壁相对突出，而P和q为负数。在平面上取一与钻孑L同心半径为组解答(1)式和(5)式相加，即得到问题的解答：此时瓦斯的卸压开始影响左右两侧区域，使左b的大圆，b>>a。由圣维南原理可知，大圆上右两侧区域的相对突出的孔壁受剪切作用而破每一点应力分量由受二向均匀压缩的无孔板应=_+一o+Ⅷ是+多≥一一删鬈+等c喁zc6坏。破坏由上下两侧向左右两侧逐渐延伸，最后力场确定，即大圆边界上有=q，O'yP，=0。形成钻-fL：fL壁的整体破坏。。=一i10一^Hq2aa由应力坐标变换公式有：=一等)一"3结论l：8+日+gmOmsO其中言为

6、测压系数。由现场观测可知，本文从瓦斯抽放过程中钻孔的塌孔卡钻{：口+口一gmOcosO一般，且采深越大，此值越大；此值越大，拉现象出发，借助弹性力学的方法对卸荷的瓦斯应力区越明显。本文取，由公式(6)中第二抽放钻孔周边煤岩体的应力情况进行了理论计1=)o06十(o0s0一sin式得钻孑L周边环向应力如表1。表格1中由于q算，推导出了当测压系数=1／4时沿钻孔周边可得到用极坐标表示的形式代表压力，应是负值，所以一q代表拉力。方向的环向应力表达式，并根据此表达式绘制=i1tp+gJ十j1(口一p)c。s20，由公式(6)中第二式可得沿钻孔周边的环出了环向应力变化曲线，直观

7、的表达出钻孔周．一i1+十i1一口)c。s20向应力为：边环向应力沿孔壁的变化规律。，。=j1一q)sin2(口)～=(1+A)q一2(1一A)qCOS20(7)通过对理论计算所得结果的分析，说明了根据公式(7)绘制钻孔周边应力分布曲线由于应力集中现象的出现对钻孔周边煤岩体中原问题转化为如下新问题：在边界上，受如图2所示。瓦斯渗透率的影响，并根据钻孔周向应力沿孔有径向面力和切向面力分别为÷(P++÷国一p)cos20由图2可以看出：在钻孔左右两侧的受压壁的变化规律得出了瓦斯沿抽放钻孑L周边涌出和(，一q)sin20，而内边界无面力作用的圆环。区由于出