基于FLAC3D数值模拟确定合理封孔深度

基于FLAC3D数值模拟确定合理封孔深度

摘要：文章结合晋煤集团赵庄矿13074巷道的实际地质条件，采用数值模拟方法分析松动圈范围及最大应力区，以此确定该地点合理的封孔深度为7～9.5 m之间。

关键词：数值模拟；松动圈；封孔深度

封孔深度在很大程度上决定瓦斯抽采效果，目前国内合理封孔深度大多依靠分析巷帮煤体内的应力分布情况确定合理的封孔深度。这种方法确定合理封孔深度较为接近实际情况，为广大工程技术人员所认可。

《煤矿瓦斯抽采设计规范》对封孔深度的规定如下：孔口段围岩条件好、构造简单、孔口负压较低时，封孔长度不应低于3 m；孔口段围岩裂隙较发育、或孔口负压较高时，封孔长度不应低于5 m；在煤壁开孔的钻孔，封孔长度不应低于7 m。

合理封孔深度是指既保证封孔不漏气又可以做到封孔深度最短。确定瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的关键是确定巷道在开挖、钻进扰动下松动圈的范围及应力集中区的峰值点（如图所示）；在松动圈内，煤体被压酥，较松软破碎，裂隙充分发育，漏气通道增多；又由于煤体内应力的不断释放，煤体透气性和渗透率进一步增大，易造成钻孔漏气。而在塑性区范围内煤体应力增加，煤体被压实，极不易漏气，需确定塑性区的应力峰值点。所以合理封封孔深度就是要超过松动圈且在不超过峰值应力点的范围内。

1 煤岩体物理力学性能参数

13074巷沿3#煤层顶底板掘进，巷道所处煤层平均厚度为4.7 m，为近水平赋存，巷道断面尺寸为5.6×4.7 m，掘进断面积为27.3 m2。3#煤层顶底板岩层分布见表1。

2 数值模拟模型建立

三维模型尺寸长×宽×高=1 m×65.6 m×14.2 m，边界条件取为：水平边界采用铰支，底部采用固支，上部为上覆岩层荷载如图1所示。13074巷道对应煤层埋深取最大值670.5 m，自重应力为初始垂直应力，岩石容重可以取为25 kN/m3，得出垂直应力为16.75 MPa，垂直应力施加在模型的上部边界，现在选取侧压系数为1，计算可得水平应力为16.75 MPa，即双向等值。

3 数值模拟结果分析

本文通过模拟赵庄煤矿13074巷道开挖，得出巷道两帮围岩塑性区分布。后期使用Tecplot软件得出围岩水平应力分布、围岩垂直应力分布图，从而得出巷道两帮应力分布曲线

由上图数据可以得出以下几点：

①巷道两帮和顶、底板塑性区域分布规律，巷道掘进以后巷帮塑性区域为0～6.75 m。

②巷道在开挖以后破坏了原有的应力状态，围岩应力进行了重新分布。水平应力和垂直应力在巷道两帮、顶板和底板都出现了应力降低区域。

③从巷帮水平应力和垂直应力拟合以后的应力分布曲线可以精确得出0～7 m为应力降低区，7～22.45 m为应力升高区，在9.48 m处达到应力峰值。

4 结语

由数值模拟和巷道开挖后的应力重新分布理论可以得出合理的封孔深度应在7～9.5 m之间。

参考文献：

[1] 贾良伦.瓦斯抽放钻孔封孔长度的确定与实践[J].煤炭工程师，1998，（1）.

[2] 孙培源.顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用[J].西安矿业学院学报，1989，（1）.