瓦斯抽放钻孔破坏分析

在。 瓦斯抽放 钻孑 的开挖实 际上是 煤岩体在某 Ｌ 方 面的应力得到释放 ， 而破坏 了原 有的力 从 学 平衡状态 ， 使煤 岩体产 生新 的变形 ， 至破 甚 裂、 破碎。在开挖 过程 中， 由于应力重 分布导致 围岩损 伤破 坏。目前 我国的瓦斯抽放 钻孑 长度 Ｌ 从几 十米到近千米不等 ， Ｌ 塌孑 点一般在钻 孔的 深部 ， 因此本文将瓦斯抽放钻 孔简化为平 面应
根据公式 （ ） ７ 绘制钻孔 周边应力分布 曲线 原问题转化为如下新 问题 ：在边界 上 ， 受 如 图 ２所 示 。 由图 ２ 以看 出： 可 在钻孔 左右两侧 的受压 有径向面力和切向面力分别为÷ ＋ ÷ 一）ｓ （ ＋国 ｐｃ２ Ｐ ｏ０ 和 （ 一ｑｓ ， 内边界无面力作用的圆环。 区由于 出现应力集中现象使得钻孔周边压力 升 ， ） ｎ ０而 ｉ２ 将外载荷分为如下两组 ： 高明显 ， 会导致煤岩体较 大程度 的流变 ， 使得煤 （ ） 一 ＋ ） ’ １ ｇ， ＝０； 岩孔隙被压 实 ， 瓦斯渗透率降低 ； 而在钻孔 的上 析 ， 明了瓦斯抽放钻孔周边煤 岩体的破坏是 说 使得煤岩孑 隙扩张贯通 ， Ｌ 瓦 由上下两侧孔壁首先被拉裂然后导致破 坏向左 （）： ｐ ｓ，一Ｐ 面 一 ｐ∞ 下两侧出现受拉区 ， ２ － ） ２‘ — ∞｛ Ｉ 。 一 ｍ０ 。（ ） 第一组 面力 ’ ’ 、 所对 应的问题是 圆环 斯渗透率增 大 ， 以在钻孔形成初期 ， 所 瓦斯主要 右两侧孔壁逐渐延伸的发展过程。 外 边 界 受 均匀 压 力的 问 题 问 题 的解 答 为 该 从上下两侧 涌出 ，煤岩体在钻孔上下两侧附近
１ 述 概
煤 炭是 中国的主要 能源 ，占一次能 源 的 ７ ％以上 ， ０ 进入 ２ １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 ，０ １年至 ２０ ２０ ０ ８年 中国煤炭产量 由 １ ． １ ６亿 ｔ ０ 猛增到 ２ ． ７２ 第二组面力 ” ” 对应的问题较 为复 、 所 亿ｔ ， 平均每年增长了 １． ％。 ８ ４ 中国煤炭工业在 杂 ， ２ 可从其所受面力分析人 手。 在外边界上边界 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 ｆ ，： ｉ —）ｓ （ ，一 （ Ｐ ｏ０ 口 ６ １ ｃ２ ｇ 斯压力和瓦斯含量增 大、 地质构造条件复杂 ，¨ ” － 外 边 界 瓦 ¨ Ｊｒ ¨ ； （ ” ） Ｊ ， ÷（ （ 一Ｐ ｎ２ ｑ一 ）ｉ ｓ 斯灾害 、 特别是煤 与瓦斯突 出灾害 日趋严重。 瓦 ＋ 斯抽采是防范瓦斯事故 的治本之策 ，必 须努力 内边界Ｉ ～ ＝０ （ Ｉ （ … ＝０ 实现抽采达标 。 过瓦斯抽采 ， 通 降低煤层中的瓦 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 ： １ ａ １ ａ 钻孔抽放瓦斯是实现瓦斯抽采和预防瓦斯 突出 万 的重要 手段 ，而塌 卡钻现象严重 的制约着钻 Ｌ ８ ∞ ＿ ＼ （ ２ ， ） 孔抽放瓦斯技术 的应用和发展。所 以钻孑 周边 Ｌ ａ ，１ ａ 、 了 【 而 一 煤岩体破裂规律的研究是发展钻孔抽放瓦斯技 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 ：
伴 随煤岩应力 的重新分布和流变 ，上 下两侧孔 壁首先被拉 裂。 由于上下两侧孔壁 的破坏 ， Ｌ 钻孑 已不完整 ， 在钻孑 内左右两侧孔壁相对突出 ， Ｌ 而 此时瓦斯 的卸压开始影响左右两侧区域 ，使左 右两侧 区域 的相对突出的孔壁受剪切作用 而破 坏。 破坏由上 下两侧 向左右两侧逐渐延伸 ， 最后 形成钻－ ： 壁 的整体破坏。 ｆｆ ＬＬ ３ 结 论 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 ＝ ／ 时沿钻孔周边 １ ４ 方 向的环 向应力表达式 ，并根据此表达式绘制 出 了环向应力变化曲线 ，直观 的表达出钻孔周 边环 向应力沿孔壁的变化规律 。 通过对理论计算所得结果 的分 析 ， 说明了 由于应力集中现象 的出现对钻孔周边煤岩体中 瓦斯渗透率的影 响 ， 并根据钻孔周向应力沿孔 壁的变化规 律得 出了瓦斯沿抽放钻孑 周边涌出 Ｌ 的发展规律。 最后 ， 通过对 钻孔周 向应力沿孔壁 的变化规律 和瓦斯涌 出时导致的卸压作用的分
应力 区越 明显 。本文取 ， 由公式（ ） ６ 中第二 式得钻孑 周边环 向应力如表 １ 表格 １中由于ｑ Ｌ 。 代表压力 ， 应是负值 ， 以一 代表拉力。 所 ｑ 由公式 （ ） ６ 中第二式 可得沿钻孔周边 的环 向应 力 为 ：
（口～ ＝ （＋ Ａｑ一２１ ） Ｃ Ｓ ０ （ ） １ ） （一Ａ ｑ Ｏ ２ ７）
如图 １ 所示 ， 将瓦斯抽放钻孑 简化 为平 面 Ｌ （ ｐ＋ ） ｑ ） 等一 ４ｎ － Ｏ ３ ｓ ａｉ ２ 应变问题。 由于平 面为边界均受压力作用 ， 以 所 根据叠加原理 ， 将与两组 面力 相对应 的两 １ 式和（ ） ５ 式相加 ， 即得到 问题 的解答 ： Ｐ 为负数 。 和ｑ 在平面上取一与钻孑 同心半径为 组解答（ ） Ｌ ｂ的大圆 ， ＞＞ａ。由圣维南原理可知 ， ｂ 大圆上 每一点应力分量 由受二向均匀压缩 的无孔板应 力场确定 ， 即大 圆边界上有 ＝ｑ Ｏ Ｐ ＝ 。 ，＇ ， ０ ｙ ＝一ｉ １ Ｈｑ ２ ０一＾ ａ ａ
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将（ ） ３ 式和（ ） ４ 式代人（ ） ２式得
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图 ２ 沿钻 孔 周 边 方 向 的 环 向 应 力 变化 曲线 （ ） 首先出现明显的卸压 区域 。在瓦斯涌出过程 中 ５
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瓦斯 抽 放钻 孔破 坏分析
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ｆ 龙 江 省煤 矿 设 计 院 ， 黑 黑龙 江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５０ １
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 ， 导出了当测压 系数 ＝ ／ 推 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 ； 压 系数 ； 面应 变 ； 荷 测 平 卸
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其 中 言为测压系数。由现场观测可知 ， 般 ， 且采深越大， 此值越大； 此值越大， 拉
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袁 １ 沿钻 孔 周 边 方 向 的环 向应 力
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图 Ｉ 瓦斯 抽 放 钻 孔 平 面 应 变模 型
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２理 论 分 析 孔 壁 破 坏 规 律 卸 荷 变形 破 坏 现 象 在 自然界 中广 泛 存
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（ ３ ）
将 （ ） 和 （ ） 代人 边 界 条件 得 （ 中 ２式 ３式 其