基于ABAQUS的高位抽放钻孔数值模拟_马勇_胡依鲁

达到最大值。
4 上覆岩层下沉量随工作面推进距离变化规律
由前文可知，工作面回采后其周围形成一采动 压力场，其中在压力场水平方向上会形成“三区”：
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（ 第 45 卷第 1 期）
分析·探讨
图 3 工作面顶板上覆岩层主关键层膨胀量大小变化曲线
煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。为了考察 Ⅱ020703 工作面沿煤层走向上覆岩层离层裂隙带 的范围，通过模拟不同回采距离下工作面上覆岩层 下沉量变化规律，以得出回风巷高位钻场最佳布置 间距。模拟结果如图 4。
风巷内。由于裂隙发育程度可由岩层膨胀量大小来
反映。因此，根据顶板岩层下沉量模拟结果，选取距 顶板上方 5、10、15、20 m 处的岩层为主关键岩层［6］，
然后求得岩层膨胀量，其中膨胀量表示为相邻关键
岩层下沉量的差值，得出膨胀量大小变化规律，如图
3。不难看出在距回风巷 10 ～ 15 m 内范围，膨胀量
随着工作面采掘推进，顶板上覆岩层受到移动 破坏，在工作面周围形成一个采动压力场，压力场内 竖直方向上会形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，水 平方向上形成煤壁支撑影响区、离层区和重新压实 区［2］。“三带”模 拟 主 要 是 沿 工 作 面 倾 向 对 顶 板 岩 层下沉量的变化模拟，由此可得出冒落带及裂隙带 的范围。根据所建立的模型，数值计算后得到上覆 岩层下沉量模拟云图如图 2，图中的不同颜色表示 下沉量的值，A 点表示进风巷位置，B 点表示回风巷 位置。
University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China) Abstract: Taking Ⅱ020703 fully mechanized coal face as research object，numerical simulation software ABAQUS is used to set up a three － dimensional numerical model． Firstly，in the tilt direction of coal mining face，the study simulates the characteristics of roof rock crack and the result showed that fractured zone height range is from 18 to 23 m and the maximum fissure development degree is located at a distance of 10 to 15 m from air gate． Secondly，in the trend of coal mining face，the study simulated the scope of roof rock crack and the result shows that radius of O － ring is 50、80、100 m when advance distance is 80、120、160 m． According to the results， rational parameters of high level borehole is designed． Then，experiment is made in Ⅱ 020703 fully mechanized coal face． Key words: gas emission; goaf; high level borehole; gas drainage; numerical simulation; fissure zone; O － ring
ABAQUS 数值模拟结果显示，Ⅱ020703 工作面 回采之后，中部顶板岩层下沉明显 ，如图 2，顶板下
图 2 沿Ⅱ020703 工作面倾向上覆岩层下沉量模拟
沉量由进风巷、回风巷两侧分别向工作面中间位置 逐渐增大，呈现采空区“O”形圈规律［4 － 5］，根据模拟
结果显示，采空区中心位置最大下沉量为 2． 19 m，
采动卸压煤层瓦斯及采空区瓦斯抽采技术主要 包括高位巷道抽放和高位钻孔抽放 2 种形式［1 － 2］。 高位巷道抽放是在沿工作面回风巷内错一定距离的 顶板上开掘 1 条专用抽放巷道，并将抽放管路与钻 孔连接进行瓦斯抽放； 高位钻孔抽放是在回风巷道 下帮开口施工钻场，自钻场向工作面上方施工近水 平钻孔，将钻孔与瓦斯抽放管路连接进行瓦斯抽放。 为了能够长期、高效地抽采卸压煤层瓦斯及采空区 瓦斯，抽放钻孔设计必须结合煤层地质特点及顶板 上覆岩层移动规律等因素，科学合理地设计钻孔参 数。基于此，以乌兰煤矿Ⅱ020703 工作面为研究对 象，采用 ABAQUS 数值模拟软件，对高位抽放钻孔 参数进行数值模拟，并进行了现场试验。
·140· DOI： 10． 13347 / j． cnki． mkaq． 2014． 01． 042
（ 第 45 卷第 1 期）
分析·探讨
基于 ABAQUS 的高位抽放钻孔数值模拟
马 勇1 ，胡依鲁2
( 1． 神华宁夏煤业集团 乌兰煤矿，宁夏 石嘴山 753200; 2． 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)
图 1 ABAQUS 数值计算模型结构
模型计算采用 Mohr － Coulomb（ 莫尔 － 库仑） 屈 服准则：
槡 f（ σ1 ，σ2 ，c，φ）
=
σ1
－
σ3
1 1
+ －
sinφ sinφ
+ 2c
1 + sinφ 1 － sinφ
式中： f（ σ1 ，σ2 ，c，φ） 表示随内变量而变化的一
种准则； σ1 、σ2 分别是最大和最小主应力； c 和 φ 分
经验值 1． 2，则裂隙带高度 H 的大小范围为 18 ～ 23
m。因此，高位 钻 孔 终 孔 点 设 计 在 煤 层 底 板 竖 直 向
上 18 ～ 23 m 处。
3． 2 高位钻孔水平长度参数设计
Ⅱ020703 工作面采用“U”型上行通风，根据高 位钻孔布孔原则［7 － 8］，故将高位钻孔钻场设计在回
为分别为 50、80、100 m。根据模拟结果，设计出合理的高位钻孔抽放参数，并进行了现场试验，
试验表明，所设计抽放钻孔有效解决了综采工作面瓦斯浓度超限问题。
关键词： 瓦斯涌出; 采空区; 高位钻孔; 瓦斯抽放; 数值模拟; 裂隙带; “O”形圈
中图分类号： TD712
Βιβλιοθήκη Baidu
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X( 2014) 01 － 0140 － 03
图 4 不同回采距离下工作面上覆岩层下沉量变化规律
由图 4 不难看出，从开切眼开始，随工作面沿煤 层走向推进，离层裂隙不断增大，采空区中部裂隙发 育程度最大，工作面继续推进后，原高度裂隙发育带 趋于压实。由图 4 可知，工作面推进 40 m 时顶板岩 层发生轻微移动断裂，下沉量平均 0． 75 m 以下，且 移动下沉范围不大，离层裂隙带（ 下沉量在经验值 1． 5 m 及以上范围） 显现不明显； 推进 80 m 时顶板 岩层下沉幅度有所增大，采空区中部位置冒落带已 基本跨落，下沉范围呈现“O”形圈分布，模拟显示下 沉量为 1． 5 m 的范围半径大约为 50 m； 推进 120 m 时，采空区大部分顶板冒落带已经充分垮落，中部顶 板岩层下沉量平均 2． 0 m，“O”形圈范围内顶板岩 层下沉量均在 1． 5 m 以上，“O”形圈半径显示为 80 m； 工作面推进 160 m 时，由于顶板岩层受采动压力 重复叠加作用，下沉量急剧增加，“O”形圈边界逐渐 扩大，下沉量大小均在 1． 8 m 以上，且“O”形圈半径 增大到 100 m。 5 高位钻孔参数优化结果及现场试验分析 5． 1 高位钻孔参数优化
别是材料的黏结力和摩擦角。当 f ＜ 0 时，材料将发
生剪切破坏。在一般低应力状态下，岩石（ 煤） 是一
种脆性材料，因此可根据岩石的抗拉强度判断岩石
是否产生拉破坏。岩石三轴力学试验表明，岩石峰
值强度和残余强度与围压有关，当外载荷达到岩石
的强度极限后，岩石的强度随着围压的大小而产生
弱化现象。
3 工作面倾向顶板岩层“三带”模拟
依据上覆岩层的下沉量模拟结果，分别对高位 钻孔竖直高度参数，水平长度参数以及钻场最佳间 距进行了优化，优化结果见表 1。现场试验钻场设 计个数为 3 个，分别编号为 1#、2#、3#。
表 1 Ⅱ020703 工作面高位钻孔参数优化
高位钻孔 参数
竖直高度 水平长度
钻场间距
钻孔深度
参数值 /m
18 ～ 23 18 80 40 40 50 80 100
孔点竖直高度参数。
H
=
（
k
M－ － 1）
ω cosα
式中： M 为煤层采高，m； k 为岩石碎胀系数； α
为煤层倾角； ω 为垮落过程中顶板下沉量，m。
Ⅱ020703 工 作 面 煤 层 采 高 为 2． 0 m，倾 角 为
22°，由模拟得出 的范围为 － 1． 28 ～ － 2． 19 m，k 取
1 工作面地质概况
Ⅱ020703 工作面是乌兰矿 7# 煤层所属工作面，
7#煤层平均厚度为 1． 89 m，直接顶板为平均 0． 86 m 厚的深灰色石灰岩，致密且坚硬。裂隙被方解石脉 充填。直接底板为平均 4． 6 m 厚的深灰色粉砂岩， 呈深 灰 色、薄 层 状、泥 质 含 量 高，层 理 发 育。 Ⅱ 020703 工作面煤（ 岩） 层为一走向 309° ～ 322°，倾向 SW，倾角为 18° ～ 25°，平均 22°的单斜构造，直接顶 厚度为平均 0． 86 m 的石灰岩，地质构造较为发育。 工作面设计走向长度为 1 350 m，倾斜长为 210 m， 采高平均 2． 0 m，煤层瓦斯含量为 9． 81 m3 / t，绝对 瓦斯涌出量最大为 38． 2 m3 / min，瓦斯涌出量主要 来源是采空区瓦斯及邻近 5767 工作面卸压瓦斯，工 作面上隅角和回风流瓦斯浓度超限。
因此“O”形圈中心位置附近直接顶基本完全断裂并
垮落，“O”形圈边界位置附近下沉量均在 1． 28 m 以
下，并趋于稳定。
3． 1 高位钻孔竖直高度参数设计
由于裂隙高度发育区—离层裂隙带是瓦斯聚集
的空间和瓦斯流动的通道，故高位钻孔应布置在高
度裂隙发育范围内可提高瓦斯抽放力度。根据模拟
结果，可以确定顶板岩层下沉量，然后利用以下公式 可求得裂隙带高度范围［6］，进而确定高位钻孔的终
Numerical Simulation of High Level Gas Drainage Borehole Based on ABAQUS
MA Yong1 ，HU Yilu2 ( 1． Wulan Coal Mine，Shenhua Ningxia Coal Industry Group，Shizuishan 753200，China; 2． School of Safety Engineering，China
2 ABAQUS 模型构建
根 据 Ⅱ 020703 工 作 面 地 质 采 矿 条 件 和 ABAQUS 软件数值模拟特点，为最大限度地降低边
分析·探讨
（ 2014 － 01）
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界效应对模拟结果的影响，模型左、右边界范围应取 至工作面开采形成的充分采动角影响范围以外，模 型上边界取至上覆岩层关键层以外，模型水平方向 及底边界，模型左右及底边界边界条件为固定边界， 模型模拟的层位为埋深 360 ～ 500 m，上覆岩层应力 采用等效 均 布 载 荷 方 式 施 加 在 模 型 顶 部［3］。 数 值 计算模型由Ⅱ020703 工作面及顶板上覆岩层构建 而成，模型尺寸为水平方向 350 m，垂直方向 300 m， 煤层倾角 22°，其三维结构图如图 1。
摘 要： 以乌兰煤矿Ⅱ020703 综采工作面为研究对象，采用 ABAQUS 数值模拟软件，建立三维数
值模型，首先沿工作面倾向对顶板上覆岩层的“三带”移动规律进行模拟，得出裂隙带高度范围
为 18 ～ 23 m，在距离风巷 10 ～ 15 m 处，裂隙带裂隙发育程度最大; 然后沿工作面走向对上覆岩
层的弯曲下沉量及离层裂隙带范围进行模拟，得出推进距离为 80、120、160 m 时，“O”形圈半径