GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/5469999 5469999 研究文章 减压机制和大口径钻孔在煤层中的应用与岩爆风险 https://orcid.org/0000 - 0001 - 5946 - 2750 郝 郑ydF4y2Ba 1 2 太阳 重 1 魏 Haihang 1 刘 嘉 1 田 茂林 1 刘 Shuaiyi 1 徐 Yikun 1 王 海盐 1 资源与安全工程学院 河南大学的工程 郑州451191 中国 haue.edu.cn 2 州和地方联合工程实验室深矿井的瓦斯抽放与地面控制 河南理工大学 焦作454003 中国 hpu.edu.cn 2021年 7 10 2021年 2021年 19 7 2021年 24 9 2021年 7 10 2021年 2021年 版权©2021镇郝et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

大直径钻孔的钻探是视为预防岩爆的有效措施。通过调查的形态特征和演化在井眼围岩塑性区,大口径钻孔减压机制的确定,以及大直径钻孔的工程应用评估Gengcun煤矿13230工作面,河南省,中国。结果表明,(1)围岩的塑性区钻孔表现为圆形,椭圆,和蝴蝶形状,最大大小的蝴蝶翅膀的塑性区几次比钻孔直径;(2)在一定的压力条件下,多个大口径钻孔分布在煤层与岩爆风险导致大范围摘要的生成和聚结塑性区。他们减少应力集中和煤层储存弹性能量的能力,从而降低煤层的岩爆的风险;(3)大直径钻孔显著降低应力集中在13230工作面和改善应力环境的头条目,促进安全开采的工作面。

 河南大学 DKJ2019003 河南理工大学 SJF202008 重点科研项目的河南省高等教育机构 21 a440001 20 a440002 中国国家自然科学基金 52104126 1。介绍

岩爆是重大工程灾害造成的暴力在地下深处释放应变能积累项目( 1]。这种现象通常伴随着弹射的岩石碎片,这将直接威胁到安全的工人( 2, 3]。

近年来,岩爆越来越严重,由于开采深度和强度增加。很长一段时间,岩爆防治煤矿的重大研究课题之一矿山灾害的预防和控制,吸引了很多学者和工程技术人员的兴趣。在早期的研究中,许多学者阐述了静态和动态的原因失败,煤岩体从不同的角度,形成了很多经典理论,比如能源理论、强度理论、刚度理论( 4, 5),破裂倾向理论( 6),不稳定理论( 7),和“三因素”理论( 8]。通过引入跨学科的学科如数学和力学研究领域,突然启动理论( 9)、突变理论和混沌理论形成了( 10, 11]。

目前的共识是,应力集中程度和积累能力在煤和岩石弹性能量可以人为地降低防治岩爆。减压措施煤层的类型主要包括烟煤煤层注水,深孔爆破,并通过大直径钻孔卸压。由于一些独特的优势,如方便和快速施工和小扰动,大直径减压井已广泛应用于许多矿山岩爆倾向在中国作为一个有效的和常规措施预防岩爆( 12]。在工程实践中,大直径减压井在跃进煤矿调查,以及超过3100个钻孔钻在煤体内运输网关( 13]。为了减少地应力分布的影响安全开采断层附近地区,大直径井眼大直径的方法被用来进行原位地应力测量( 14]。因此,调查在大直径钻孔减压机制进一步充实的意义理论在岩爆防治和促进煤矿的安全、高效的工作容易发生岩爆。

在减压和rockburst-prevention机制和大直径钻孔的影响评估,许多学者从不同的角度开展了富有成效的研究。贾et al。 15)认为根本原因大直径钻孔减压效果表明,井眼附近的裂缝传播和融合,释放集中在煤层应力积累;此外,水井的减压效果成正比的钻孔直径和深度而钻孔间距成反比。焦et al。 16]表明,大口径钻孔煤层分布可能降低粒子速度在动态条件下速度和峰值应力集中程度及其程度在巷道周围的岩石受到动态载荷,增加弹性能量的衰减长度,从而大大减少巷道岩爆的可能性。减少在大煤柱岩爆风险,李et al。 17]实现的被动转移集中在大煤柱应力分布合理的大直径钻孔深度和间距。肖et al。 18)发现,该地区受应力集中在地板上转移到更大的深度分布在地板上大直径钻孔和增加他们的直径。通过这种方式,应力降区范围扩大,巷道岩爆风险楼却降低了。通过进一步探索减压机制提供通过相似模拟试验,水井Qi et al。 19)发现,钻孔直径提供减压效果的显著的尺寸效应,他们提供了一个合理的范围内的钻孔直径可以提供减压。通过分析减压效果的钻孔直径不同,通过数值模拟,李et al。 20.]表明,钻孔直径成正比减压的效果,这是削弱当压力释放的钻孔间距超过临界值。朱et al。 21]提出的剩余风险评估pressure-relieved煤层与岩爆风险通过使用一个能量耗散指标,提出一个方法来量化大直径钻孔的参数。魏( 22)表明,钻孔直径和深度的增长可以提高煤层的减压效果容易发生岩爆。许多学者探讨了脆性的破坏机理坚硬的岩石钻井通过实验室实验和数值模拟并讨论了钻井的影响大小、岩石强度、载荷等参数对钻井的故障范围( 23- - - - - - 27]。然而,以上研究仅局限于砂岩或大理石高强度和低强度钻井很少参与煤炭。研究结果为本研究提供一个基础。

通过具体工程和地质条件Gengcun煤矿、河南,中国为研究背景,分析了大直径钻孔的rockburst-prevention机制研究形态特征和演化钻孔围岩的塑性区基于摘要塑性区理论。此外,一个工程案例研究。

 2。大直径钻孔减压机制 2.1。的形成机理和形态特征大直径井眼围岩的塑性区

建设大直径钻孔煤层是类似于一个小巷道的布局( 28]。在掘进巷道或钻孔煤和岩石中钻孔,围岩中的应力巷道或钻孔的重新分配,和塑性区出现在浅围岩的一部分。因此,建立力学模型(图中是可行的 1)在一个非常数的井眼围岩的应力场的区域与井眼半径 一个 (通常是井眼半径的五倍)作为分隔符。边界上的负荷模型的确定 P 1 和 P 3 。

的井眼围岩的力学模型非常数的应力场。

的方程的边界循环钻孔围岩的塑性区在非均匀应力场条件下推导出根据文献[ 29日描述如下: (1) 9 1 − P 1 P 3 2 一个 r 8 + − 12 1 − P 1 P 3 2 + 6 1 − P 1 2 P 3 2 因为 2 θ 一个 r 6 + 10 1 − P 1 P 3 2 因为 2 2 θ − 4 1 − P 1 P 3 2 罪 2 φ 因为 2 2 θ − 2 1 − P 1 P 3 2 罪 2 2 θ − 4 1 − P 1 2 P 3 2 因为 2 θ + 1 + P 1 P 3 2 一个 r 4 + − 4 1 − P 1 P 3 2 因为 4 θ + 2 1 − P 1 2 P 3 2 因为 2 θ − 4 1 − P 1 2 P 3 2 如果 n 2 φ 因为 2 θ − 4 C P 3 − P 1 罪 2 φ 因为 2 θ P 3 2 一个 r 2 + 1 − P 1 P 3 2 − 罪 2 φ 1 + P 1 P 3 + 2 C 因为 φ P 3 罪 φ 2 = 0 , 在哪里 C 和 φ 分别指的是凝聚力和内摩擦角井眼围岩; r 和 θ 分别代表了极坐标的边界在井眼围岩塑性区; 一个 代表钻孔的半径;和 P 1 和 P 3 表示模型的边界上的负载。

因此,形态特征和井眼围岩的塑性区大小取决于(即双向应力场边界载荷比 P 1 / P 3 )的钻孔和固定的机械性能( C 和 φ 围岩的)。

的形态特征,分析了井眼围岩的塑性区数值模拟方法。(图的数值计算模型 2)的尺寸 40 米 × 40 米 × 1 米 ( 长度 × 宽度 × 厚度 )成立,钻孔直径是153毫米。周围的位移模式在三个方向( x , y , z )是固定的 y - - - - - -方向是固定的前后边界。模型的直接楼展品与煤层力学参数一致,和垂直和水平上的载荷边界分别设置 P 1 和 P 3 。煤层和地板的力学参数如表所示 1。

钻孔的数值计算模型。

煤层的力学参数和地板上。

岩性 σ c /MPa σ t /MPa C /MPa φ /°
煤层和地板 26 1.3 3 25

σ c :抗压强度; σ t :抗拉强度; C :凝聚力; φ :摩擦角。

在不同的压力条件下,井眼围岩的塑性区形态特征明显不同(图 3)。如图 3负载电压,当双向界限 P 1 / P 3 是1,图 1显示了一个力学模型在双向应力场,和方程( 1)在井眼围岩塑性区边界是圆的标准方程。在这种情况下,循环塑性区(图的边界 3(一个))。当 P 3 保持不变, P 1 / P 3 增加到1.7时,水平方向的边界逐渐扩大,而在垂直方向变得更窄。边界的最大和最小半径的塑性区分别发生在横向和纵向轴,和塑性区变得ellipse-like的边界形状(图 3 (b))。当 P 1 / P 3 达到2.5,这个概要文件的塑性区边界凹在四象限坐标轴而突出,因此出现了一个蝴蝶的形状(图 3 (c))。此外,摘要的最大边界半径发生塑性区附近的坐标轴之间的夹角的角平分线。

井眼围岩的塑性区形态特征在不同应力条件。

 2.2。大直径钻孔减压机制 2.2.1。进化大直径钻孔的塑性区

根据文献[ 30.),图 4显示周围塑性区水井的形态特征与13230工作面不同距离Gengcun煤矿工作面是由30 m时,钻孔直径是153毫米。

进化的大直径钻孔周围的塑性区。

如图 4在工作面不同距离,最大和最小主应力不同的形态特征和大口径钻孔周围的塑性区范围。在100工作面,围岩的塑性区是椭圆,蝴蝶形状受到矿山压力的影响,和工作表面之间的距离越小,塑性区尺寸越大。在工作面位置不低于20米,最大主应力的比值最小主应力约为1.9,和塑性区分布在一个椭圆形状,与最大半径沿横向轴发生。

周围的塑性区四个井眼向外扩展的肩角从工作面位置10米。减少工作面距离、最大主应力的比值最小主应力逐渐上升,和塑性区边界垂直和水平方向的变化(尽管仅略)。的最大大小塑性区逐渐延伸至深的部分沿着坐标轴之间的夹角的角平分线,和塑性区逐渐演化成一只蝴蝶的形状。位置4米和6米的工作面,的最大塑性区大小的蝴蝶翅膀是0.91米和0.65米,这是井眼半径的11.9和8.5倍。

 2.2.2。大直径钻孔减压机制

在建设大直径钻孔煤层与岩爆风险,产生一定的塑性区范围在水井受到煤炭开采后的压力。在一定的压力条件下,单一的最大塑性区半径钻孔可以几倍钻孔直径。如果大范围塑性区和合并生成多个大口径钻孔(图 5),弹性能量积累在煤层中缓慢释放,以及峰值应力降低;因此,大型减压区域是怎么形成的,应力集中的区域转移到更深入的煤层。因此,岩爆的预防和控制,大口径钻孔主要功能体现在两个方面。一是缓解压力,即结合钻孔周围塑性区可以缓解应力集中和煤层的岩爆风险。另一种方法是通过改变煤层的力学性能,即生成煤层钻孔周围塑性区削弱能力存储弹性能量,从而减少岩爆的风险( 15, 31日]。

大直径钻孔的减压原理。

 3所示。工程应用 3.1。工程背景

Gengcun煤矿,位于中间Yima煤田的一部分,河南省,中国,是我的主要Yima煤炭公司,河南能源和化工集团有限公司,有限公司在我的,2 - 3煤层倾角的9°13°主要开采,显示出强大的岩爆倾向。2015年12月,一场严重的事故发生岩爆的头条目的13230工作面矿山压力的影响。失败造成不同程度的破裂在前面的道路约150头条目的工作面,并导致人员伤亡和经济损失。工作面的布局图所示 6。

的布局Gengcun煤矿工作面。

的横截面的头条目和尾巴条目的13230工作面出现半圆拱测量 6.2 米 × 4.15 米 ( 宽度 × 高度 )。煤柱的宽度8 m是尾巴条目之间的13230工作面和采空区的13210工作面相邻。

 3.2。的工程应用大直径钻孔卸压

减少爆炸失败的风险再次发生在道路13230工作面开采期间,大口径钻孔钻从较低的一侧的尾巴条目和上下的头条目前方300米的范围内工作面(如图 7和 8)。缓解应力集中的先进的工作面支承压力、大直径钻孔的深处钻从低尾项和上面的头条目13230工作面不少于30米,从较低的头条目不少于25米。此外,大口径钻孔倾角的调整(适当的)保证钻孔总是分布在煤炭、倾角的那些水井钻上面的入口是在10°13°和那些从较低的一侧的尾巴条目和较低的一侧的头条目1°至3°。现有研究表明,钻孔直径越大,减压效果越好;此外,大口径钻孔很难构造,导致了一定的施工效率损失( 32];因此,根据现有的设备和技术条件,大直径钻孔的直径减压的13230工作面被确定为153毫米,水井和出口之间的距离和巷道层不小于1米。确保聚结的塑性区钻孔,钻孔间距设置为1米。

的布局大口径钻孔钻尾项。(一)大直径钻孔平面图的布局。(b)的横截面大直径钻孔的布局。

分布的大直径钻孔钻的头条目。(一)大直径钻孔平面图的布局。(b)的横截面大直径钻孔的布局。

 3.3。分析大直径钻孔的减压效果 3.3.1。原位<斜体> < /斜体>监测

后恢复生产在13230工作面,多个rockburst-prevention措施(如与大直径钻孔卸压和烟煤煤层注水)实施Gengcun煤矿,以及监测和预警系统(涉及微震的(MS)事件监控和drill-cutting)成立。

图 9显示事件监控数据女士从2017年12月到2018年1月:峰值能量达到105J,最大能量没有3天内不断增加。通过观察了两个月,最大能量在每个月被发现 7.5 × 10 5 J 和 5.7 × 10 5 J ,分别。

曲线的能量和频率获得基于监测女士。2017年12月(a)女士监控数据。2018年1月(b)女士监控数据。

在13230工作面开采期间,推进工作面长度和钻孔深度和最大数量的钻粉监视每一次(钻孔直径75毫米)记录根据预设的监控范围和各种参数如钻孔深度和间距。

的监测结果推进工作面长度和最大的钻井岩屑量如图 10:13230工作面被发掘了36米总在监测期间;钻井岩屑的含量在不同井深处都低于临界值,显示无关紧要的波动。钻井岩屑的最大数量是12.37公斤,这与钻孔深度17米,这是远低于临界值(表 2)。此外,不破裂故障出现在两个道路在13230工作面后恢复生产,使矿井的安全生产。

监控钻井岩屑的数据。

要监视钻井岩屑的临界质量。

钻孔深度/ m 4 ~ 7 7 ~ 10 10 ~ 13 13 ~ 16 16 ~ 20
临界质量/公斤 8 11 17 23 29日
3.3.2。数值模拟分析

分配大口径钻孔前后段的两个道路Gengcun煤矿13230工作面,大直径钻孔的减压效果比较的煤层的垂直应力分布的数值模拟方法。首先,大量通过FLAC建立数值计算模型3 d;后来,两个道路挖掘水井,13210年和13230年工作面开采。最后,垂直压力提取煤层的屋顶上。边界条件和其他数值模拟分析的信息可以从文献[获得 30.]。图形后处理后,垂直应力云图(图 11)。

分布的垂直压力。没有大口径钻孔(a)。用大口径钻孔(b)。

如图 9,垂直应力集中区域附近发现的13230工作面采空区的13210工作面之前和之后都分布在段大直径钻孔的头条目和尾巴条目13230工作面。大直径钻孔钻后,应力集中在段前的头条目在很大程度上降低。当大口径钻孔不钻来缓解这种压力,以34 MPa轮廓作为一个例子,轮廓的长度13230工作面沿倾斜约120(图 9(一));缓解压力,建设大直径钻孔后,长度相同的轮廓(34 MPa) 13230工作面沿倾斜是70(图 9(b))。通过比较,可以发现,大直径钻孔的分布在两个道路可以减少应力集中的程度在工作面前,从而提高周围的应力场的头条目。

 4所示。讨论

作为一个有效的措施预防岩爆、大口径钻孔广泛应用于煤层与岩爆的风险。许多学者从不同角度研究了大直径钻孔减压机制。本文基于钻孔围岩的塑性区形态,认为一个大型的蝴蝶形状的塑性区范围将由几个大口径钻孔生产和连接下的煤层开采压力,以减少应力集中程度的煤层和存储弹性能量的能力。结合现有文献的研究成果,本文的研究成果将进一步丰富岩爆的预防理论,促进安全、高效开采岩爆地雷。此外,仍有一定的局限性,如蝴蝶形状塑性区形成一定的围岩应力状态,和摘要塑性区是方向,只有当蝴蝶翅膀和煤层方向是一致的;大口径钻探的卸压效果是最好的。

 5。结论

通过系统研究大口径钻孔减压机制和工程应用,我们主要得到以下结论。

井眼围岩的塑性区出现在三种形式,即:圆形、椭圆和蝴蝶的形状。当双向边界负载电压达到一定值,蝴蝶翅膀的摘要的长度塑性区可以钻孔直径影响的好几倍

在一定的压力条件下,多个大口径钻孔钻在煤层与岩爆灾害引起大范围的生成和聚结蝴蝶形状的塑性区;此外,他们缓解应力集中在煤层和弹性能量存储能力,从而减少岩爆倾向煤层

一个工程案例研究分析了基于性能的两个道路Gengcun煤矿13230工作面。结果表明,大口径钻孔的使用可以显著减少应力集中的程度在工作面前,提高应力场的头条目,从而促进工作面安全开采

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作是支持的部分中国自然科学基金(批准号52104126),关键河南省高等教育机构的科研项目(批准号。20 a440002 a440001 21日),国家地方联合工程实验室的研究基金深矿井的瓦斯抽放与地面控制(河南理工大学)(批准号SJF202008),河南大学的博士生培养基金工程(批准号DKJ2019003)。

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