文摘

确定钻孔的参数在煤层钻探缓解压力是关键防治冲击地压在大直径钻孔。在这项研究中,理论分析、数值模拟、文学研究,和其他分析方法应用于研究弹性能量耗散的角度和压力转移,卸压区域的分布规律和应力集中的地区,能源、压力、位移、塑料的行为大口径高压条件下煤层的卸压钻孔。结果被用来评估之间的关系大口径钻孔卸压钻孔和安排。得到了以下结果。(1)大直径导致大量的弹性能量释放的周围煤、残余弹性能量密度低,钻孔之间的强相互作用,大型钻孔卸压范围,和压力释放效率高。(2)钻孔卸压效果的主要评价因素是它的厚度和应力集中区域;二次评估是基于能源、位移、压力、和塑料的行为。(3)六个评价指标建立了系统评价的影响钻孔减压,这是发现钻孔卸压区域的厚度和应力集中区域,减少程度的能量密度,减轻压力,位移,和渗透程度的塑性区。(4)确定,当卸压钻孔的直径是100年,120年,180年和200毫米,采用单排钻孔布置;采用three-pattern钻孔布置与直径140和160毫米。 These research results can provide theoretical support in selecting reasonable borehole arrangements for pressure relief boreholes of different diameters.

1。介绍

近年来随着煤矿开采深度的增加,矿井岩爆频繁在煤矿事故已成为重大灾害(1- - - - - -4]。然而,大口径钻孔钻在煤层能有效减轻失败的压力,从而减少岩爆的发生事故(5- - - - - -8]。许多因素可以影响钻孔的减压功能采矿技术等地质因素,井深、钻孔孔径(9- - - - - -11]。为一个特定的煤层,考虑到小波动的地质因素,如煤层强度和埋藏深度,挖掘技术开采等因素高度和采矿方法基本上是固定的;只有钻孔布置、角度、深度、直径、间距等物理因素可以改变。因此,确定合理的井眼参数对煤炭卸压是防止岩爆事故的关键。

国内外许多学者进行了大量研究煤炭卸压钻孔。李等人。12]研究了卸压钻孔的影响因素在高压煤巷道和表明,钻孔直径、深度和间距、钻孔卸压效应的共同影响。耿的研究成果等。13]表明,安排卸压钻孔卸压效果有一定的影响,随钻孔布置的影响。局域网的研究成果14]显示改善钻孔卸压的影响在高压力的区域煤层在那些在低压力的区域。贾et al。15]研究钻孔间距的影响,直径和深度的样品通过实验室试验和数值分析,发现造成应力释放裂纹扩展和渗透在钻孔减压的基础,与钻孔直径更大、更深的深度,和小间距显示更好的卸压效果。易et al。16)研究和分析了大直径钻孔卸压效果的软、硬煤层通过数值模拟,以更好的效果所示软。王等人。17]使用应力转移和围岩变形控制效果直接钻孔卸压效应的评价指标,分类钻孔卸压程度不足,充分的,或过度。长度的动态行为的法律,卸压钻孔的直径和间距应用来确定深巷道周围岩石的稳定性。结果的基础上,确定关键参数的方法提出了影响减压。刘等人。18和Zhang et al。19)使用数值模拟基于快速拉格朗日分析连续在三维空间(露天)来确定煤层的峰值应力可以被转移到深地区通过优化钻孔布置参数。秦(20.]研究了压力、能源和煤炭和得出结论,影响倾向大直径钻孔的卸压效果可以提高煤炭通过调整压力,消耗的能量,减少属性的影响。李和熊21)使用自动动态增量非线性分析,ADINA有限元分析软件,研究和评估钻孔卸压效果的应力集中区域的岩石破裂。朱et al。22]提出了基于能量耗散指数的概念,从它们推导出防冲刷钻孔参数的定量计算方法。施等。23]应用莫尔强度理论和FLAC3D软件确定不同钻孔间距和布置可以显著降低大能量振动发生在周围岩石巷道煤层的影响风险将大大降低。李等人。24]研究支承压力分布的特点,设计方案的卸压钻孔深度,减压效果在一个大煤柱开采后进行工作面。结果的基础上,提出了一种方法来解决大型煤柱的危险的条件下通过控制卸压钻孔的深度和密度,使应力分布的转换从“单一峰值”到“ladle-shaped支柱。“王et al。25]研究了钻孔卸压的影响从能源的角度来看。翟et al。26)认为压力缓解由大口径钻孔减压大面积更有效。李等人。27]提出一个方法或评估减压效果基于光纤拉伸应变值和减压半径。在他们的研究中,在钻孔卸压过程分为四个阶段:裂缝发展,极限平衡、塌孔、破碎煤压实。Zhang et al。28]认为更大的钻孔密度导致煤层释放更多的能量,从而更好的减压井眼的影响。通用电气在al。29日]研究之间的关系不同煤的优势和卸压钻孔间距,根据结果提出一个公式。

虽然这些研究减压的大直径钻孔煤的身体是丰富,合理安排各种直径的卸压钻孔在高压条件下研究较少。因此,本研究利用能量耗散的角度和压力评估单列的卸压作用,triple-flower,双排钻孔卸压钻孔布置方案和不同的直径。结果应用于获得钻孔直径之间的关系和安排模式。本研究将提供一定的理论支持大口径钻孔卸压技术。

2。机理分析

2.1。卸压钻孔的应力传递机制

使用大口径钻孔卸压是一个有效的措施来消除或减少岩爆的风险。后卸压钻孔煤层构造,钻孔附近煤层的压力评估。通过应用弹塑性理论分析,可以获得此类压力的方程(15,30.]:

塑性区半径(15,30.]:

在这些方程, , , ,和径向、切向、剪切和井眼附近的原岩应力,分别为(单位:MPa);井眼半径(米);是煤炭和钻孔中心之间的距离(米);塑性区半径(米);凝聚力在煤炭(MPa);和是煤的摩擦角(MPa)。

根据方程(1)和(2),井眼周围的应力再分配从原来的三向应力状态的单向应力状态安排卸压钻孔后的煤。当煤的压力大于其单轴抗压强度,煤炭将被摧毁,钻孔周围塑性区会出现。井眼附近的压力然后转移到一个较远的地方形成新的高压力的集中区域,和弹性能量积累在本地塑性区半径形成一个弹塑性区域。与煤炭和钻孔间距的增加,煤的应力状态逐渐返回到原岩应力状态(如图1)。

施工后的大口径高压煤卸压钻孔,创建一个新自由表面表面钻孔。原岩应力在煤的自由表面变化,和压力接近钻孔释放。附近的煤矿井下含有裂缝和破碎面积更大的直径比钻孔本身就是创造。当多个钻孔不断构造煤,打破区域连接,导致完整的岩体断裂沿井眼剖面。然后,高压力的集中区域的围岩支持转移到深地区实现减压(如图2)。破碎区煤层的应力状态变化,降低煤层的能力来存储破坏性能量毁灭性的能量,从而减少了岩爆的可能性。

2.2。减压井的能量耗散机制

煤炭单位岩体变形的外力被选为本研究的研究对象。假设该活动被关闭。,the object did not exchange heat with the outside components, the total work performed by the external force is converted into energy根据热力学第一定律(31日]。

在这个方程,元素的能量消散,是元素的弹性应变能被释放。

在方程(4)- (6), , , ,和是总应变,弹性应变、弹性模量、泊松比的三个主应力,分别。

假设煤是一种各向同性介质的初始值和在三个主应力方向和 ,分别,方程(5)和(6)可以获得和弹性应变能可以发布的煤炭单位(32]。

煤的力学的变化过程实质上是能量耗散的过程,和煤的不稳定是快速释放弹性应变能积累的过程。当煤的储能单元大于其最终弹性能量,煤炭单位会断裂。在固定的情况下煤发生和技术开采条件,更大数量的弹性应变能的煤炭单位发布的大口径卸压钻孔与较低的残余弹性应变能,降低风险,影响和岩爆的可能性较低。因此,钻孔减压的效果可以被评估的弹性应变能消耗的大口径卸压钻孔。

研究能量释放问题的大口径卸压钻孔煤单位,数值模拟软件可以用来计算局部能量释放率的煤炭单位及其弹性释放能量(33]。

在上面的方程中,的局部能量释放率th煤炭单位,是弹性应变能量密度峰值之前破损的煤炭单位,的谷值的弹性应变能密度th煤炭单位压裂后,煤的弹性应变能释放的单位,然后呢煤层的体积在单位吗 。

从方程(7),可以得出以下。

在方程(4)- (6), , ,和是三个方向的主应力的弹性应变峰值能量密度煤的元素,然后呢 , ,和是那些在硅谷的价值。

3所示。数值模拟方案和结果

3.1。建模和计划

研究不同直径的卸压钻孔和确定最有效的类型的钻孔布置,莫尔库仑模型建立了通过应用FLAC3D数值模拟软件。六种卸压钻孔不同直径的选择,和每组的卸压钻孔分为单列,triple-flower或和双列类型。详细的安排如图3(d),面板显示钻孔间距。总的来说,18组的模型;它们的大小,数量的单位,数量的节点,和其他参数如表所示1。模型的顶部受到高45 MPa的压力;模型的底部和周围的部分是固定的;和自由边界条件。煤的力学参数如表所示2。

3.2。结果分析

3.2.1之上。安排Single-Diameter卸压钻孔

的卸压钻孔直径140毫米的厚度作为分析的一个例子减压区,应力集中,能量密度,压力,压力,和塑料的行为在井眼附近的安排下单列,triple-flower,双排水井。结果的基础上,优化钻孔布置。

(1)钻孔卸压和应力集中区域的厚度。图4显示的厚度分布在不同的钻孔卸压和应力集中区域的安排。两个区域的厚度钻孔是密切相关的。因此,卸压区域的厚度和应力集中区域的虚线(a)(沿井眼的中心)和(b)(沿钻孔间距的中心)进行了统计分析。图所示,当卸压钻孔排成单列,triple-flower,双排卸压区域的厚度沿虚线的方向图4(一)1、1.1和1.6米,分别和应力集中区域的厚度是0 m。卸压区域的厚度方向的虚线图4 (b)是0.56,0.55,和0.3 m,应力集中的区域分别为0.11,0.2,和0.48米。卸压区域的平均厚度的三种不同的安排是0.78,0.83,和0.95 m,应力集中区域是0.11,0.2,和0.48 m,分别。

以上分析结果表明,卸压带的厚度是最大的双排布置,尽管这导致水井之间的最厚的应力集中区域。triple-flower安排下,减压的厚度(应力集中)区比(类似),在单个行。因此,triple-flower安排是最好的缓解压力的方法。

(2)弹性能量密度的变化。图5表明,煤的初始弹性能量密度 。压力释放后的大直径钻孔,钻孔周围的弹性能量密度最小 , ,和 在单行,triple-flower,分别和双安排。此外,单排和双排的安排导致弹性能量reaccumulate水井之间。因此,triple-flower安排对煤炭能量释放有最好的效果。

(3)压力分布规律。图6表明protorock煤层的应力大约40 MPa。建设大口径卸压钻孔后,井眼附近的最低压力减少到大约1.3,和1.3 MPa下单列,triple-flower,和双安排,分别和压力降低了约97%。three-flowered钻孔布置了一个小水井和较小的应力峰值之间的应力集中区域值。尽管水井之间的应力集中区域也较小的单行的安排下,峰值应力更大。此外,应力集中区域和应力峰值之间的双排布置下水井大。

(4)位移法。图7表明,大口径下卸压钻孔单列,triple-flower,双排安排表现出的最大位移 , ,和 。这表明至少双排卸压钻孔的布置影响煤层的位移和控制巷道的变形的影响是最重要的。

(5)塑性区扩展。图8表明,大口径的不同安排下卸压钻孔,单列水井的塑性区扩展和相互渗透,和有效的卸压钻孔之间的区域形成。三花钻孔布置下,塑性区钻孔之间没有连接。双排钻孔布置下,塑性区之间的斜凸区域孔连接但没有穿透水平钻孔的间隔。因此,三花和双排钻孔安排下,钻孔卸压效果的不理想。

上述分析表明,根据压力和能量的角度,当卸压钻孔的直径是140毫米,尽管单列和双排钻孔安排展示最好的减压效果位移监测和塑性区,水井被分散,减少了耦合效应以及容易形成大的应力集中区域,峰值应力高,能量密度和大弹性积累区域。此外,当卸压钻孔的直径是140毫米,三花下的卸压效果是最好的钻孔布置。

3.2.2。分析卸压钻孔的布置有不同的直径

(1)钻孔卸压带的厚度有不同的直径。图9表明,卸压钻孔的直径的增加导致钻孔卸压带的厚度明显增大。单列钻孔装置,卸压带的厚度的水井100,120,180,200毫米直径在三层的中间,双排安排。在140和160毫米直径钻孔卸压带的厚度是中间的单列和triple-flower安排。

(2)厚度的钻孔直径不同,应力集中区域。图10表明,随着钻孔的直径的增加,应力集中区域的厚度也增加,但应力集中区域的厚度改变更少。在单行钻孔布置,应力集中区域的厚度是最小的。应力集中区域的厚度在三花布置在中间。在双排钻孔布置下,应力集中区域的厚度是最大的。

(3)钻孔直径不同,弹性能量密度的变化。图11显示剩余的弹性能量密度降低煤层的卸压钻孔的直径增加。三花钻孔布置下,煤层的残余弹性能量密度是最小的。单列钻孔布置,残余弹性能量密度的煤层在中间。在双排钻孔布置方式下,煤层的残余弹性能量密度是最大的。

(4)不同钻孔直径的压力分布规律。图12表明,随着井眼直径的增加,煤层应力下降更多。卸压钻孔直径100毫米的三花的安排下,煤层卸压程度最高,其次是单行排列和双排安排。在卸压钻孔直径在120、180和200毫米,单列钻孔的安排下,对煤炭卸压程度最高,随后三横列的双排布置和安排。对卸压钻孔直径140和160毫米,煤层的卸压程度是三花安排时使用。

(5)的钻孔直径不同,位移法。图13表明,随着井眼直径的增加,煤层的最大位移增加。与不同的减压井孔直径和双排布置位移最大的煤炭。三花安排时使用,煤炭位移最小,单列安排中间位移。

(6)不同钻孔直径的塑性区扩展法律。表3表明,当卸压钻孔直径不同,排成一行,塑性区连接。三花和双安排下,塑性区不是不断连接;双排排列时,斜凸区域连续钻孔之间的连接。

基于上述分析,合理安排的六种卸压钻孔直径不同,进行了研究和分析。获得最终结果方便而简洁,提出六个指标作为评价依据:卸压区域的平均厚度沿虚线(A和B),应力集中区域的平均厚度沿虚线(A和B),能量密度减少的程度,减轻压力的比例,位移的大小,和渗透程度的塑性区。其中,最好的,中间,和最差每个直径钻孔减压每个索引的结果被认为是“优秀”,“好”,和“穷,”分别。具体评价结果如表所示4。

从表4,可以得出结论,钻孔直径为100,120,180,和200毫米,虽然应力集中区域的厚度是优秀的水井被安排在一个双排时,卸压区域的井眼太小,因此贫穷。因此,单列布置是最优的。当钻孔直径140 - 160毫米,安排模式下最优井眼的卸压效果是三花安排。基于以上分析,当卸压钻孔的直径不同,井眼的最优安排也不同。

4所示。理论验证

根据研究结果在文献[34),钻孔卸压的影响进行评估在目前研究矿井的实际情况下。改善的影响钻孔直径200毫米,三种类型的钻孔布置方案设计和研究:单列,三花,square-row安排。通过研究和分析厚度和程度的卸压区,得出的比例减压区没有单列和三花安排之间的不同,虽然单列安排体现了更好的效果。在square-row安排,水井之间的垂直应力集中区域的比例太大由于钻孔间距的增加。垂直压力的减压效果而言,单列钻孔的安排是最好的,其次是三花和square-row安排。这是因为水井太分散,相互耦合效应很小,可以很容易地形成新的应力集中区域。

钻孔直径200 mm时,如表所示4,单列钻孔布置是最优解,与上述研究结果是一致的。

5。讨论

的事实,没有成熟的理论体系的安排卸压钻孔直径不同,单一的强度在高应力条件下煤,当前的卸压钻孔的布置设计主要是确定根据现场经验和国家标准的结合。本文在高应力条件下,合理的钻井安排卸压钻孔直径不同,单一的强度提出了煤层。它的优点和缺点如下:(1)通过理论分析和数值模拟,不同直径的合理布局卸压钻孔单一强度高应力条件下煤进行了研究。的基础上合理安排的卸压钻孔直径不同,单一的强度提出高应力条件下煤。卸压效果的评估表不同直径和不同安排建立了卸压钻孔。选择理论的安排卸压钻孔根据钻孔的直径是补充道,可为确定合理安排提供理论指导的卸压钻孔直径不同,在煤矿区(2)本文选择的研究对象只有6个不同直径的压力钻井,18种模型建立,基础也很小,只是一个初步勘探的理论研究方向,虽然有一定的理论指导意义,但它是否有广泛的适用性不同强度的煤,还需要更多的研究;这个理论也需要进一步探索完善专家

6。结论

(1)与卸压钻孔的直径的增加,井眼附近的煤炭释放弹性能量增加;剩余弹性能量密度降低;水井之间的耦合增强;钻孔卸压范围的增加;和压力释放效率提高(2)卸压和应力集中区域的厚度为主要评价依据和弹性能量密度的分布规律,压力,位移,压力释放后和塑性区煤层作为辅助评价因素,卸压钻孔直径不同,检查,并确定一个合理的钻孔布置(3)六个评价指标体系提出了评估减压效果:卸压带的厚度,厚度的应力集中区域,能量密度减少,比例减压、位移、塑性区和渗透程度。决定,当井眼直径100,120,180,和200毫米,单列钻孔布置有最好的减压效果。当钻孔直径140 - 160毫米,三花钻探安排是最好的(4)得出卸压钻孔直径不同,应采取不同的钻孔布置的理论。这项研究的结果提供一个参考依据设定最优在矿区卸压效果根据实际钻孔直径

数据可用性

支持这项研究的数据都包含在本文。

的利益冲突

我们声明我们没有利益冲突。

确认

本文获得金融支持中国的国家自然科学基金(格兰特数字:51674016和52004090)和河北省自然科学基金(批准号:E2020808025)。