膨胀管预裂切顶钻孔参数合理性分析.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.017膨胀管预裂切顶钻孔参数合理性分析（1.山西高河能源有限公司，山西 长治 046000；2.华北科技学院安全工程学院，河北 廊坊 065000；3.北京窗口科技有限公司，北京 100083）摘要 为研究膨胀管预裂切顶钻孔参数的合理选取，以粉砂岩顶板为试验对象，采用数值模拟方法，在施加相同径向应力时，分析双孔不同直径（60、75、90 mm）与间距（60、80、120 cm）下膨胀致裂应力与变形变化规律。研究结果表明：双孔间围岩应力变形均随钻孔直径的增加而增大，随钻孔间距的增加而减小。相同孔径下，双孔连线间应力在钻孔位置处达到峰值，且间距越小，钻孔处应力峰值越大，塑性区发育程度越高；双孔间应力呈双曲线降低趋势，且在双孔中心处于低谷，但大于双孔外侧应力。相同孔间距下，孔径增大，双孔间膨胀应力增大，应力峰值增高且塑性区不断扩展。基于此，确定合理的钻孔直径为 75耀90 mm，钻孔间距为 60耀80 cm。关键词 膨胀管致裂；钻孔参数；围岩应力变形；双孔塑性区中图分类号TD353文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0055蛳 030引言随着矿井综放工作面的不断推进，采场控顶面积逐步加大，工作面顶板逐渐形成自然压力拱咱员原猿暂，煤壁受压发生变化，造成工作面压力集中。当上部顶煤变形超过弹性变形极限时，将发生断裂、垮落、片帮或局部冒顶咱源原缘暂。为了降低冒顶给工作面人员与设备安全带来的危害，矿井普遍采用主动放顶煤方式，削弱坚硬顶煤垮落给工作面造成的影响。膨胀管预裂切顶技术是一种安全高效放顶技术，不仅能够保护人员与设备的安全，还能加快工作面采掘推进速度咱远原愿暂。该技术利用膨胀管定向发胀特性来预裂顶板形成细小的切顶裂缝，配以矿山压力共同致裂坚硬顶板。本文以山西高河矿煤层普遍赋存的粉砂岩顶板为研究对象，采用膨胀管致裂技术，运用数值模拟仿真方法，研究膨胀致裂过程中不同钻孔参数条件下围岩受力变形特征，为后续膨胀管参数选择提供技术参考。1膨胀管工艺通过对膨胀管加压，管壁逐渐物理膨胀挤压孔壁。当作用于钻孔围岩的膨胀力产生的切向拉应力远超煤岩体的抗拉强度时，煤岩体内的原生裂纹逐渐张开并伴随着新生裂纹的产生，在膨胀压力的持续作用下，裂纹逐渐延伸并贯穿，最终在钻孔围岩产生大量的裂纹。膨胀管致裂装置主要由管体、膨胀壳、膨胀液连接头、钻杆连接头 4 个部分组成，如图 1 所示；其连接方式如图 2 所示；预测效果如图 3 所示。图 1膨胀管结构图 2膨胀管致裂连接图 3膨胀管致裂效果2不同钻孔参数下围岩应力变形破坏特征在粉砂岩样内垂直布置钻孔，利用 FLAC3D软件建立模型如图 4 所示。模型大小为 x m1 m2 m，材料的破坏服从 Mohr-Coulomb 准则，其岩层膨胀壳管体臌胀液连接头钻杆连接头膨胀管岩层气源出液液压泵膨胀管膨胀管裂纹砸砸能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4552023 年 8 月Aug.,2023李建贵，等膨胀管预裂切顶钻孔参数合理性分析力学参数如表 1 所示。图 4初始模型表 1粉砂岩物理力学参数本模型在 y 方向（赋值 H 的轴向）赋予重力，在 x、z 方向施加 0.5 MPa 的围压以模拟实际中的围岩应力，并向钻孔内施加 60 MPa 的径向膨胀力进行数值运算，待运算平衡后通过对垂直于钻孔连线方向的 x-x 应力、塑性区等进行分析，分析不同孔径（60、75、90 mm）、孔距（60、80、120 cm）条件下的膨胀致裂效果。2.1双孔致裂应力分布该模型属于双孔致裂模型，对这类模型进行受力分析可知，裂隙会沿着两钻孔连线方向演化发育，所以将应力分析的重点放在垂直于钻孔连线方向的 x-x 应力。现提取垂直于两钻孔连线方向的 x-x 应力进行分析，对比分析不同孔径、孔间距条件下应力分布情况，如图 5 所示。岩性密度/（kg cm-3）泊松比弹性模量/GPa内摩擦角/（毅）内聚力/MPa抗拉强度/MPa粉砂岩2 6000.2815.00352.503.15（a）孔径 60 mm、间距 60 cm（b）孔径 60 mm、间距 80 cm（c）孔径 60 mm、间距 120 cm（a）钻孔直径 60 mm图 5双孔致裂连线上应力变化（b）钻孔直径 75 mm（c）钻孔直径 90 mm由图 5 分析可知：（1）在相同孔径条件下，钻孔连线（x-x 连线）上的应力在钻孔位置处达到峰值；双孔间应力呈双曲线降低趋势，且在双孔中心处于低谷，但大于双孔外侧应力。（2）钻孔间距越近，钻孔处的应力峰值越大，钻孔之间的应力值也相对较大，但钻孔外侧的应力值相对较小。而钻孔间距变大时钻孔外侧的应力值会相应地变大。（3）在不同孔距条件下，应力趋势均有相同规律：孔间距最小时，钻孔连线间应力均较大且钻孔两侧的应力波动较小，而孔间距增加之后钻孔内侧的应力有降低趋势。（4）由于钻孔直径的增加，膨胀应力随之增加，钻孔处的应力峰值随孔径的增加而增加。2.2双孔致裂塑性区分布当围岩所能承受的应力超过其弹性极限后，进入塑形屈服阶段的区域称之为塑性区。本次数值模拟将塑性区视为膨胀致裂而损坏的岩体区域，基于模拟分析不同方案下的塑性区发育情况，确定钻孔直径与间距。通过对各模型的塑性区大小以及塑性区贯通情况进行综合评估，模拟结果如图 6 所示。zyxO1 m2 mx 轴坐标/mx 轴坐标/mx-x 应力/MPax-x 应力/MPax-x 应力/MPa孔径 75 mm、间距 60 cm孔径 75 mm、间距 80 cm孔径 75 mm、间距 120 cm孔径 90 mm、间距 60 cm孔径 90 mm、间距 80 cm孔径 90 mm、间距 120 cm孔径 60 mm、间距 60 cm孔径 60 mm、间距 80 cm孔径 60 mm、间距 120 cm-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5181512963025201510504035302520151050 x 轴坐标/m562023 年 8 月Aug.,2023由图 6 分析可知：（1）随着孔间距的增加，塑性区宽度逐渐减小且不再贯通两钻孔。（2）当钻孔直径增加时，钻孔之间的塑性区不但贯穿，而且向钻孔外围不断扩展，同样塑性区范围会随着孔间距的增加而逐渐减少。（3）随着孔间距的增加，塑性区不再贯通，但由于孔径的增大，膨胀力也随之增加，由塑性区形态可看出钻孔的裂隙向四周呈发散状发育。（4）围岩塑性区大小均随钻孔直径的增加而增加，随钻孔深度的增长而增加，随钻孔间距的增加而减小。综上，合理的钻孔直径为 7590 mm，钻孔间距为 6080 cm。3结论（1）双孔间围岩应力变形均随钻孔直径的增加而增大，随钻孔间距的增加而减小。（2）相同孔径下，双孔连线间应力在钻孔位置处达到峰值，且间距越小，钻孔处应力峰值越大，塑性区发育程度越高；双孔间应力呈双曲线降低趋势，且在双孔中心处于低谷，但大于双孔外侧应力。（3）相同孔间距下，孔径增大，双孔间膨胀应力增大，应力峰值增高且塑性区不断扩展。（4）基于控制变量法，确定合理的钻孔直径为7590 mm，钻孔间距为 6080 cm。参考文献1Quanlin Wu,Quansen Wu,Yanchao Xue,et al.Analysis ofOverlying Strata Movement and Disaster-Causing Effects ofCoal Mining Face under the Action of Hard Thick MagmaticRock J.Processes,2018，6（9）：150.2Lan Y,Gao R,Yu B,et al.In Situ Studies on the Character-istics of Strata Structures and Behaviors in Mining of a ThickCoal Seam with Hard Roofs J.Energies,2018，11（2470）.3王涛，由爽，裴峰，等.坚硬顶板条件下临空煤柱失稳机制与防治技术 J.采矿与安全工程学报，2017，34（1）：54-59.4牟秀超，张百胜，杨永康，等.坚硬顶板综放面深孔预裂弱化顶板处理技术 J.中国煤炭，2017（6）：62-66.5单鹏飞，来兴平，崔峰，等.采动裂隙煤岩破裂能量耗散特性及机理 J.采矿与安全工程学报，2018，35（4）：834-842.6Zhang Q,Peng CH,Liu RC,et al.Analytical solutions for themechanical behaviors of a hard roof subjected to any form offront abutment pressures J.Tunnelling and UndergroundSpace Technology,2019（85）：128-139.7谢雄刚，刘锦伟，王磊，等.静态膨胀剂膨胀开裂突出煤层的测试研究 J.煤炭学报，2016，41（10）：2620-2625.8张嘉勇，崔啸，周凤增，等.煤层钻孔静态爆破致裂半径数值模拟 J.煤矿安全，2017，48（12）：146-149.作者简介李建贵（1991-），男，工程师，毕业于辽宁工程技术大学采矿专业，长期从事地质灾害防治方面的科研工作。收稿日期：2022-12-12图 6双孔致裂围岩塑性区分布（d）孔径 75 mm、间距 60 cm（e）孔径 75 mm、间距 80 cm（f）孔径 75 mm、间距 120 cm（g）孔径 90 mm、间距 60 cm（h）孔径 90 mm、间距 80 cm（i）孔径 90 mm、间距 120 cm能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.457