基于FLAC3D的“三软”煤层瓦斯抽采钻孔成孔技术分析

（六盘水师范学院矿业与机械工程学院，贵州六盘水市，553004）张洲硕雷航杨付领

六盘水矿区为我国高突瓦斯矿区之一，普遍存在“三软”煤层。目前，“三软”煤层的瓦斯抽采钻孔成孔技术是国内很多煤矿需要解决的影响煤矿安全生产的问题之一[1]。

针对瓦斯抽采钻孔成孔问题，国内学者研究较多，取得了一定的成果。尹振林[2]认为影响围岩结构稳定性的内聚力，其具有动态变化的特点，对钻孔过程中煤体的胶结强度及抗剪强度有着一定要求。李彬等[3]认为在钻孔施工过程中，煤(岩)层的原始结构状态因钻孔施工造成破坏，孔壁的不稳定性增加，从而导致孔内卡钻、拥堵、缩颈。韦瑞敏[4]认为决定钻孔变形的因素是钻孔所受的应力和强度，当煤层强度一定时，钻孔的变形只与所受的应力有关。袁振春[5]认为深部开采煤层应力大，结构松软的煤层在钻孔周围发生蠕变甚至塌孔，加之孔径管径比值较小，故在下护孔管过程中阻力较大，致使护孔管无法下达到孔底。本文在现有研究基础之上，对不同埋深下的煤层的瓦斯抽放钻孔的应力和位移进行模拟分析，从而为成孔提供理论指导。

1 地质概况

六盘水矿区在大地构造之中处于扬子板块的西南边缘，主要受到扬子板块的控制。整个六盘水矿区主要处于上古生界及三叠系共同组成的褶皱区内，区内向斜构造主要以短轴向斜为主，区内褶曲构造为杨梅树向斜次一级褶曲妥倮向斜，其北段褶皱枢纽呈北北东向，其南段褶皱枢纽呈北北西向，呈弧形延伸，区内主要发育有北西向构造，北东向构造和近东西向构造，地质构造程度属于中等复杂[6]。

六盘水矿区“三软”煤层多为高瓦斯矿井，瓦斯作为阻碍煤矿生产安全的主要因素，所谓“三软煤层”是指“软顶、软煤层、软底板”，具有不稳定低透气性、不稳定顶板、软煤层、坚固性系数小、瓦斯运移规律复杂等特点。低渗透煤层占绝大多数。但煤层埋深越大，瓦斯地质的条件也就越复杂多变，就会造成瓦斯治理变得困难。

2 数值计算模型建立

FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的拓展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动。

采用flac3d模拟软件进行模拟，三维模型范围30m×42m×70m，取工作面走向方向为y方向（y=30）、竖直方向为z方向（z=42）、钻孔钻进方向为x方向（x=70）。模型煤层上面岩层厚度为21m，代表煤层到地表的距离，模型四个侧面施加相同的水平应力。随着煤层埋藏深度改变而改变，整个模型外部位移均固定。选取钻孔直径为94mm，钻孔长度为60m。模型共计161472个单元。采用位移边界条件进行约束，模型左右、前后、底部均不发生位移。

3 数值计算结果

3.1 应力分析

图1 竖直方向煤体应力图

图2 水平方向煤体应力图

埋深为200m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的水平应力作用下的水平位移为10.2mm。埋深为400m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的水平应力的作用下的水平位移为20.1mm。埋深为600m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的水平应力作用下的水平位移为37.7mm。埋深为800m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的水平应力的水平位移为40.2mm。受地应力的作用之下，整个钻孔的变形几乎接近了整个钻孔直径的一半，很明显的影响到了钻孔的成孔，严重的影响到了瓦斯的抽采管路系统的形成。

3.2 位移分析

图3 顺层状态下煤体位移图

图4 顺层状态下煤体位移图

埋深为200m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的竖向位移为9.36mm、水平应力作用下的水平位移为10.2mm。埋深为400m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的竖向位移为17.7mm、水平应力的作用下的水平位移为20.1mm。埋深为600m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的竖向位移为34.5mm、水平应力作用下的水平位移为37.7mm。埋深为800m时钻孔在沉降和隆起共同作用下的竖向位移为36.4mm、水平应力的作用下的水平位移为40.2mm。

受地应力的作用之下，很明显的影响到了钻孔的成孔，严重的影响到了瓦斯的抽采管路系统的形成。证明在“三软”煤层顺煤层中进行钻孔时，要充分考虑到煤层上覆岩层地应力的影响，考虑煤层是否能够承受煤层的稳定性被破坏之后的应力重新分布，煤层是否能够承受住地应力重新分布。确保瓦斯抽放管路的形成，确保瓦斯抽放钻孔很好的成孔，要对已经开挖的钻孔进行支护，确保钻孔的成孔效率。

4 钻孔塌孔的原因分析

塌孔在三软煤层中这种现象经常发生，针对塌孔，在经行钻探时未分清层岩性的变化，未进行钻孔大小和冲洗液的即使更替,由于地层的岩层硬度，遇到软岩时时常发生聚集的岩粉无法即使排除；[7]当钻孔长距离披露煤层时，常会致使塌孔，从而出现抱钻事故；[8]钻孔通过地质构造变化带时将破坏煤岩或较硬的岩层，形成“钻洞”，致使堵孔现象出现[9]。

通过本文的模拟分析，认为六盘水矿区的塌孔成因是“三软”煤层由于顶板、底板性以及煤层岩性都相对较软，在本煤层中进行顺煤层瓦斯抽放钻孔的钻进时，钻孔在回采工作面回风巷和运输巷进行打钻布置，原有的煤层在长期的地质作用条件下已经处于了一个平衡状态，煤层处于一个平稳的状态不会发生失稳[10]。而当进行瓦斯抽放钻孔的钻进时，由于钻孔的形成就会对本身已经形成的平衡被打破，出现应力集中现象，出现二次应力的重新分布，由于煤层、顶板、底板岩性都比较软，这就导致了出现煤层顶板无法承受上覆岩层附加的地应力，底板无法承受下部变形造成的鼓包，煤层本身无法承受水平地应力造成的挤压，从而使得钻孔发生破裂变形，造成钻孔的坍塌。

5 结论

本文运用FLAC3D对矿区“三软”煤层抽采钻孔模拟分析，三软煤层由于煤层比较松软，钻孔很容易出现变形或者是塌孔等现象，这样不仅会导致瓦斯抽采率降低，而且还会增加煤层瓦斯抽采的难度，从而增加了采掘工程的资金投入，使瓦斯抽采达不到合格的标准规定。所以说要想保证煤层中瓦斯的抽采率，就得必须提高钻孔在煤层中的稳定性。考虑到经济、实用、操作简单的基础，比较系统地研究了在“三软”煤层中钻孔成孔的技术，在煤层钻孔形成之后通过模拟软件马上下入套管，支护模拟效果比较显著，适用于六盘水矿区，为在“三软”煤层中钻孔成孔提供了指导意义。建议本矿区瓦斯抽采钻孔采用筛管护孔技术。在加入套管进行支护后钻孔的位移量出现明显的减小，支护效果显著。由此可以看出在打钻孔进行瓦斯抽采过程中下套管，能够在一定程度上解决煤层中瓦斯浓度过高的问题。