基于FLAC3D 的钻孔扩孔前后应力分布特征研究

崔卫峰

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

0 引言

钻孔成孔技术作为保障煤矿瓦斯治理的重要手段之一，对于井下安全生产、保障人员生命财产安全有着重要意义。对于井下钻孔成孔前后钻孔的应力分布情况，相关学者进行了大量的研究，取得了一定的成效。吴小娃[1]对水力割缝前后钻孔周边的应力分布情况进行了研究，认为水力割缝破坏了钻孔周边煤体的应力分布状态，加大了钻孔周边裂隙的二次发育，提高了瓦斯抽采效果；郑春山[2]等开展了顺层钻孔施工前后，钻孔周边的应力和位移变化规律的实验，实验结果表明，钻孔施工过程中，钻孔周围煤体依次经历原始应力、应力升高直至峰值、应力下降、残余应力4 个阶段；韩磊[3]等对工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力进行了实测，分别建立了基于摩尔- 库伦（MC） 本构模型以及应变软化（SS） 本构模型的数值计算模型，精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律；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。前人对钻孔施工前后的应力分布进行了大量的研究，但对于钻孔扩孔前后钻孔周边应力二次分布和有效卸压范围研究较少。本文以新景矿井下钻孔为研究对象，利用FLAC3D 数值模拟软件，模拟未扩孔及扩孔后顺层钻孔及穿层钻孔周边的应力变化情况，分析造穴前后钻孔周边的应力二次分布和有效卸压范围。新景矿15124 低位巷、15124 回风巷钻孔造穴施工后，对钻孔扩孔前后的应力分布情况进行考察，在此基础上，得到钻孔有效卸压范围，为现场瓦斯抽采提供帮助。

1 地质概况

此次数值模拟考察煤层为新景集团的15 号煤层，15 号煤层主要位于太原组下段，K2 石灰岩之下。在井田西南部，15 号煤层夹矸层增厚出现分叉现象，分为15 号煤层和15 号下煤层。15 号下煤层属较稳定大部可采煤层，除个别点尖灭外，与15 号煤层合并为一层，厚度0.60～3.85 m，平均2.04 m；15 号煤层（包括合并层） 为全井田稳定可采煤层，厚度3.80～8.85 m，平均6.29 m。煤层直接顶底板为灰黑色泥岩，孔隙率小，具有良好的封闭能力，煤层顶底板致密完整，瓦斯逸散条件差，有利于瓦斯的赋存。

2 数值模型建立

2.1 钻孔力学模型划分

在运用FLAC3D 建立数值模型过程中，假设煤体为各向同性均质且符合摩尔- 库仑弹塑性模型的介质，以煤层钻孔段为研究对象，且计算时不考虑与时间有关的物理量。在此基础上，建立尺寸为10 m×10 m×5 m 的煤体模型，模型X 轴正负方向、Y 轴正负方向、Z 轴负方向边界变形设置为0，即设定为固定边界，Z 轴正方向设置为自由边界。因为在实际工况中的煤岩层是处于重力环境中的，因此取Z 轴负方向的重力加速度g为10 m/s2。根据新景矿15 号煤层实际情况，模型上部施加沿Z轴负方向的载荷P0=17.5 MPa；在模型左右两侧施加侧压系数1.2 的压力，即P1=21 MPa 的侧向压力用来模拟模型周围煤体的侧应力。模拟钻孔直径为100 mm 扩大到500 mm 时钻孔周围应力分布和卸压破坏的范围，分别以顺层钻孔和穿层钻孔的模式进行开挖，两种模式的力学模型如图1 所示，网格划分如图2 所示。

图1 钻孔力学模型Fig.1 Borehole mechanics model

图2 模型网格划分Fig.2 Model meshing

2.2 模型参数设置

一般来说大多数岩层都可视为弹塑性介质，在一定应力水平下表现为线弹性，超过此限即表现为塑性。对于岩石一类的材料，在塑性变形时具有明显的体积变形，因而必须考虑到体积应力的影响，故计算中煤层采用弹塑性本构模型，屈服准则采用莫尔- 库仑准则。计算莫尔- 库仑塑性模型所涉及的岩石力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、内聚力、内摩擦角等，新景矿15 号煤层建模煤层的物理力学参数见表1。

表1 模型材料物理参数Table 1 Physical parameters of model materials

3 钻孔扩孔前后数值模拟结果分析

3.1 数值模拟结果分析

通过对模型分步连续开挖，在开挖钻孔之前煤岩层初始应力分布如图3 所示。

图3 初始地应力分布云图Fig.3 Distribution cloud of initial geostress

3.2 顺层钻孔模拟结果分析

通过模拟顺层钻孔扩孔过程，得到钻孔直径为100 mm 和扩孔到500 mm 的应力分布云图，如图4所示。

从图4 可知，垂直应力分布云图呈现蝶形对称分布，应力分布区域可分为两类，即应力集中区域和应力降低区域。由于钻孔开挖以后，钻孔周围卸压，出现应力降低区域，而由于上覆煤岩体产生的地应力集中在钻孔水平两侧，造成钻孔水平两侧出现应力集中区域。在钻孔直径为100 mm 时，应力卸压影响范围较小，应力集中区域距离钻孔两侧较近；当扩孔直径达到500 mm 时，应力卸压区域明显扩大，应力集中区域向两侧移动。

为了更加直观的体现顺层钻孔两侧的应力分布，通过FLAC3D 模型中内置测点监测命令，因为应力分布呈现对称分布，因此调取了在钻孔圆心左侧水平线和圆心垂直线上半部的测点的垂直应力数据，绘制了钻孔左侧垂直应力分布曲线和钻孔上部的垂直应力曲线，如图5 所示。

图5 顺层钻孔左侧煤体垂直应力曲线Fig.5 Vertical stress curve of coal body on the left side of bedding borehole

由图5（a） 可知，由于钻孔周围煤体原有应力平衡被打破，煤体原有结构受到破坏，且钻孔左右两侧存在侧应力，因此在钻孔左右两侧出现一定区域的应力降低区域，而由于存在地应力作用，应力集中区域作用在应力降低区域外侧。从图中数据分析可知，在钻孔直径为100 mm 时，应力卸压区域出现在距离圆心左侧0.15 m 内，应力最大集中点在距离钻孔圆心左侧0.15 m 处，在钻孔圆心左侧0.15～3.8 m 的煤体，由于受地应力影响，应力出现逐步升高状态，最大应力集中系数为1.36。当钻孔扩大直径到500 mm 时，钻孔中心左侧卸压范围增大到1.2 m，应力集中点也增大到钻孔中心左侧的1.2 m 处，最大应力集中系数为1.48。因此，钻孔扩孔后，卸压范围增大2.4 倍，应力集中系数增大1.08 倍。

由图5（b） 可知，在钻孔垂直方向上，钻孔顶部出现卸压状态，当钻孔直径为100 mm 时，最小垂直应力为7.52 MPa，最大卸压范围为0.8 m；当钻孔扩孔直径为500 mm 时，最小垂直应力为0.4 MPa，最大卸压范围为2.4 m，相比较于未扩孔之前的煤体应力，卸压范围增加3 倍，钻孔上部局部区域完全卸压。

水平应力卸压说明钻孔周围煤体裂隙发育，利于瓦斯抽采，因此，调取了模型的水平应力俯视剖面图，如图6 所示。根据图6 可看出，钻孔周围煤体应力随着钻孔开挖，钻孔左右两侧开始卸压，在钻孔扩孔之后，钻孔周围煤体卸压范围明显增大。为了更加清晰的显示钻孔周围煤体卸压范围，调取了水平方向钻孔左侧部分的水平应力数据，并绘制了图7。

图6 顺层钻孔周围煤体水平应力俯视剖面图Fig.6 Horizontal stress overlooking profile of coal around bedding borehole

图7 顺层钻孔左侧煤体水平应力曲线Fig.7 Horizontal stress curve of coal body on the left side of bedding borehole

根据图7 可知，在水平方向钻孔直径为100 mm 时的卸压范围为4.2～5 m，卸压半径为0.8 m；通过扩孔直径为500 mm 后，卸压范围增加到1～5 m，卸压半径为4 m。在钻孔直径扩大后，卸压范围增大了80%，水平方向卸压范围增大，钻孔周围裂隙发育，提升了瓦斯抽采能力。

通过数据分析可知，在钻孔扩孔之后，根据钻孔左侧煤体的垂直应力分布数据显示，水平方向上卸压范围增大2.4 倍，垂直方向上卸压范围增大3倍；在钻孔左侧水平应力分布显示，扩孔之后，卸压半径从0.8 m 增加到4 m，卸压半径增大5 倍。说明扩孔之后，钻孔周围煤体卸压良好，通过对钻孔负压瓦斯抽采，使得瓦斯在钻孔附近的被破坏煤体区域产生的裂隙中更好的流动，提高了瓦斯抽采率。

3.3 穿层钻孔模拟结果分析

通过模拟穿层钻孔扩孔过程，得到钻孔直径为100 mm 和扩孔到500 mm 的应力剖面分布云图，如图8 所示。穿层钻孔开挖后，在孔壁周围形成卸压区域，且卸压区域呈现对称分布，为了更加直观的表现卸压范围，在模型中部设置了1 条水平测线，用于监测水平应力，由于应力基本呈现对称分布，因此水平测线只调取了钻孔左半部分的应力数据，依据数据绘制了图9 的应力分布曲线。

图8 穿层钻孔煤体水平应力分布剖面云图Fig.8 Horizontal stress distribution profile of coal body in cross-layer borehole

图9 穿层钻孔左侧煤体水平应力曲线Fig.9 Horizontal stress curve of coal body on the left side of cross-layer drilling hole

由图9 可知，煤层穿层钻孔开挖后，钻孔周围煤体原有应力平衡被打破，煤体结构受到破坏，钻孔周围煤体逐渐卸压，随着钻孔直径的扩大，钻孔周围煤体的卸压范围也在不断增大。当钻孔直径为100 mm 时，钻孔中心左侧0.6 m 范围内出现卸压状态，最小水平压力为3.33 MPa，相对于原岩水平应力，应力系数为0.16；当钻孔直径扩大到500 mm 时，钻孔周围煤体卸压范围扩大到距离钻孔中心左侧3.8 m 处，最小水平应力为0.64 MPa，相对于原岩水平应力，应力系数为0.03。在钻孔直径扩大后，钻孔周围卸压范围由0.6 m 扩大到3.8 m，增大了6.3 倍，最小水平应力由3.33 MPa 降低到0.64 MPa，降低了80%。

综上所述，穿层钻孔扩孔后，卸压范围增大，卸压状态好，钻孔周围煤体受到破坏，在卸压过程中产生大量裂隙，使得瓦斯流动通道被打开，提升了瓦斯抽采效果，增大了瓦斯抽采影响范围。

4 结语

以新景矿井下钻孔为研究对象，通过FLAC3D数值模拟软件，对煤层顺层钻孔和穿层钻孔扩孔过程进行了数值模拟，数值模拟结果表明，在顺层钻孔扩孔施工后，在钻孔左侧卸压范围相对较小，钻孔上部卸压范围较大，扩孔后卸压范围几乎可以扩展到煤层顶板；在钻孔左侧，扩大钻孔孔径之后，卸压半径为2.8 m，裂隙更为发育，可有效提升钻孔瓦斯抽采效率；穿层钻孔扩孔施工后，钻孔周围煤体卸压半径为3.8 m，说明钻孔周围煤体裂隙发育，扩孔之后有效的提升了钻孔瓦斯抽采效果。