瓦斯抽采钻孔封堵的机理研究

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1、瓦斯抽采钻孔封堵的机理研究摘耍：目前的理论研究和工程实践表明，瓦斯抽采钻孔密封的难度在于钻孔周围裂隙的密封，因此本文对瓦斯抽釆钻孔的围岩应力分布、裂隙生成规律进行分析和理论探究，进而对影响围岩裂隙面积的各因索进行研究，推导分析了钻孔周边裂隙的注浆密封机理，为封堵瓦斯抽采钻孔周围裂隙提供了相应的理论基础，对瓦斯抽采钻孔封孔工艺的选择与优化具有一定的指导意义。关键词：钻孔应力裂隙分析围岩位移理论推导-I1刖S瓦斯灾害每年都造成巨大的人员伤亡和财产损失，预防和治理瓦斯灾害迫在眉睫.瓦斯抽放已经成为治理瓦斯灾害

2、的一种主要技术措施。本文针对乩斯抽采钻孔封孔的机理进行了理论的分析和计算，从理论方面得岀了影响封孔质量主要因素，对封孔技术的改进以及参数的优化有一定的指导意义。2钻孔周围应力位移的计算分析2.1.1力学模型的建立首先对抽采钻孔周围的应力分布建立相应的数学模型。由于井下的岩体大都属于非匀质和各向异性的复杂介质，而H前对岩石及岩体的力学性质，及原岩应力场的特征还没有完全掌握，无法用数学及力学的方法准确的求解出钻孔周I韦I岩体内各点的应力分布状态。故而，我们作了必要的简化假设。此外，乂由于井下岩体是无限或半无

3、限体，可将应力场看作是在无限远处的均布载荷作用下形成的。又由于地下的围岩应力状态接近于平面应变状态，故可将均质连续无限或半无限弹性休中钻孔周围的应力分布问题简化成平面应变的圆孔问题作进一步的分析和讨论。2.1・2平衡方程2.1.3围岩屈服条件塑性区内岩体除需满足平衡方程外，尚需满足塑性条件。根据莫尔强度理论，当强度曲线与莫尔圆相切时，岩体进入塑性状态，故塑性条件就是莫尔强度理论屮的强度条件，因此，冇2.1.4塑性区应力分析可见，槊性区应力的大小只与围岩本身的力学性质及其距离钻孔屮心的距离和钻孔半径有关，

4、而与原岩应力无关。式(2-4)适用于。2・2钻孔周围裂隙分析2.2.1塑性区半径为简化相关方程的计算，继续假设钻孔I韦I岩处于双向等压状态，将问题转化为轴对称的水平应变圆孔围岩受力状况。2.2.2破碎区半径利用塑性区的切向应力小于或等于原始煤岩应力pO()的条件，可得到破碎区的半径RS,即2.2.3钻孔围岩位移1•钻孔围岩弹性位移上式包括了钻孔施工前围岩在原岩应力作用下产生的径向位移，我们要研究钻孔施工后次生应力対钻孔I韦I岩的影响，所以将扌II除：可求得原岩应力引起的位移为2.塑性区位移钻孔施工后若有

5、塑性区存在，塑性区半径R0即为弹性区内径a。由弹性区边界弹性位移公式(2-12)带入式(2-8),得3.钻孔围岩位移假设塑性区位移前和位移后体积不变，为弹性界面的位移，为钻孔周边的位移，则:2.2.4I韦I岩应力的变化规律及其分布状态(1)破碎区(I区域)：该区内岩体已经被裂隙切割，越靠近钻孔周围就越严重，岩体强度明显降低。因区域内岩体应力低于原岩应力，故也称应力降低区。其物理现象是，凝聚力趋于零，内摩擦角有所降低，但岩体尚基本完整，未发生冒落。(2)塑性区(II区域人区内岩体呈现塑性状态，但具有一定的

6、承载能力，岩体处于塑性强化状态。该区域内受较大应力作用，岩体发牛塑性形变，产生一定量裂隙。(3)弹性区(III区域人区内岩体在次生应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力均超过原岩应力。(4)原始应力区(IV区域人未受钻孔影响，岩体仍处于原始应力状TqSo2.3钻孔周围裂隙圈影响因素分析山于钻孔周围的裂隙主要集中在破碎区及塑性区，故収塑性区半径作为裂隙圈的半径，根据式(2-10),得到钻孔周围裂隙圈面积：(2-16)根据公式(2-11),取瓦斯抽采钻孔0.05m,地应力12MPa,钻孔内封孔材料支护阻力

7、0~l・5MPa,粘聚力1.5~3・5MPa,内磨擦角20~60。,可由此绘岀裂隙圈面积与支护阻力q、粘聚力C、内摩擦角Z间的关系。3、结论裂隙圈面积与岩石原始应力成正变关系，裂隙圈面积越人，封孔越困难；裂隙圈面积与反映强度性质的粘聚力C、内摩擦角成反变关系，即煤岩层强度越低封孔越困难；裂隙圈面积与钻孔内部支护阻力q成反变关系，即提高钻孔内部支护强度可提高封孔质量。在现场钻孔过程中，原岩应力无法改变，但通过提高煤层强度钻孔支护强度的方法来提高封孔质量还是切实可行的参考文献：[1]张铁岗•矿井瓦斯综合治理

8、技术[M]・北京：煤炭工业出版社,2001・[2]BiblerCJ,Marshal1JS,PilcherRC・Statusofworldwidecoalminemethaneemissionsanduse[J]・IntetnationdlJournalofCoalGeology,199&35:283-310.