滕广平 关燕鹤 张 建

(湖南工学院安全与环境工程学院，湖南 衡阳 421002)



石门揭煤数值模拟及钻孔设计★

滕广平 关燕鹤 张 建

(湖南工学院安全与环境工程学院，湖南 衡阳 421002)

采用UDEC数值模拟方法，分析了石门揭煤过程中垂直应力的变化情况，介绍了石门揭煤瓦斯抽采钻孔设计的理论依据，并建立了卸压钻孔设计计算模型，为钻孔提供了倾角、方位角、长度等参数，简化了钻孔的设计步骤。

石门揭煤，数值模拟，瓦斯，钻孔设计

0 引言

煤与瓦斯突出矿井中，石门揭煤是矿井安全生产的难点和采掘部署的瓶颈工程[1]。近年来，葛兆龙等人提出了石门揭煤“五步法”[2]、渐进式揭煤法[3]、水力压裂法[4]等方法，但各种石门揭煤法都离不开卸压瓦斯钻孔的设计。

本文首先使用UDEC模拟石门揭煤过程中垂直应力的变化，为钻孔设计提供依据，为进一步节约石门揭煤时间[5]，简化钻孔设计，建立了钻孔设计模型。

1 石门揭煤过程数值模拟分析

1.1 模拟参数设置

假设层状岩体是弹塑性材料，各层为均质连续体；开挖的动态过程对最终应力分布没有影响；不考虑构造应力、温度应力以及瓦斯引起的附加应力的影响[6]。考虑到石门结构特点和计算精度的要求，计算取长宽各为200 m以及400 m，断面宽度5 m，倾角13°。其中模型采用的单元数为11 202个。

模型采用Mohr Coulomb弹塑性本构模型和NULL本构模型进行计算，材料性质参数设置见表1。

表1 模型材料性质参数设置

1.2 模拟结果分析

分别对掘进工作面距离煤层法线10 m和5 m两种情况进行应力分布的数值模拟。在模拟过程中设置了8条观测线，分别设置在巷道的顶板、底板以及轮廓线外3 m，5 m，8 m的水平线上，在每条观测线上每隔1 m设置一个观测点，然后在工作面掘进过程中分别对8条观测线进行数据采集，绘制出距煤层不同法距时的垂直应力分布曲线图，如图1所示。

通过对上述模拟结果进行分析，得出石门工作面应力分布规律如下：

1)从图1可以明显的看出，掘进工作面附近出现“三区”分布规律，即卸压区、集中应力区和原始应力区。

2)卸压区和集中应力区随着掘进向前方推进一段距离，集中应力峰值也向前推进，所以对于掘进工作面前方的煤岩体来讲，均有一个从原始应力状态上升为集中应力状态的过程。

3)根据图1得知，集中应力区主要出现在工作面前方2 m～15 m的范围内，为接下来的石门揭煤排放孔设计的前方控制范围提供了理论依据。

4)从模拟观测线数据可知，集中应力区主要作用在巷道轮廓线外8 m的范围内，为下面设计排放孔的上、下、左、右控制范围奠定了设计基础。

2 石门揭煤瓦斯抽采钻孔设计

2.1 设计依据

瓦斯排放钻孔措施的要求是：

1)在煤层透气性较好并有足够的排放时间时，可采用钻孔排放措施；

2)排放钻孔应布置到石门周界外3 m～5 m的煤层内；

3)排放钻孔的直径为75 mm～100 mm，钻孔间距根据实测的有效排放半径而定，一般孔底间距不大于2 m。原来在计算石门揭煤钻孔位置时，是通过地质部门提供的预钻孔参数，建立理想的、便于计算的模型，从而算出煤层参数和各抽排钻孔的参数。但此计算由人工完成很繁杂，计算精度低，往往要把煤层和巷道当作直交的状况来考虑，造成的误差较大。具体是先按国家制订的细则和规程确定煤层打孔的边界，再按照3 m间距打孔，这样打出的孔在煤层上的分布为网格式。

2.2 计算模型的建立

石门揭煤计算模型的建立主要是根据煤层和石门的法距、煤层倾角以及煤层厚度等参数，建立以钻孔、煤层、石门三者为研究对象的三维坐标，再将各个钻孔根据三维坐标下的2个二维投影面建立二维坐标系，对每一钻孔的倾角、方位角、见煤长度以及终孔长度进行算法设计，然后根据数学归纳法将各个钻孔导出公式进行进一步总结归纳，最后形成三维坐标下的钻孔倾角和方位角以及见煤长度、终孔长度的统一计算公式。这个部分主要对顶板石门揭煤的计算公式做了详细的计算分析，通过对顶板石门揭煤的计算模型来推导出钻孔设计的计算公式，而底板石门揭煤的计算模型设计大致与顶板石门揭煤相似，具体导出公式的原理也是一致的。因此，下面对顶板石门揭煤中钻孔倾角、方位角、见煤长度以及终孔长度的计算公式导出做了进一步的细化分析。

根据图2所示钻孔和煤层的几何关系，再利用三角函数以及数学归纳法，将钻孔的倾角公式总结如下：

(1)

式中：γr2——排放孔倾角，(°)，下标r2为排放钻孔排数，是个变量，取值范围1≤r2≤n0；仰角为+，俯角为-；

a——距煤层法距，m；

α——煤层倾角，(°)；

c——巷道高度，m；

f——断面拱高，m；

x——排放孔排放行间距，m(以煤层中厚面为准)；

K1——排放钻孔上、下控制范围，m(此次设计取上、下控制范围相等)。

然后根据钻孔、煤层、巷道在平面图上的投影，找到三者之间的几何关系，利用三角函数将每个倾角下的钻孔方位角用几何公式表达出来，形成所有钻孔方位角参数的矩阵块，最后利用数学归纳法将不同倾角下的各个方位角进行统一归纳，结合式(1)中

所得到的钻孔中位线的计算公式，最终将所有钻孔的方位角计算公式导出。钻孔的方位角公式总结如下：

(2)

在总结了钻孔倾角和方位角公式的基础上，对钻孔的见煤长度以及终孔长度的计算公式做了进一步推导和归纳，总结公式如下：

(3)

(4)

式中：lr2——见煤长度，m；Lr2——终孔长度，m；e——煤层厚度，m。

3 结语

1)通过UDEC数值模拟，分析出石门揭煤工作面集中应力区主要出现在工作面前方2 m～15 m和巷道轮廓线外8 m的范围内，为卸压瓦斯钻孔的设计提供理论依据。

2)建立了钻孔设计计算模型，结合UDEC数值模拟，为石门揭煤瓦斯卸压钻孔提供数量、倾角、方位角、长度等参数。

[1] 程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009，26(2):127-139.

[2] 葛兆龙,陈久福,杨晓峰,等.“五步法”渐进式快速石门揭煤新技术原理及应用研究[J].矿业安全与环保，2011,38(4)：24-28.

[3] 赖仰林.化乐煤矿突出煤层渐进式快速石门揭煤技术研究[D].北京：中国矿业大学，2014.

[4] 华敬涛.预留变形量水力压裂石门快速揭煤技术[D].焦作：河南理工大学，2011.

[5] 李振璧,陈 涛,范辰东,等.石门揭煤瓦斯抽放钻孔设计方法的改进[J].中国矿山工程,2005,34(4):31-33.

[6] 尚正杰,程远平,刘海波,等.下保护层开采上覆煤岩体变化的数值模拟[J].煤矿安全，2010(425):5-9.

Numerical simulation and borehole design of cross-cut uncovering coal★

Teng Guangping Guan Yanhe Zhang Jian

(CollegeofSafety&EnvironmentEngineering,HunanCollegeofIndustry,Hengyang421002,China)

Applying UDEC numerical simulation method, the paper analyzes vertical stress change conditions in cross-cut uncovering coal process, introduces theoretical basis of cross-cut uncovering coal gas drainage borehole design, and establishes unloading borehole design computation model. As a result, it not only provides inclination angle, azimuth and length and other parameters for borehole, but also simplifies borehole design steps.

cross-cut uncovering coal, numerical simulation, gas, borehole design

1009-6825(2016)18-0054-02

2016-04-19★：湖南工学院科研启动基金资助(项目编号：HQ14015)

滕广平(1989- )，男，助教； 关燕鹤(1988- )，女，助教； 张 建(1988- )，男，助教

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