地面钻井剪切变形破坏的时空规律分析

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1、2011年l2月矿业安全与环保第38卷第6期地面钻井剪切变形破坏的时空规律分析林府进(1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2．中煤科工集团重庆研究院瓦斯防灭火研究分院，重庆400037)摘要：为有效预防地面瓦斯抽采钻井的剪切变形破坏，建立了基于采场上覆岩层层面剪切滑移效应的采场任意点地面钻井剪切变形破坏模型，并对套管变形随回采工作面推进的空间分布和时间变化规律进行了分析，同时运用3DEC数值模拟软件对模型进行模拟分析并与现场工程实例进行了对比验证。指出地面抽采钻井应优先布置在采场中部区域以减小剪切变形，模型描述的规律对地面钻井的施工布井和钻井防护具有较强的工程指导意义

2、。关键词：地面钻井；瓦斯抽采；剪切滑移；时空规律中图分类号：TD265；TD712文献标志码：A文章编号：1008—4495(2011)06—0001—05利用地面钻井抽采煤矿瓦斯时，随着回采工作向的变形和受力特性进行分析，如图1所示。面的推进，采场上覆岩层会发生剧烈的移动，当工作面推过地面钻井位置后钻井迅速发生切孔破坏，使钻井无法再继续抽采采空区瓦斯。而且，随着煤层回采工作面的推进，采场空间不同位置的钻井，其变形量是不同的。因此，笔者将概率积分法与复合岩梁理论相结合，构建了采场任意位置地面抽采钻井的剪切滑移破坏模型，并对钻井套管变形随回采工作面推进的空间分布规律和时间变化规律进行了研究，可

3、为地面钻井的布孔及防护提供工程指导1-3]。1地面钻井剪切滑移变形破坏规律图1上覆岩层移动的等效岩梁模型由于沉积岩地质结构的赋存特点，煤系岩层一采场上覆岩层的移动可以转变为采场倾向和采般为层叠板状结构。因此，在煤层倾向上，开采长度场走向的等效复合岩梁的综合作用进行分析，如图2一般远远大于采场覆岩单一岩层的厚度，在走向方所示。由于地表沉陷、岩层移动是一个随着回采工向上任取一微段，可以选用等效岩梁模型对岩层倾作面推进而逐渐变化的动态过程，等效复合岩梁的向方向的变形及受力特性进行分析。同样，在煤层应力也是一个由相对均匀逐渐转变为非均匀分布状走向上，从回采工作面到下沉盆地的边缘距离一般态的过程。远远

4、大于采场覆岩单一岩层的厚度，在倾向方向上任取一微段，可以选用等效岩梁模型对岩层走向方／』?'-gU』．⋯⋯⋯⋯一一收稿日期：2011—05—28；2011—09—26修订l／Z，t基金项目：国家重大基础研究发展计划(973计划)项目(2005CB221504)；国家科技重大专项(2008ZX05041—006)；国家自然科学基金青年基金项目(50904034)图2复合等效岩梁结构模型作者简介：林府进(1974一)，男，贵州盘县人，高级工程师，主要从事煤矿安全技术方面的科研开发工作。E—mail：由文献[4]可知，等效复合岩梁所在平面任意点l0qy@163．com。的沉降函数为·1·2011年

5、12月矿业安全与环保第38卷第6期伽x,z)1()．Y1『lB：ryf。。。。一d(半无限开采)(d(1)，YJZllf。y。y式中：是等效复合岩梁所在平面的最大沉降位【(有限开采)移，其与岩层性质、回采速度等有关；r是等效复合因此，岩层移动的和位移为岩梁所在平面的采动影响半径，取岩层上表面的埋“。=(“2cos0+“)丁(7)深为基准埋深；，：，。，：分别为倾向和走向方向的采动影响区问；S，s：分别为采场倾向和走向方向式中：u和。分别为岩层在倾向和走向方向的层间的沉降拐点偏移距。滑移位移；COS0为采场上覆岩层(，)点处倾向方当P点为位于走向方向(z方向)的某一点时，向复合等效岩梁发生层间

6、滑移后相对初始位置的倾其在倾向方向(方向)的复合等效岩梁的挠曲下沉角余弦值，c。s0l十tanl南+lJ；()可表达式为由文献[7]中地表沉陷公式求导获得。()：A(1)dsx)(2)根据数值模拟和实测的对比结果，可以将套管，YJXl剪切变形假设为“S”形，如图3所示]。式中A为走向方向坐标z处一定值，A：。(广。州d屯)，按下式求解：A：f一(半无限开采)ryJ0ry3(。一)dryJ0ry(有限开采)由概率积分法和承受复杂非线性荷载的复合等效岩梁变形分析可知，此时P点处煤层倾向方图3套管剪切变形的“S”形模型向等效复合岩梁的层间滑移位移(岩层间的相对滑动位移)为)=e丁(X-ry)2(半

7、无限竿，in+y](有限开采)sp叼li=三一j式中：h为等效复合岩梁上覆岩层的厚度；为P点距倾向方向采动影响边界的距离；f为煤层走向方向有效开采进度。：叼f一J]同理，当P点位于倾向方向的某一点时，其在走向方向的复合等效岩梁的层间滑移位移表达式为(Z-ry)2()：—2h,B—。一(半无限开采)ry式中：Q是位移函数的振幅，Q=；口与岩层物5。()：(一。)rY(有限开采)式中B为倾向方向坐标处一定值，B(