地面抽采钻井挤压变形破坏模型

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1、瓦斯抽采钻井挤压变形破坏分析肖存明1，李嘉豪2（1.江西萍乡巨源煤矿，江西萍乡3370001；2.江西工业工程职业技术学院，江西萍乡337055）摘要：作为一种有效解决回采工作面和采空区瓦斯超限难题的瓦斯治理方式，地面瓦斯抽采正在全国各大矿区逐步推广。但受煤层回采的影响，当回采工作面推过地面钻井位置后钻井套管迅速发生破坏，无法充分发挥其抽采采空区瓦斯的作用。这与地面抽采钻井套管受到的非均布挤压效应是密不可分的，因此，建立了基于采场上覆岩层挤压变形效应的地面钻井挤压变形破坏模型，以为地面抽采钻井布孔位置的选择和防护提供工程指导，同时，运用

2、3DEC离散元数值模拟程序对模型进行了模拟验证。结果证明，模型描述的规律性是可靠的，具有较强的工程指导意义。关键词：瓦斯抽采；地面钻井；挤压变形ModelonSurfaceboreholesqueezingdeformationfractureXIAOCun-ming1，LIJia-hao2（1.JuyancoalminePingxiang337000；2.JiangxiPolytechnicCollegePingxiang337055)Abstract:Asagoodmethodtofatherthehighmethaneonthew

3、orkfaceandinthegoafthesurfaceboreholedrawingcoalstratamethaneisspreading.Buttheexcavationeffectstheoverlyingrockstratagreatlyandwhentheexcavationfacepassthroughthesurfaceboreholepositionthesurfaceboreholefracturefast.Thisproblemisseriouslyrelatedtotheunformedsqueezeeffec

4、t.Soasqueezingdeformationfracturemodelbasedontherockstratasqueezingeffectwassetup.Inthesametime,a3DECsimulationmodelwasgiventocertificatethetheorymodel.Theresultsuggeststhemodelwasreliableandhasgoodengineeringapplicationvalue.Keywords:methanedrawing;surfaceborehole;squee

5、zeeffect地面钻井抽采采动影响煤层及采空区瓦斯是解决地下煤炭开采过程中高瓦斯问题的一个有效方法，但是采动影响下采场上覆岩层的剧烈调整给地面钻井套管的稳定带来了巨大的威胁，当回采工作面推过地面钻井位置后，钻井套管往往迅速发生破坏，严重影响了地面钻井的使用寿命。而国内外对此方面的研究还不多，因此，本文将从岩层沉降的非均布挤压对地面钻井套管的破坏效应方面分析地面钻井套管的破坏模式，以期为地面钻井工程提供工程技术指导［1、2］。1挤压变形破坏模型的建立受地质构造影响，煤系岩层一般为层叠板状结构，在煤层倾向上，煤层倾向开采长度一般远远大于岩

6、层的厚度，因而，在走向方向上任取一小段可以选用等效岩梁模型对岩层倾向方向的变形特性进行分析。同样，在煤层走向上，从回采工作面到下沉盆地的边缘距离一般远远大于岩层的厚度，因而，在倾向方向上任取一小段可以选用等效岩梁模型对岩层走向方向的变形特性进行分析，如图1所示。因此，采场上覆岩层的移动可以转变为采场倾向和采场走向的等效岩梁结构进行分析，如图2所示。由于地表沉陷、岩层移动是一个随着回采工作面推进而逐渐变化的动态过程，复合岩梁的荷载也是一个由相对均匀逐渐转变为非均匀分布状态的过程［3］。图1上覆岩层移动的等效岩梁模型示意图图2等效岩梁模型F

7、ig.1SketchmaponequivalentrockbeamofoverlyingstrataFig.2Equivalentrockbeammodel由概率积分法和承受复杂非线性荷载的岩梁变形分析可知[4、5]，等效岩梁岩层挤压位移函数的方程为：(1)其中，为等效岩梁所在位置的最大沉降位移，其与岩层性质、回采工艺等有关；岩梁所在平面的采动影响半径，取岩层上表面的埋深为基准埋深，x为目标点距离倾向方向采动影响边界的距离，为有效开采宽度。将（1）式中的x坐标变换为z坐标，则可得走向方向岩梁挤压位移函数。由（1）式可知，岩层变形分布曲线

8、关于岩梁中点呈对称分布状态，在由中点向梁固定端约附近变形达到最大值。由（1）式，因岩层变形产生的地面钻井径向挤压位移为：（2）其中，为套管径向挤压位移；为套管直径；为等效岩梁的变形函数。因此，地面钻井套管因