地面抽采钻井挤压变形破坏模型

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:Asagoodmethodtofatherthehighmethaneontheworkfaceandinthegoafthesurfaceboreholedrawingcoalstratamethaneisspreading.Buttheexcavationeffectstheoverlyingrockstratagreatlyandwhentheexcavationfacepassthroughthesurfaceboreholepositionthesurfaceboreholefracturefast.Thisproblemisseriouslyrelatedtotheunformedsqueezeeffect.Soasqueezingdeformationfracturemodelbasedontherockstratasqueezingeffectwassetup.Inthesametime,a3DECsimulationmodelwasgiventocertificatethetheorymodel.Theresultsuggeststhemodelwasreliableandhasgoodengineeringapplicationvalue.Keywords:methanedrawing;surfaceborehole;squeezeeffect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Fig.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：])()[(2)(2222222)()(30)(30YYYYYYrlrxYrrxYYrrxYYelrxerxyrwerxyrw（有限开采）（半无限开采）(1)其中，0w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；Yr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，l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，岩层变形分布曲线关于岩梁中点呈对称分布状态，在由中点向梁固定端约Yr4.0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：prdlu（2）其中，u为套管径向挤压位移；pr为套管直径；为等效岩梁的变形函数。因此，地面钻井套管因岩层变形产生的挤压位移为21222])(cos)([zuxuurrr(3)其中，ru为套管径向挤压和位移；)(xur、)(zur为煤层倾向和煤层走向岩层变形产生的地面钻井套管径向挤压位移，由（1）、（2）式确定；cos为采场上覆岩层),(zx点处倾向方向岩梁发生挤压后相对初始位置的倾角余弦值,'222)(1111cosxwtg；')(xw可由参考文献4沉陷公式求导获得。套管在外力作用下一方面会达到强度条件，发生屈服破坏；另一方面会达到刚度临界条件，发生变失稳破坏，无法满足工程的需要。而除少数小直径和厚壁的套管外，多数套管主要是变形失稳破坏。套管受挤压荷载下的变形如图3和图4所示。鉴于地下工程领域柔性防护的理念，套管的刚度的适当减小，可以在一定程度上减缓岩层的径向挤压变形，而当刚度太小时，套管变形过大，其无法满足抽采瓦斯的需要，因此对于套管的刚度应该根据工程需要有严格的限制。因此，可以假设套管在非均布荷载的作用下变形为一椭圆形，设c为椭圆内径短边的长度、pr为变形前套管的内径，则临界刚度条件可以表示为[5-7]3][maxprpPrurcr（4）式中，Pr为变形前套管的内径；c为变形后椭圆内径短边的长度，其值由套管所受的非均布荷载决定，此处可用套管最大径向位移值表示为maxrPurc；maxru为套管最大径向位移值；][最大允许径向变形率，]][],min[[][工程套管。1－原始截面；2－交替平衡位置；3－继续变形后期压曲特性；图3套管在非均布荷载作用下的示意图图4套管受荷载前后的变形图Fig3Wellinun-uniformloadFig4Deformationsketchmapofwellbeforandafterload将（3）式代入（4）式即得地面钻井挤压变形破坏模型函数。由此可知，地面钻井套管径向挤压位移关于等效岩梁的中点呈对称分布，岩梁中点处于局部极小值点，由岩梁中点向两端径向挤压位移逐渐增大，在沉降曲线拐点偏向岩梁中点附近达到最大值，之后逐渐降低，在岩梁端点处降低到零，分布规律如图5所示。同时，受岩梁结构的影响，岩梁中性面上部分为压缩变形，下部分为拉伸变形，套管同时承受岩梁不同部位拉压作用的影响。图5充分采动时地面钻井套管挤压位移（变形）分布规律Fig5Horizontaldistributionruleofsurfaceboreholewellextrusiondeformationinfullsubsidence2数值模拟分析为了获得地面抽采钻井变形破坏的直观规律，并对前述模型进行验证，通过３DEC数值模拟软件构建了地面抽采钻井变形破坏的三维模型，通过此模型对地面抽采钻井破坏模型进行验证分析。根据模拟需要，构建了厚表土层下的等厚覆岩结构，并根据工程地质经验估算了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的发育高度，用来对地面钻井变形破坏的基本规律进行模拟分析。为了减小模型的尺度影响，模型以360m×300m×400m的空间长方体为基础构建。数值模拟3D模型如图6所示。4图6数值模拟三维模型图7回采煤层分步开挖分布图图8地面钻井位置布置示意图Fig.6Simulation3DmodelFig.7coalstratediggingstepmapFig.8Placeofthesurfaceborhole为了如实反映地面钻井变形破坏过程中岩层位移、应力及套管状态的变化规律，本模型选取Mohr-Coulomb模型作为覆岩和煤体的本构模型，各力学参数如表1所示。模型中所有节理材料采用面接触的Coulomb滑动模型，各力学参数如表2所示。套管根据工程实践中的需要选取，本模型选取热轧无缝钢管（GB8163-87）作为瓦斯抽采套管，各力学参数如表3所示。表1各岩层的物理力学特性参数Table1Rockphysicalmechanicsparameters项目岩层体积模量K/GPa剪切模量G/GPa内摩擦角φ/°内聚力c/MPa抗拉强度σt/MPa密度ρ/kg/m3松散层0.50.315102000基岩层74402052500煤层31.5301531300煤层底板1585040102500表2各岩层界面的物理力学特性参数Table2Rockstratajointphysicalmechanicsparameters项目节理法向刚度Kn/MPa切向刚度Ks/MPa摩擦角φ/°内聚力c/MPa抗拉强度σt/MPa底板/煤层间水平节理300100300.10煤层/顶板间节理100502000基岩岩层间水平节理250603000基岩/松散层水平节理50202000基岩裂隙区垂直节理200603000钻井壁与岩体间界面250703000表3钻井套管的物理力学参数Table3Surfaceboreholewellphysicalmechanicsparameters项目套管弹性模量E/GPa波松比抗拉强度σt/MPa密度ρ/kg/m3壁厚m内直径m热轧无缝钢管型1500.210057000.0080.3本数值模拟采用分步开挖的方式，已有采空区采取一次性开挖方式来模拟已经存在的覆岩移动和地表沉陷；沿煤层走向方向（z方向）采取每次开挖10m、共计11步的开挖方式来模拟回采工作面在11天内的推进情况，顶板采用垮落法进行管理。回采煤层采空区及开挖分步的布置如图7所示。为了获得地面钻井的变形沿采区倾向的空间分布情况，将钻孔布置在走向方向z=165m，倾向方向分别位于x=35m、65m、95m、125m、155m、180m、205m、235m、265m、295m、325m处的方案分别定为方案1～11，进行对比分析，钻孔布置分布如图8所示。对模型中地面钻井布置1-11方案分别进行数值模拟，并对y=140m、180m两个平面上钻井受岩层挤压的和位移值进行分析可得，在走向z=165m处的倾向线上，地面钻井位移分步规律如图9所示。00.0020.0040.0060.0080.010.012356596125155180205235265295325y=140m,测点水平坐标/m位移/m00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008356596125155180205235265295325y=180m,测点水平坐标/m位移/m5图9地面钻井挤压位移沿倾向方向分布规律Fig.9Surfaceboreholewellcompressiondisplacementruleinthedistrictdipdirection由上图可知，数值模拟结果与理论推导获得的地面钻井变形在倾向上的分布规律基本上是一致的：位移分布呈中部极小，向两端逐渐增高，在回采工作面和开切眼附近达到最大值，然后逐渐减小，由此可以证明，理论模型及其获得空间分布规律是正确的。3结论（1）地面钻井套管挤压位移可由采场上方覆岩走向和倾向方向位移