地面鉆井剪切變形破壞的時(shí)空規(guī)律分析.pdf

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1、2011年l2月礦業(yè)安全與環(huán)保第38卷第6期地面鉆井剪切變形破壞的時(shí)空規(guī)律分析林府進(jìn)(1．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2．中煤科工集團(tuán)重慶研究院瓦斯防滅火研究分院，重慶400037)摘要：為有效預(yù)防地面瓦斯抽采鉆井的剪切變形破壞，建立了基于采場(chǎng)上覆巖層層面剪切滑移效應(yīng)的采場(chǎng)任意點(diǎn)地面鉆井剪切變形破壞模型，并對(duì)套管變形隨回采工作面推進(jìn)的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行了分析，同時(shí)運(yùn)用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬分析并與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。指出地面抽采鉆井應(yīng)優(yōu)先布置在采場(chǎng)中部區(qū)域以減小剪切變形，模型描述

2、的規(guī)律對(duì)地面鉆井的施工布井和鉆井防護(hù)具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：地面鉆井；瓦斯抽采；剪切滑移；時(shí)空規(guī)律中圖分類號(hào)：TD265；TD712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008—4495(2011)06—0001—05利用地面鉆井抽采煤礦瓦斯時(shí)，隨著回采工作向的變形和受力特性進(jìn)行分析，如圖1所示。面的推進(jìn)，采場(chǎng)上覆巖層會(huì)發(fā)生劇烈的移動(dòng)，當(dāng)工作面推過(guò)地面鉆井位置后鉆井迅速發(fā)生切孔破壞，使鉆井無(wú)法再繼續(xù)抽采采空區(qū)瓦斯。而且，隨著煤層回采工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)空間不同位置的鉆井，其變形量是不同的。因此，筆者將概率積分法與復(fù)合巖梁理論相結(jié)合，構(gòu)建了采

3、場(chǎng)任意位置地面抽采鉆井的剪切滑移破壞模型，并對(duì)鉆井套管變形隨回采工作面推進(jìn)的空間分布規(guī)律和時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行了研究，可為地面鉆井的布孔及防護(hù)提供工程指導(dǎo)1-3]。1地面鉆井剪切滑移變形破壞規(guī)律圖1上覆巖層移動(dòng)的等效巖梁模型由于沉積巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)的賦存特點(diǎn)，煤系巖層一采場(chǎng)上覆巖層的移動(dòng)可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴蓤?chǎng)傾向和采般為層疊板狀結(jié)構(gòu)。因此，在煤層傾向上，開采長(zhǎng)度場(chǎng)走向的等效復(fù)合巖梁的綜合作用進(jìn)行分析，如圖2一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采場(chǎng)覆巖單一巖層的厚度，在走向方所示。由于地表沉陷、巖層移動(dòng)是一個(gè)隨著回采工向上任取一微段，可以選用等效巖梁模型對(duì)巖層傾作面推進(jìn)而逐漸變

4、化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，等效復(fù)合巖梁的向方向的變形及受力特性進(jìn)行分析。同樣，在煤層應(yīng)力也是一個(gè)由相對(duì)均勻逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鶆蚍植紶钭呦蛏?，從回采工作面到下沉盆地的邊緣距離一般態(tài)的過(guò)程。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采場(chǎng)覆巖單一巖層的厚度，在傾向方向上任取一微段，可以選用等效巖梁模型對(duì)巖層走向方／』?'-gU』．????一一收稿日期：2011—05—28；2011—09—26修訂l／Z，t基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2005CB221504)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2008ZX05041—006)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(50904034)圖2

5、復(fù)合等效巖梁結(jié)構(gòu)模型作者簡(jiǎn)介：林府進(jìn)(1974一)，男，貴州盤縣人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦安全技術(shù)方面的科研開發(fā)工作。E—mail：由文獻(xiàn)[4]可知，等效復(fù)合巖梁所在平面任意點(diǎn)l0qy@163．com。的沉降函數(shù)為·1·2011年12月礦業(yè)安全與環(huán)保第38卷第6期伽x,z)1()．Y1『lB：ryf。。。。一d(半無(wú)限開采)(d(1)，YJZllf。y。y式中：是等效復(fù)合巖梁所在平面的最大沉降位【(有限開采)移，其與巖層性質(zhì)、回采速度等有關(guān)；r是等效復(fù)合因此，巖層移動(dòng)的和位移為巖梁所在平面的采動(dòng)影響半徑，取巖層上表面的埋“。=(“2

6、cos0+“)丁(7)深為基準(zhǔn)埋深；，：，。，：分別為傾向和走向方向的采動(dòng)影響區(qū)問(wèn)；S，s：分別為采場(chǎng)傾向和走向方向式中：u和。分別為巖層在傾向和走向方向的層間的沉降拐點(diǎn)偏移距?；莆灰?；COS0為采場(chǎng)上覆巖層(，)點(diǎn)處傾向方當(dāng)P點(diǎn)為位于走向方向(z方向)的某一點(diǎn)時(shí)，向復(fù)合等效巖梁發(fā)生層間滑移后相對(duì)初始位置的傾其在傾向方向(方向)的復(fù)合等效巖梁的撓曲下沉角余弦值，c。s0l十tanl南+lJ；()可表達(dá)式為由文獻(xiàn)[7]中地表沉陷公式求導(dǎo)獲得。()：A(1)dsx)(2)根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果，可以將套管，YJXl剪切變形假設(shè)為“

7、S”形，如圖3所示]。式中A為走向方向坐標(biāo)z處一定值，A：。(廣。州d屯)，按下式求解：A：f一(半無(wú)限開采)ryJ0ry3(。一)dryJ0ry(有限開采)由概率積分法和承受復(fù)雜非線性荷載的復(fù)合等效巖梁變形分析可知，此時(shí)P點(diǎn)處煤層傾向方圖3套管剪切變形的“S”形模型向等效復(fù)合巖梁的層間滑移位移(巖層間的相對(duì)滑動(dòng)位移)為)=e丁(X-ry)2(半無(wú)限竿，in+y](有限開采)sp叼li=三一j式中：h為等效復(fù)合巖梁上覆巖層的厚度；為P點(diǎn)距傾向方向采動(dòng)影響邊界的距離；f為煤層走向方向有效開采進(jìn)度。：叼f一J]同理，當(dāng)P點(diǎn)位于傾向方向的某

8、一點(diǎn)時(shí)，其在走向方向的復(fù)合等效巖梁的層間滑移位移表達(dá)式為(Z-ry)2()：—2h,B—。一(半無(wú)限開采)ry式中：Q是位移函數(shù)的振幅，Q=；口與巖層物5。()：(一。)rY(有限開采)式中B為傾向方向坐標(biāo)處一定值，B(