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突出煤层钻孔变形机理数值模拟实验研究

李坤  
【摘要】:煤与瓦斯突出已成为煤矿安全生产亟待解决的问题,煤层瓦斯抽放是防治煤与瓦斯突出的重要解决措施,但是在突出煤层中实施顺煤层瓦斯抽放钻孔,由于突出煤层的特殊物理力学性质,容易导致钻孔钻进不深,钻孔喷孔、塌孔、抱(夹)钻等现象,严重影响着煤矿的安全生产。因此研究突出煤层中钻孔变形机理,寻找导致钻孔变形的原因,从而消除或减小这种原因对钻孔变形的影响,使钻孔顺利钻进和成孔是非常必要的,而且对煤矿安全生产具有现实意义。 论文根据突出煤层软弱的性质,确定了突出煤层的软化力学模型,并且依据突出煤体的变形方程和瓦斯流体的渗流方程,研究分析了煤体和瓦斯流体相互的影响关系,最终构成了固-流耦合问题的数学模型;然后论文采用FLAC/FLAC3D模拟软件对这个数学模型求解,就可得到煤体应力场、煤体变形场以及瓦斯渗流场的分布规律,近而可以对钻孔变形机理分析研究。模拟结果表明:钻孔的钻进应力集中区域始终出现在钻孔的前端,而且随着钻孔钻进深度的增加钻孔孔壁的应力也出现局部应力集中,钻孔钻进的深度越大局部的应力集中区域也逐渐的增大,同时向钻孔钻进方向移动;钻孔的应力的集中变化造成孔壁周围煤体裂隙增加,破裂碎胀,最终导致钻孔位移的变化,而且随着钻孔钻进深度的增大,量值和范围增大,而且逐步向深部移动趋势;钻孔钻进出现瓦斯压力梯度,使得瓦斯向压力梯度小的方向运移,而且随着钻孔深度的增加,瓦斯梯度越密集,瓦斯放散速度越大,瓦斯膨胀能就越高,导致的钻孔的变形能就越大。高能量的膨胀能和变形能造成孔壁周围煤体裂隙大量增加,破裂碎胀严重,携带大量煤粉喷出钻孔,造成喷孔现象,甚至煤与瓦斯突出。


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