湿度场对煤矿膨胀岩钻孔变形的影响规律

摘要

钻孔预抽瓦斯是防治煤矿瓦斯事故的主要措施之一。当钻进瓦斯抽采孔穿越膨胀岩时,钻孔内膨胀岩遇水快速膨胀易造成抱钻、钻具夹死等孔内事故,严重影响钻孔施工效率及煤矿安全生产。因此,深入研究湿度场变化对煤矿膨胀岩钻孔变形的影响规律,减少钻孔缩径抱钻孔内事故,对煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。
　　基于湿度应力场理论和热弹性力学理论,本文采用理论分析、数值模拟与试验相结合的方法,对煤矿膨胀岩钻孔在不同含水率下的变形规律进行了较为系统的研究。论文主要研究成果如下:
　　①通过不同含水率单轴压缩实验和遇水膨胀实验,对重庆某煤矿泥岩力学特性进行了研究。研究表明:泥岩弹性模量和抗压强度随含水率的增加而大幅降低,泊松比随含水率的增加而增大,此外泥岩遇水还具有很强的膨胀性。因此,在理论分析和实际的工程应用中,要综合考虑膨胀岩的遇水软化膨胀特性。
　　②基于湿度应力场理论和热弹性力学理论,本文提出了考虑湿度软化效应的膨胀岩本构方程,并对煤矿膨胀岩钻孔变形进行了理论分析。研究表明:含水率和含水率变化引起的岩体力学参数的改变是影响煤矿膨胀岩钻孔变形的主要因素。
　　③利用数值模拟软件ANSYS中的温度应力场模块,并结合相似模拟试验,研究和分析了湿度场变化对钻孔变形的影响规律。恒定地应力场中,不同湿度场作用下,钻孔孔壁的最大径向位移与含水率呈非线性递增关系;湿度软化效应对膨胀岩钻孔变形影响显著;恒定地应力场和湿度场作用下,钻孔孔壁的最大径向位移随湿度线膨胀系数、泊松比的增大而增大,随弹性模量的增大而降低。由此可知,当钻孔穿越具有裂隙、破碎的强膨胀岩地带时,钻孔孔壁径向位移明显变大,缩径量更明显,因此钻遇条件差的膨胀岩地层时,更应注意防止钻孔缩径卡钻。