淮南矿区工作面岩层移动数值模拟及其地面井的破断影响分析

韩洁

徐州市铜山区科源测绘服务有限公司 中国 · 江苏 徐州 221100

【摘要】以淮南矿区部署采动区煤层气地面井的工作面为原型，利用FLAC^3D模拟分析了采动过程中的工作面平面岩层移动变化规律，阐明了不同条件下岩层位移对井孔失稳的影响。

【Abstract】Based on the working face of coalbed methane surface well in Huainan mining area, this paper uses FLAC^3D simulation to analyze the law of strata movement in the working face during the mining process, and expounds the influence of strata displacement on borehole instability under different conditions.

【关键词】岩层位移；数值模拟；井孔破坏；工作面；地面井

【Keywords】strata displacement; numerical simulation; borehole damage; working face; surface well

1 引言

中国采动区地面钻井的主要技术障碍是钻井破断，钻井破断方式包括剪切破坏和轴向拉压破坏及两者兼有的组合破坏三种破坏类型。

淮南矿区部分矿区内，新生界松散层厚度大，工作面推进速度相对较快，同时部分矿区煤层采高较大，因此出现了较高的地面井井孔破断率。同一工作面之上不同位置，地面井的破断程度和损坏时间不一致，同一工作面之上不同位置岩层位移具有差异，发掘这种差异，探寻位移相对较小的区域可为井位部署提供指导，从而降低地面井井孔破断的风险。

数值模拟和物理模拟是对卸压煤层的应力场、位移场等分析有效手段，FLAC^3D软件对于应力场和位移场模拟的研究较多，可以分析随工作面推进井孔的破坏和变形等。本文主要采用FLAC^3D软件数值模拟分析同一岩层交界处或同一埋深的平面上，岩层位移变化差异。

2 数值模拟方法

主 要利用FLAC来进行模拟。模型均按图1和图2所示进行建模，即模型的工作面推进方向为Y方向，垂直于Y方向为X方向，铅垂线向上为Z方向。模型均为长方体，X、Y方向均有预留煤柱(M_z)宽度，长方体的长为L，宽为W，单位均为m。对于各个测点的研究，每个观测点的位移均假定为三个方向，其中铅垂线方向上的位移定义为z，向下为负，向上为正，平行于推进方向的位移定义为y，与推进方向相同为正，与推进方向相反为负，垂直于推进方向位移定义为x，工作面推进方向顺时针旋转90°为正，工作面推进方向逆时针旋转90°为负。在研究过程中，x、y位移即表示横向位移，z位移表示竖向位移，某测点x、y的合成位移量，称为某测点的平面位移，某测点x、y、z的合成位移量，称为某点的立体位移。

图1 模型示意图 图2 模型工作面示意图

本次数值模拟实验采用摩尔-库伦模型。采用平面应变模型分析，即模型边界设定为在X正负两个方向上约束为0，即模型在这两个边界处变形为0，在Y正负两个方向上约束也为0，在Z底端边界上约束为0（使得Z在正方向可变形，即可向下变形）。模型长度360m，模型宽度240m，模型高度300m。除去前后左右各30m的边界，其余为工作面范围，采高均为4m，即在X在30~210m之间，Y在30~330m之间，Z在6~10m之间的区域内为整个工作面，整个工作面X向长180m，Y向长300m。X向6m/格，分为40格；Y向10m/格，分为36格；模型划分矩形块体单元79200个，网格节点84952个；模型大小适中，便于运算。边界条件、初始应力条件及开挖设置上和前文所建模型一样，模型模拟开挖煤层A煤，在Z方向上位于6~10m之间，即采高4m；模拟的推进速度为10m/次。

3 岩层位移的变化规律及其对地面井的影响分析

从已分析的x、y、z位移的变化规律来看，竖向位移即z位移产生地面井井孔的轴向拉伸破坏，由横向位移即x、y位移产生地面井井孔的横向剪切破坏。

竖向位移即z位移是靠近采区边界的区域位移量相对较小，位于风巷与切眼，风巷与停采线等交点的四个角落，z位移量相对小。位于采区中央的区域位移量较大。

剪切挤压破坏，主要由X、Y方向上的位移x、y产生。

垂直于推进方向的横向位移即x位移在采场的水平面上，走向及倾向上分布变化具有差异。在平行推进方向（Y向）上（即倾向上），x位移变化曲线呈现为正弦函数，

x位移的最大值约出现在四分之一工作面宽度处，二分之一工作面宽度处x位移接近于0。垂直推进方向（X向）上（即走向上），x位移最大值出现在二分之一走向长度处，体现为中间大，两侧小。因此在靠近工作面边界0~20m处，x位移相对较小，在距离边界相同距离时，走向上的二分之一长度处x位移最大，倾向上二分之一宽度处，x位移最小。

平行于推进方向的横向位移（y位移）若与垂直于推进方向的横向位移（x位移）相比，位移总路程上，y位移均大于x位移。y位移与x位移最大的不同是，y位移在移动过程中方向发生改变。

4 结论

以FLAC^3D数值模拟分析为主要手段，研究了煤层采动过程中上覆岩层移动变化规律。

①垂直推进方向的位移在采场的水平面上，走向及倾向上分布变化具有差异。在靠近工作面边界0~20m处，垂直推进方向的位移即x位移相对较小，在距离边界相同距离时，走向上的二分之一长度处x位移最大，倾向上二分之一宽度处，x位移最小。平行于推进方向横向位移与垂直于推进方向的横向位移相比，平行于推进方向横向位移量大于垂直于推进方向的横向位移量。平行于推进方向横向位移（y位移）与垂直于推进方向的横向位移（x位移）的较大的差异体现在，y位移在移动过程中方向发生改变。y位移在靠近边界20m内，y位移会较小，而且转向移动路程也会较短，在距离边界相同的距离时，走向上越靠近走向中线y位移越大。z位移是靠近采区边界的区域位移量相对较小。

②岩层竖直方向的位移主要对地面井孔产生轴向拉压破坏，岩层横向位移则主要产生剪切破坏。总体而言，越靠近工作面中部，岩层位移造成的剪切破坏可能性越高。靠近采场四周地面井井孔破坏的可能性会降低。

参考文献

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