钻孔密封段煤-封孔材料耦合变形特征及其密封性能
徐刚1
曾一丹1
赵海波2
杨守国1
1.西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054;西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心,陕西 西安 7100542.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122
摘要：封孔材料力学特性及注浆参数对瓦斯抽采钻孔密封段煤-封孔材料耦合变形的影响尚不清楚,是制约深部煤层钻孔密封性能提升的主要因素.基于钻孔密封段煤-封孔材料结构特征,通过引入煤-封孔材料耦合强度因子χ,运用莫尔-库仑准则建立钻孔密封段煤-封孔材料耦合力学模型,推导得出封孔材料和煤体的应力、位移、塑性区半径及破碎区半径的解析解,并得到钻孔密封段漏气圈面积的计算方法;研究了封孔材料黏聚力、支护力及钻孔半径等因素对密封段煤-封孔材料塑性区半径和破碎区半径的影响规律,探讨了支护力、封孔材料黏聚力与煤-封孔材料耦合强度因子χ对漏气圈面积和钻孔密封性能的影响,阐明了煤-封孔材料耦合强度因子χ影响钻孔密封性能的机理;再采用数值模拟方法对密封段煤-封孔材料总塑性区面积进行了验证,最后通过瓦斯抽采钻孔密封工程实践对比分析了总漏气圈面积的现场测试与理论计算结果,并根据瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度的变化规律提出了钻孔密封参数优化方案.结果表明:封孔材料黏聚力、支护力、钻孔半径对封孔材料破碎区半径的影响程度较小,而对煤体破碎区半径的影响程度较大.密封段煤体的漏气圈面积显著大于封孔材料的漏气圈面积,并且封孔材料黏聚力、支护力、钻孔半径及煤-封孔材料耦合强度因子χ等因素对煤体漏气圈面积的影响程度更大,煤体漏气圈面积是影响钻孔密封性能的主要因素.随着封孔材料黏聚力、支护力的增加和煤-封孔材料耦合强度因子χ的增大,煤体漏气圈面积减小,钻孔密封性能提升.煤-封孔材料耦合强度因子χ与封孔材料的弹性模量和泊松比有关,当En/μn＞Em/μm时,封孔材料对煤体的约束应力因子λ>0,煤体在接触带发生压缩变形,此时χ>1,引起接触带内煤体能承受的极限压缩应力增加,导致煤体破碎区半径和漏气圈面积减小,钻孔密封性能提升.封孔材料弹性模量越大、泊松比越小,钻孔密封性能越高.总塑性区面积的模拟结果和漏气圈面积的现场测试结果与理论计算结果基本一致,理论模型具有较高的可靠性.基于瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度分析提出当钻孔半径为 47 mm时,应选择耦合强度因子为 1.25、黏聚力为 1.5 MPa的封孔材料,注浆封孔压力应不低于 1 MPa;当钻孔半径为 56.5 mm和 66.5 mm时,应选择耦合强度因子为 1.46、黏聚力为 2.5 MPa的封孔材料,注浆封孔压力应不低于 1.5 MPa,为保证钻孔密封性能提供有力保障.
关键词：瓦斯抽采钻孔密封段耦合变形漏气圈面积煤-封孔材料耦合强度因子
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2025JC-YBMS-355)陕西省科技创新团队资助项目(2024RS-CXTD-52)
论文发表日期：2025-12-31
在线出版日期：2026-01-16（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：18( 149-166 )
英文信息