大直径救援井动载荷作用下安全透巷距离数值模拟

李必智，郝世俊，刘明军，张 强，白 刚，莫海涛

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国矿山开采地质条件普遍复杂，隐蔽致灾因素较多，虽然开展了灾难事故影响因素的普查与治理工作，但钻探过程中还会发生冲击地压[1-2]、矿井突水[3-5]、煤与瓦斯突出[6-7]等重大灾害事故，巷道遭到灾难性破坏，人员被困井下。大直径救援井是煤矿井下突发事故时，为实现巷道被困人员安全、迅速撤离地面而采取的一项钻孔工程。多数情况下，被困人员距离安全避难室较远，救援人员想要迅速到达事故区，需要清理巷道或者新掘通道等，辅助工程施工耗时较长，短时间内难以形成救援通道。目前国内煤矿事故仍主要采取以井下人工救援的方式，但存在耗时长、危险性高及成功率低等问题[8-12]。通过地面大直径救援井进行井下被困人员快速抢救成为最有效的方式。救援的关键是安全、迅速地提升井下被困人员到达地面，要求救援井井径大[13]、优快钻进[14]、精确中靶[15-16]，同时要控制巷道顶板的完整性[17-21]，以防止地层水、钻井液涌入巷道，避免对井下人员造成二次伤害。为有效预防地层水和孔内流体沿钻孔突发涌入巷道，要求透巷前二开井底预留一定安全厚度的岩层为透巷提供保障，同时尽可能缩短安全透巷距离，增加技术套管下入深度，有效阻隔含水层及井壁不稳定地层，保证救生舱在救援井下放、提升过程顺利。目前国内外利用地面大直径钻孔营救井下被困人员已取得成功，国内学者针对矿山大直径井成孔工艺与装备进行了大量的研究[22-23]，但对透巷钻进时动力扰动对顶板围岩破坏及安全透巷距离等相关问题缺乏系统性研究。基于此，笔者开展动载荷作用下深部巷道岩层顶板的变形与破裂机理研究，认识动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的力学机制，以期优化三开施工时安全透巷距离。经工程实钻数据验证安全透巷距离的可靠性。

1 地层概况及井身结构

山西坪上煤矿3号避难硐室地面救援井钻遇地层依次为第四系，岩性为黏性土，底部含砂卵石层；二叠系上石盒子组，主要为灰白、浅绿色砂岩，杂色斑块泥岩、砂质泥岩等；二叠系下石盒子组，主要为灰白、浅灰色砂岩，灰色、浅灰色泥岩；二叠系山西组，主要为灰黑色砂、泥岩互层，为主要含煤地层，3号煤厚5.04～7.16 m，平均6.11 m，煤层倾角平均3°，平均埋深295 m；煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度13 m，泥质胶结，节理不发育。为了能够安全顺利、快速升降救生舱，根据救生舱的规格尺寸要求，救援井终孔直径不小于580 mm，综合考虑覆岩层结构、煤层埋深及厚度、含水性等因素，救援井井身结构设计如图1所示。

2 模型建立及边界条件

图1 救援井井身结构Fig.1 Structure of the rescue well

为了解决工程施工中超复杂接触及高度非线性问题，基于ABAQUS数值模拟软件进行岩土力学分析，选取地层的地质资料及井下巷道的岩石力学参数，建立地质力学模型，依据钻井地质力学理论，通常埋藏于地层深处的岩石在地应力条件下，受到水平最大主应力σH、水平最小主应力σh及垂向上覆岩层压力σV。模型取透巷顶部岩层埋深295 m，数值模拟时垂向应力按照岩层埋深加载，水平应力分别为12、10 MPa，地层倾角假设为α，地层模型长度取100 m、宽度100 m，由上及下为覆岩层、基本顶、直接顶、煤层、底板-1、底板-2。其中采用拱形巷道模拟避难硐室，尺寸为巷宽5 m，巷高3 m，顶板透巷钻孔孔径按照工程设计取值为580 mm。考虑地层为无限大地应力场，为避免边界条件处应力干扰现象，模型边界左右节点水平方向位移采取对称约束自由度；底边节点水平及垂直两个方向约束位移自由度，模型整体沿重力方向施加体力。针对不同岩层考虑地层倾角α的影响，透巷过程中对顶板围岩的扰动除考虑地应力外，主要影响因素有孔内钻井液柱的压力、钻柱旋转挠曲产生碰撞井壁的径向作用力、锤头冲击井底破岩的钻压及冲击频率。其中，井内液柱压力随井深增加而变化，钻柱旋转碰撞井壁可等效为梯形应力波加载方式，在巷道顶部及侧帮布置合理的数据监测点。由于Mohr-Coulomb准则能够较好地反映岩石材料在力场作用下变形及破坏的特征，所以在模型中采用的材料力学本构关系为Mohr-Coulomb屈服准则，其屈服函数F表达式见式(1)，岩石力学属性见表1，地层模型剖面及分层如图2所示。

式中：φ为材料的内摩擦角，0°≤φ≤90°；c为材料黏聚力，kPa；θ为极偏角，(°)；q为切向应力，Pa；p为法向应力，Pa。

表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters

图2 工程模型剖面Fig.2 Section of the engineering model

3 钻进轴向冲击压力对围岩影响

埋藏于深部的岩体受构造应力的影响，岩体内部蓄积了大量的弹性应变能，在轴向动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩体内部构造的变化，动力扰动以应力波的形式存在，钻进中造成巷道顶板围岩剥落及垮塌，带来工程施工隐患。采用空气潜孔锤透巷钻进，钻头施加轴向力作用于井底产生冲击载荷，轴向冲击波形如图3a所示。

图3b轴向应力云图表明，应力集中发生在巷道顶板及侧帮，同时井壁伴随发生应力集中区。图3c轴向位移云图表明，巷道断面周围出现的塑性应变值最大，随轴向压力以冲击波形式由2 MPa增加到10 MPa，应力由顶板远端向巷道传递，应变逐渐增大。通过图4曲线分析，钻进至距离巷道中心20 m时，顶板应力增加到最大值，顶板位移出现明显的增加趋势。继续钻进至距离巷道中心位置为16.53 m时，应力由7.90 MPa突然下降，表明井壁开始失稳，最大塑性应变值为0.02 m，随后顶板位移线性增加直至岩层破坏。综上，巷道塑性区范围随着轴向压力的增加，顶板塑性应变增大，直至发生剪切破坏，但存在临界安全值，两侧围岩塑性应变逐渐增加，直至发生拉伸破坏。

图3 轴向应力波载荷作用下顶板应力位移云图Fig.3 Stress displacement nephogram of rock roof under axial stress wave load

图4 轴向动载荷作用应力位移曲线Fig.4 Stress displacement curve under axial dynamic load

4 钻柱旋转径向压力对围岩影响

透巷复合钻进过程中，井内钻柱绕轴向以一定角速度旋转运动，井底岩石受轴向钻头冲击，井壁围岩受径向钻柱碰撞及井内钻井液柱压力作用影响，一定程度上对围岩产生动力扰动，易发生井壁围岩掉块及井眼坍塌事故。而旋转引起的井壁围岩扰动包含钻柱与井壁切向碰撞接触、钻井液流体液柱压力作用，其中，主要影响因素为钻柱与井壁径向冲击力作用，且该冲击力可等效为沿井壁径向施加的应力波载荷，应力波曲线如图5a所示。

由图5b可知，钻柱旋转径向载荷作用下，巷道顶板以上应力集中在井壁，且应力大小由0.53 MPa压应力向9.42 MPa的拉应力过渡。造成井壁围岩产生了塑性应变，初始对巷道顶板影响较小，随钻进深度增加，井壁围岩局部出现塑性应变，且应力集中由井壁触发点向围岩周围传播，造成近井壁围岩加速塑性变化，巷道顶板围岩扰动逐渐增强直至发生顶板塑性剪切破坏，图5c表明，井壁位移沿地层上倾一侧受到拉应力，反之沿地层下倾侧受到压应力，且井壁两侧塑性位移大小以0.03 m对称分布，方向以井眼为中心相反。图6表明井壁径向应力作用下顶板围岩受应力波作用扰动幅度较大，随透巷井深增加，钻进至距煤层顶板18 m时顶板位移发生递增，应力由6.79 MPa突然下降，位移为0.01 m，钻孔井壁围岩受径向冲击载荷发生剥落破坏，巷道顶板出现失稳。

图5 径向载荷作用下顶板应力位移云图Fig.5 Stress displacement nephogram of rock roof under radial load

5 安全透巷距离优化

图6 井壁径向节点位移曲线Fig.6 Radial node displacement curve of well wall

依据矿区勘探资料、顶板岩石力学参数等，在保证上部地层安全钻进、套管有效封堵地层、无钻井液溃入巷道的前提下，透巷段距离最小化。实践表明透巷井段距离越短，透巷速度越快，可减少地层涌水、井壁坍塌、井径缩径等复杂情况，保障救生舱快速通过透巷通道。在救援井施工过程中，井底预留一定厚度的岩层，防止上覆岩层出水进入巷道，以保障套管下入后固井过程中井底的安全，同时避免透巷结束井内大量的岩屑涌入巷道，为井下救援预留更大的作业空间。

基于上述物理模型，取地层倾角3°为特征地层，模拟计算透巷钻进过程中顶板安全厚度最优解。分别对3种不同工况条件下应力位移做了计算分析(表2)：井孔轴向加载应力波载荷作用，井孔径向加载应力波载荷作用，井孔同时加载轴向及径向应力波载荷作用。

结果表明：动载荷作用对煤层顶板围岩有影响，图7表明轴向动载荷比径向动载荷对围岩的影响更大，2种载荷同时作用时，影响情况介于二者之间。随着钻进深度的增加，巷道顶界与钻孔底部范围内的岩层厚度逐渐减小，可取应力突降及位移突增点为临界安全厚度，钻孔受轴向载荷作用时，安全距离为16.53 m，应力为7.90 MPa，位移0.02 m；钻孔受径向载荷作用时，安全距离为15.47 m，应力为6.79 MPa，位移为0.01 m；钻孔同时加载轴向及径向载荷，安全距离为15.03 m，位移为0.01 m，应力为7.32 MPa。类比取临界安全值下线，即16.53 m为安全透巷距离。

表2 模拟数据结果Table 2 Results of the simulation data

图7 轴向及径向不同载荷作用应力与位移曲线Fig.7 Stress and displacement curves under different axial and radial loads

综上，地应力波具有沿强弱胶结地层方向的释放，一定程度上缓解了巷道围岩塑性应变的趋势，减少了顶板安全透巷距离，但同时易发生井眼塑性应变。在外力的影响下实际工况复杂，包括巷道顶板地层构造是否存在裂隙及裂隙的发育情况、地层的塌陷及构造断层、地层岩性的均质性，模拟地层倾角与实际的不确定性(文中以地层倾角3°建立模型)，冲击钻压大小的波动等，可根据地层实际情况适当增加安全透巷距离。

6 工程应用结果分析

山西省沁水县坪上煤矿3号避难硐室地面救援井施工透巷井段，选用工程经验数据，实际透巷距离段长为20 m，透巷过程中采用气举返循环钻井工艺，溃入巷道泥浆量约2.4 m3，达到了预期的施工目的；采用数值模拟结果16.53 m为安全透巷距离，与现场实际施工数据基本吻合(表3)，验证了模拟数据的可靠性，同时通过力学参数的选取可优化安全透巷距离，为后续工程施工提供拟选参数指导。

表3 模拟数据对比Table 3 Comparison of simulation data

7 结论

a.地面大直径救援钻井动力扰动破坏了地层原有应力平衡，引起地层应力重新分布，造成围岩产生移动变形及塑性破坏，且以钻孔中心呈锯齿形对称分布，其中轴向动载荷为主要影响因素。

b.径向动载荷作用对井壁围岩影响较大，对透巷顶板围岩影响较小，主要表现为轴向冲击载荷的影响，且应力集中由井壁触发点向围岩传播，造成近井壁围岩加速塑性变化，巷道顶板围岩扰动逐渐增强直至发生顶板塑性破坏。

c.以山西省沁水县坪上煤矿3号避难硐室地面救援井为例，数值模拟结果分析，工程安全透巷距离参考值可取16.53 m，其他情况可适当增加透巷顶板厚度。

d.采用ABAQUS数值模拟钻井动力扰动条件下的安全透巷距离，可优化地面大直径救援井施工工艺，该技术可以缩短施工周期、节约成本，可推广应用到其他大直径井的施工中。