1.一种基于煤层厚度的大直径钻孔卸压方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:步骤1、根据现场工作面实际煤层厚度确定等效弹性模量;
所述步骤1的具体过程如下:
根据工作面实际煤层厚度计算薄煤层的等效弹性模量EC,式(1)中:
ER为岩层的弹性模量,MPa;E为厚煤层的弹性模量,MPa,由实测数据获得;H为厚煤层的厚度,m;H=HR+HC;HR为岩层的厚度,m;HC为薄煤层的厚度,m;
步骤2、计算等效煤层厚度大直径钻孔径向应力;
所述步骤2的具体过程如下:
σc=E煤ε; 式(2)式(2)中:
E煤为煤层的弹性模量;在煤层为厚煤层时,E煤取E;在煤层为薄煤层时,E煤取EC;σc为煤层应力,MPa;ε为煤层应变;
按照设计的大直径钻孔参数模拟对煤层施工大直径卸压钻孔,钻孔周围煤体应力重新分布,在双向等压的情况下,大直径钻孔周围塑性区切向应力、径向应力分别为:式(3)、式(4)中:
σθ为大直径钻孔周围塑性区切向应力,MPa;σr为大直径钻孔周围塑性区径向应力,MPa;
r为塑性区半径,m;ra为钻孔半径,m;
ξ为只与煤体内摩擦角相关的固定系数:式(5)中:
为煤体内摩擦角,°;
塑性区边界处切向应力与径向应力之和为两倍原岩应力,即:
2p0=σθ+σr; 式(6)式(6)中:
p0为原岩应力,MPa;
由于钻孔周围煤体破碎形成塑性区,而塑性区内钻孔切向应力和径向应力分别属于最大主应力与最小主应力,塑性区内随着与钻孔中心的距离增大,径向应力随之增大,当距离为钻孔塑性区半径r时,径向应力值为最大值,而在塑性区内部的径向应力对钻孔影响小,因此,将钻孔周围塑性区径向应力均取值为塑性区边界处径向应力值大小,塑性区边界处径向应力为:联立式(1)至式(6)带入式(7),可得:式(8)中:
σr1为厚煤层钻孔周围塑性区径向应力,MPa;σr2为薄煤层钻孔周围塑性区径向应力,Mpa;
步骤3、根据径向应力大小计算能量耗损;
所述步骤3的具体过程如下:
利用数值模拟软件计算煤体大直径钻孔径向应力状态下弹性变形能量损耗KE,KE=K0+W‑KU; 式(9)式(9)至式(12)中:
K0为煤体施工大直径钻孔前的弹性变形能,MJ;KU为煤体施工大直径钻孔后的弹性变形能,MJ;W为巷道水平位移和竖直位移过程中边界荷载做功总量,MJ;Ue为施工大直径钻孔前3
煤体能量密度,MJ/m;Ui为进行大直径钻孔卸压后并计算平衡后模型中第i个单元的弹性应
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变能密度,MJ/m3;Vi为模型单元格体积,m;St为巷道顶部边界面积,m;Sd为巷道帮部边界面2
积,m;Ti为在径向应力下发生的竖直位移,m;Di为在径向应力下发生的水平位移,m;
步骤4、根据煤体剩余能量密度指标评价大直径钻孔卸压充分程度;
所述步骤4的具体过程如下:
计算大直径钻孔卸压释能率η:
若η<40%,则卸压不充分;
若40%≤η≤60%,则充分卸压;
若60%<η,则卸压过度;
步骤5、现场施工大直径钻孔或者对设计的大直径钻孔参数进行优化;
所述步骤5的具体过程如下:
钻孔体积与相邻大直径钻孔中心线之间对应孔深的煤层体积比值K为:式(14)中:
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Vd为大直径钻孔体积,m;VD为相邻大直径钻孔中心线之间对应孔深的煤层体积,m;R为大直径钻孔半径,m;D为相邻钻孔之间距离,m;h为煤层厚度,m;
若η<40%,则增大K,直至40%≤η≤60%;
若60%<η,则减小K,直至40%≤η≤60%;
若40%≤η≤60%,则将η区间上下限40%和60%代入式(9)至式(13),反算钻孔周围塑性区径向应力σr,将径向应力σr代入式(8),计算得到当前设计的大直径钻孔参数下满足煤体充分卸压的煤层厚度区间为[h1,h2],则在此煤层厚度区间内,为满足大直径钻孔充分卸压,指标K1应满足:式(15)中:
K1为满足大直径钻孔充分卸压时K的取值;
按照K1现场施工大直径钻孔。