采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究

地面钻井抽采采动影响煤层及采空区瓦斯是进行煤矿瓦斯治理和抽采利用的有效方法。然而,煤层的采动影响使得回采工作面通过地面钻井位置附近时钻井往往迅速发生破坏,不能充分利用地面钻井的抽采效能。本论文依托国家重大基础研究发展计划(973)课题“煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理”和国家科技支撑计划课题“地面钻孔抽放采动影响煤层及采空区瓦斯关键技术”,对地面钻井的变形破坏机理进行了如下几方面的研究: (1)基于地表沉陷规律和复合岩梁变形规律,分析了采动影响下采场上覆岩层层间剪切滑移和挤压变形规律,构建了采动影响下采场上覆岩层的复合等效岩梁模型,获得了等效复合岩梁层间滑移和挤压变形的分布规律。 (2)通过分析地面钻井套管变形形式,构建了采动影响下地面钻井变形破坏的层间剪切滑移破坏模型和挤压变形破坏模型,分析了采动影响下地面钻井的变形破坏机理,获得了地面钻井在采动影响下的“S”型剪切破坏模式和椭圆形挤压破坏模式; (3)基于采动影响下的采场上覆岩层移动规律和建立的地面钻井变形破坏的剪切滑移破坏模型和挤压变形破坏模型,分析了地面钻井剪切滑移变形和挤压变形沿采区倾向方向的空间变化规律和随回采工作面推进的时间变化规律,获得了地面钻井变形破坏的时空影响效应,以为地面钻井布井位置的选择提供理论基础; (4)分析了关键层、厚基岩层、厚表土层等地质因素和采场尺寸、顶板管理方法和回采速度等回采工艺对地面钻井变形破坏的影响效应,为地面钻井的工程防护措施的选择提供理论依据; (5)通过相似材料模型试验和数值模拟试验对采动影响下采场上覆岩层的移动规律、地面钻井变形破坏机理和时空规律及采场上覆岩层物性参数的影响效应进行了验证分析; (6)结合淮南矿业集团谢桥煤矿的地面钻井工程实例,对构建的理论模型进行了应用检验,并结合理论分析给出了工程的改进措施和防护对策; (7)基于理论模型和试验分析,提出了地面钻井的施工布井位置的选择原则、钻井的工程防护措施的设计依据。