基于Hoek-Brown准则的煤层钻孔失稳破坏类型数值模拟研究

韩颖^1,2,3，张飞燕^4,5，刘晓^1,2,3，李贤忠^1,2,3

1. 河南理工大学能源科学与工程学院2. 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心3. 深井岩层控制与瓦斯抽采国家安监局科技支撑平台4. 河南理工大学安全科学与工程学院5. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地

摘 要：高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的前提下,在弹塑性本构方程中引入塑性流动因子,使瓦斯渗流场方程含有体应变、煤岩体变形场方程含有瓦斯压力项,进而建立了基于H-B准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型;采用COMSOL软件对模型进行解算,探讨了不同侧压系数条件下不同煤体结构煤层钻孔周围塑性区分布规律,并对煤层钻孔失稳破坏类型进行了划分。研究表明:无论在何种侧压系数条件下,孔周塑性区分布范围皆随GSI值的增大而逐渐减小,2者遵循幂函数关系;塑性区分布形状因侧压系数、GSI值不同而差别较大;当GSI值较小时,在不同侧压系数条件下,塑性区分别呈扇形、椭圆、"X"状分布;当GSI值较大时,塑性区分别呈圆形、"V"状、"平底锅"状分布;煤层钻孔失稳破坏类型分为应力控制型破坏、结构面控制型破坏、软煤中的喷孔破坏3类,分别发生在高应力硬煤中（60≤GSI≤100）、强度中等的煤体中（30<GSI<60）以及软煤中（0≤GSI≤30）,失稳破坏的主控因素分别为应力、结构面力学性质、煤体力学性质及瓦斯内能。

关键词：Hoek-Brown准则;地质强度指标;流固耦合模型;煤层钻孔;失稳破坏类型;