煤層大直徑鉆孔防沖機(jī)理研究

田峰 武海峰

摘要：近年來，煤層大直徑鉆孔作為沖擊地壓防治技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但關(guān)于煤層大直徑鉆孔防沖機(jī)理的研究較少，在確定煤層鉆孔參數(shù)（鉆孔直徑、間距、深度）時還是憑借經(jīng)驗。文章基于實驗室模擬、數(shù)值模擬、力學(xué)建模等手段，研究了不同鉆孔參數(shù)的相互影響特征，為確定合理的鉆孔卸壓參數(shù)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦；沖擊地壓；鉆孔卸壓；大直徑鉆孔；防沖機(jī)理 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TD713 文章編號：1009-2374（2016）24-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.075

1 鉆孔改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)的實驗研究

由于目前難以采用理論分析或數(shù)值模擬研究鉆孔對煤體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，本文提出一種基于實驗方法研究鉆孔改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)的思想，即采用實驗機(jī)測試鉆孔試樣的物理力學(xué)性質(zhì)。

1.1 試樣制作

煤樣的力學(xué)性質(zhì)易受地質(zhì)構(gòu)造、加工過程的影響。為降低試樣測試數(shù)據(jù)的離散性，采用325號水泥制作2個塊體（尺寸為150mm×150mm×150mm），并對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)12天。然后將塊體加工成長方體標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為50mm×50mm×100mm。

1.2 實驗步驟

（1）對各個試樣進(jìn)行編號，采用游標(biāo)卡尺量取每個試樣的具體尺寸，并計算出各個試樣的體積Vi；（2）采用J1Z-10電鉆配直徑為5mm的鉆桿在試樣上鉆孔，鉆孔垂直長方形表面；（3）將鉆孔試樣依次放在天平上稱出質(zhì)量mi1，并計算出各個試樣的密度；（4）將鉆孔試樣依次放在RMT試驗機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓試樣，一直加載到試樣破壞，繪出應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

1.3 實驗結(jié)果

圖1～圖3所示為實驗得到的試樣軸向應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，利用制作的試樣得到的軸向應(yīng)力—曲線與典型的煤樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似，因此采用325號水泥模擬煤體是可行的。

圖1 完整試樣軸向應(yīng)力—

應(yīng)變曲線 圖2 鉆孔試樣應(yīng)力—

應(yīng)變曲線（4個孔）

試樣單軸抗壓強(qiáng)度與密度的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)試樣密度為1.96g/cm3、1.93g/cm3、1.87g/cm3時，相應(yīng)的試樣單軸抗壓強(qiáng)度為28.2MPa、23.9MPa、14.2MPa?？梢?，隨著試樣密度的降低，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，因此對于同種巖石材料，巖體密度越小，其抗壓強(qiáng)度越小。

試樣彈性模量與密度的關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)試樣密度為1.96g/cm3、1.93g/cm3、1.87g/cm3時，相應(yīng)的試樣彈性模量為4.6GPa、4.0GPa、2.2GPa?？梢姡S著試樣密度的降低，彈性模量逐漸減小，因此對于同種巖石材料，巖體密度越小，其彈性模量越小。

對于完整試樣單軸抗壓試驗，當(dāng)試樣達(dá)到極限強(qiáng)度時，試樣發(fā)生崩裂性破壞，并產(chǎn)生清脆的聲響；當(dāng)在試樣上鉆個4孔時，試樣單軸抗壓強(qiáng)度降低，也產(chǎn)生崩裂性破壞，但破裂碎塊塊度較小，伴隨的聲響也較?。划?dāng)在試樣上鉆10個孔時，試樣單軸抗壓強(qiáng)度降低幅度較大，不產(chǎn)生崩裂和明顯聲響?？梢?，鉆孔能夠改變試樣的破壞狀態(tài)。

根據(jù)彈塑性理論和沖擊傾向性理論，同種巖石材料的彈性模量越大，其塑性越小，發(fā)生沖擊地壓的可能性越大；相反，彈性模量越小，其塑性越大，發(fā)生沖擊地壓的可能性越小。實驗表明，鉆孔能夠改變試樣的物理力學(xué)性質(zhì)和破壞狀態(tài)，降低試樣脆性，增加試樣塑性，從而降低沖擊傾向性。

4 結(jié)語

本文探討了大孔徑鉆孔卸壓防沖的機(jī)理，得到如下結(jié)論：（1）通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，大直徑鉆孔能夠顯著降低試樣的強(qiáng)度和彈性模量，改變了其承載能力，進(jìn)而起到防沖作用；（2）通過數(shù)值模擬研究得到，實施多鉆孔后，塑性區(qū)可以相互貫通，煤層大直徑鉆孔能夠釋放煤體中的部分應(yīng)變能；（3）理論推導(dǎo)了鉆孔直徑、鉆孔間距、鉆孔深度的計算公式，并在金莊礦3205工作面沖擊地壓危險區(qū)治理中得到應(yīng)用，結(jié)果表明，該方法得到的鉆孔參數(shù)能夠起到較可靠的防沖作用。

作者簡介：田峰（1968-），男，棗莊市金莊生建煤礦副礦長，工程師，研究方向：采礦工程。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）