沖擊地壓煤層巷幫卸壓鉆孔施工參數(shù)研究

史慶穩(wěn)，崔宏科，呂大釗，潘俊鋒，夏永學，王書文

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

礦山壓力與災害控制

沖擊地壓煤層巷幫卸壓鉆孔施工參數(shù)研究

史慶穩(wěn)1，崔宏科2，呂大釗2，潘俊鋒1，夏永學1，王書文1

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

結(jié)合巷道側(cè)向支承壓力的分布特點，理論分析煤層卸壓鉆孔的作用機制和塑性區(qū)發(fā)育特點，提出煤層卸壓鉆孔的“喇叭”狀塑性區(qū)防沖機理并藉此確定了陜西某礦巷幫卸壓鉆孔的合理施工深度?；谀獱枏姸壤碚摚糜邢薏罘周浖﨔LAC3D對比分析了具體地質(zhì)條件下不同間距及不同布置方式的卸壓鉆孔對巷幫圍巖沖擊危險區(qū)域解危效果之間的差異，并通過現(xiàn)場試驗論證了最優(yōu)施工參數(shù)下的卸壓鉆孔對于防治沖擊地壓的效果。結(jié)果顯示，按照研究結(jié)果確定的鉆孔參數(shù)可使試驗區(qū)域圍巖的大能量震動事件大幅減少，大大降低試驗區(qū)域的沖擊危險性。

沖擊地壓煤層；卸壓鉆孔；施工參數(shù)；沖擊危險性；莫爾強度理論

在高應力作用下，煤巖體卸壓鉆孔表面圍巖的應力狀態(tài)由三向應力變?yōu)槠矫鎽顟B(tài)而產(chǎn)生破壞從而使煤巖體得到弱化，弱化后的煤巖體無力支承高水平的巷道側(cè)向支承壓力而迫使其向巷道深部圍巖轉(zhuǎn)移[1]，由此達到降低巷道圍巖沖擊危險性的目的。鉆孔卸壓的效果受施工地點地質(zhì)條件、煤巖體物理力學性質(zhì)以及鉆孔施工參數(shù)如孔深、孔間距、鉆孔布置方式等的影響[2]。本文利用理論分析和數(shù)值模擬的方法，結(jié)合陜西某礦沖擊地壓煤層的實際條件，研究沖擊地壓煤層巷幫卸壓鉆孔的最優(yōu)施工參數(shù)。

1 大直徑鉆孔卸壓機理分析

眾所周知，在巖體內(nèi)開掘巷道或者打鉆孔后會在巷道或鉆孔圍巖中發(fā)生應力重新分布，并在巷道圍巖淺部出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，巷道兩側(cè)切向應力增高所導致的支承壓力區(qū)即為潛在的沖擊危險區(qū)域[3]。

根據(jù)彈塑性力學理論，在平面應變條件下巷道圍巖塑性區(qū)半徑Rp巷的表達式為：

(1)

鉆孔打出后，同樣地將在孔壁周邊形成彈塑性分區(qū)，其塑性區(qū)半徑表達式為：

(2)

由此可知，沿鉆孔的鉆進方向鉆孔周圍塑性區(qū)半徑的變化規(guī)律：

(3)

由式(3)可以發(fā)現(xiàn)，自彈塑性分界面以深，孔周塑性區(qū)半徑與孔深成負相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系，則從支承壓力峰值以深，塑性區(qū)圍繞鉆孔呈“喇叭”狀分布且其塑性區(qū)半徑最大值在支承壓力峰值處出現(xiàn)?？梢?，施工卸壓鉆孔后的巷道圍巖的塑性區(qū)將由兩部分組成：巷道開挖所導致的巷周塑性區(qū)和卸壓鉆孔所導致的孔周“喇叭”狀塑性區(qū)，如圖1所示。在“喇叭”口處的塑性區(qū)可有效降低該范圍內(nèi)煤體支撐能力，促使高水平的應力集中區(qū)得到轉(zhuǎn)移從而較為均勻地作用在實體煤中。根據(jù)沖擊地壓發(fā)生的動靜載荷理論[4]，這將使煤體中彈性應變能得到較為緩和的釋放，防止局部能量聚集引起的沖擊。

圖1 巷道及卸壓鉆孔塑性區(qū)分布剖面

2 大直徑鉆孔參數(shù)的取值研究

巷幫大直徑鉆孔卸壓可以根據(jù)鉆孔的布置形式、鉆孔深度、鉆孔間距等的差異而有不同的卸壓方案，卸壓方案中各參數(shù)的取值應根據(jù)巷道所在煤層的物理力學參數(shù)和巷幫側(cè)向支承壓力分布形態(tài)加以確定[5-6]，以陜西某礦沖擊地壓煤層的物理力學性質(zhì)為基礎，本文將研究該具體條件下包括鉆孔深度、鉆孔間距和鉆孔布置形式等在內(nèi)的巷幫卸壓鉆孔的最佳施工參數(shù)。

2.1 鉆孔深度的確定

根據(jù)以上鉆孔卸壓機理分析可知，鉆孔卸壓的關(guān)鍵作用部位在于“喇叭”口塑性區(qū)處，因此鉆孔深度應不小于支撐壓力峰值的影響深度。一般認為，支承壓力區(qū)的邊界可以取高于原巖應力的5%處作為分界點[7]。根據(jù)彈塑性力學可求得該分界點r≈9.85m，該礦巷道半徑約為2.14m，則鉆孔深度不低于r-ra=7.71m。

2.2 鉆孔間距的確定

當相鄰鉆孔的卸壓區(qū)相互連通后便可在巷幫煤體內(nèi)形成連續(xù)的卸壓帶[8]，為探究該煤層條件下巷幫鉆孔的最佳鉆孔間距，采用FLAC3D對不同鉆孔間距時巷幫煤壁中的應力分布情況進行了模擬，模型中水平應力設置為垂直應力的1.5倍，模擬巷道埋深為670m，模擬煤層物理力學參數(shù)見表1。

表1 模型巖性參數(shù)

計算模型采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型，模型側(cè)面邊界限制水平移動，底面邊界限制垂直移動；模型尺寸為6m×1m×4m(長×寬×高)，鉆孔圍巖網(wǎng)格加密。鉆孔直徑均取為113mm，并分別研究當鉆孔間距為0.5，0.7，1.0，1.2，1.4m時的卸壓效果，其卸壓效果用莫爾相當應力加以表征。莫爾相當應力是按照莫爾強度理論所得到的強度條件，它表征了材料在復雜應力狀態(tài)下發(fā)生破壞的危險程度[9]，因參量對于單軸抗拉和抗壓強度差異較大的材料具有較好的適用性，本文將用其研究煤體施工鉆孔后的圍巖沖擊危險狀態(tài)。模擬結(jié)果如圖2所示。

觀察圖2可知，在該煤礦水平應力主導的應力場條件下，鉆孔左右和上下側(cè)分別產(chǎn)生了一定范圍的卸壓區(qū)和應力集中區(qū)。對比不同鉆孔間距條件下的莫爾相當應力分布規(guī)律可知：

(1)當鉆孔間距為0.5m時，各鉆孔的卸壓區(qū)相互聯(lián)通為一個應力降低區(qū)，同時鉆孔上下側(cè)的應力集中區(qū)也相互聯(lián)通，顯然這對降低圍巖沖擊危險性是不利的。

(2)當鉆孔間距為0.7m時，各個鉆孔卸壓區(qū)相互聯(lián)通而應力集中區(qū)并沒有擴大。

(3)當鉆孔間距為1.0，1.2和1.4m時鉆孔卸壓區(qū)未能聯(lián)通，降低了鉆孔的卸壓效果。

綜上可以認為鉆孔間距取為0.7m時可實現(xiàn)鉆孔卸壓區(qū)域的相互聯(lián)合并避免應力集中區(qū)的擴大，是較為理想的鉆孔間距。

2.3 鉆孔布置形式的確定

對于不同的鉆孔布置形式，由于鉆孔彼此距離和方位的不同，卸壓區(qū)和應力集中區(qū)的整體分布情況將有所不同，并必然地導致卸壓效果的差異[10]。按照控制變量的原則，在考察不同布置方式的卸壓效果時，應當保持各鉆孔間的距離不變。根據(jù)上述研究結(jié)論，在鉆孔間距為0.7m時對單排眼、三花眼、四方眼3種布置方式進行莫爾相當應力的考察，各布置方案的具體參數(shù)如圖3所示。

圖2 不同鉆孔間距莫爾相當應力

圖3 鉆孔布置形式示意

利用Fish語句提取了3種布置方式下鉆孔圍巖莫爾相當應力的分布情況。定義高出原巖應力值5%的圍巖區(qū)域為應力集中區(qū)，低于該值95%的圍巖區(qū)域為應力降低區(qū)，對應力集中區(qū)和和應力降低區(qū)的總面積、單孔的作用面積和單位長度巷道應力降低區(qū)面積、應力集中區(qū)面積進行統(tǒng)計和對比，如圖4和圖5所示。

圖4 單孔應力降低/集中區(qū)面積柱狀

圖5 單位長度巷道應力降低/集中區(qū)面積柱狀

由圖4可知，單排、三花、四方3種布置形式的單孔應力降低區(qū)依次減少而單孔應力集中區(qū)卻依次增加；同時，當且僅當采取單排布置時鉆孔的單孔應力區(qū)大于其單孔應力集中區(qū)，從而說明了單排布置的卸壓效率要優(yōu)于其他兩種布置形式。

圖5顯示，相比單排布置而言，三花布置和四方布置均能一定程度地增加單位長度巷道的應力降低區(qū)面積(不超過60%)，然而應力集中區(qū)面積卻大幅度地攀升(分別增加為原來13.5倍和17.0倍)，因而可認為，采取三花或者四方布置對于沖擊地壓的防治是不合理的。

綜合對于不同鉆孔布置方式圍巖莫爾相當應力分布規(guī)律的分析可以證明，在該煤礦具體地質(zhì)條件下，單排布置為鉆孔卸壓的最優(yōu)布置形式。

3 大直徑卸壓鉆孔的現(xiàn)場應用

401101工作面是該礦401盤區(qū)首采綜放工作面，埋深在680～740m；主采的4煤平均厚度16.25m，煤層傾角0～6°，平均3°。經(jīng)鑒定，該礦主采煤層具有強沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性。工作面回風巷里程290m處為X1向斜軸，里程460m處發(fā)育一條F1正斷層，落差為18m，傾角60～65°，如圖6所示。

圖6 401101工作面示意

由于F1斷層和X1向斜距離較短，在兩條構(gòu)造之間形成了一定范圍的構(gòu)造復合作用區(qū)。該復合作用區(qū)的存在導致了巷道在掘進和后期使用過程中頻繁發(fā)生動力顯現(xiàn)。2015年11月，在對該區(qū)域施工瓦斯抽放鉆孔時，該構(gòu)造復合區(qū)處“煤炮”發(fā)生極為頻繁且現(xiàn)場震感強烈。根據(jù)微震監(jiān)測，該區(qū)段自2014年掘出以來即有微震事件長期作用，震動能量以103J和104J級別為主，為典型的“低頻次高能量”震動特點，說明該區(qū)域危險程度較高[11]，威脅了礦井的安全生產(chǎn)和作業(yè)工人的生命安全。

因此，對該復合作用區(qū)約采取了大直徑鉆孔卸壓的解危措施。鉆孔直徑取為113mm，并根據(jù)以上研究結(jié)論采取單排布置，孔深取為14m，孔間距按照巷道錨桿排距取為0.7m以方便施工。

實施卸壓鉆孔后30d內(nèi)構(gòu)造復合作用區(qū)內(nèi)微震事件以102J和103J為主，且105J的超高能量震動事件全然消失，呈現(xiàn)為“高頻次低能量”的特點，現(xiàn)場無明顯震動顯現(xiàn)，從而使得該區(qū)段的抽放孔得以順利施工。這表明，卸壓鉆孔的實施使巷道圍巖中彈性能的釋放形式更為均勻、緩和，可避免局部能量聚集導致的超高能量震動事件，大大降低目標區(qū)域的沖擊危險性。

4 結(jié) 論

(1)卸壓鉆孔可在巷道圍巖中形成“喇叭”狀的塑性區(qū)。“喇叭”狀塑性區(qū)的“喇叭”口位于巷道開挖形成的側(cè)向支承壓力峰值處，可有效促使峰值區(qū)的應力向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而防止局部能量過于聚集而引起沖擊；卸壓鉆孔的設計深度應大于巷道側(cè)向支承壓力的影響深度。

(2)基于“喇叭”狀塑性區(qū)的形成要求，該礦4煤卸壓鉆孔深度不應小于7.7m；數(shù)值模擬表明，在該礦鉆孔的左右側(cè)和上下側(cè)分別為莫爾相當應力的降低區(qū)和升高區(qū)，卸壓鉆孔施工其間距應為0.5～1.0m之間，單排布置為最佳鉆孔布置形式。

(3)現(xiàn)場實踐表明，研究結(jié)果確定的鉆孔方案對可使構(gòu)造復合作用區(qū)巷道圍巖大能量震動事件大幅減少，微震活動規(guī)律趨于均勻而平緩，大大降低該區(qū)域的沖擊危險性，保證了生產(chǎn)作業(yè)的順利完成。

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StudyonPressureReliefDrillingHolesLayoutParametersofRoadsideinRockburstCoalSeam

SHI Qing-wen1，CUI Hong-ke2，LV Da-zhao2，PAN Jun-feng1，XIA Yong-xue1，WANG Shu-wen1

(1.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Shaanxi Binchang Mengcun Mine Co.，Ltd.，Xianyang 713600，China)

Based on distribution characters of roadway lateral abutment pressure，and pressure relief drilling hole mechanism of coal seam and plastic zone distribution character were analyzed，and ‘horn’ shape plastic zone rock burst prevention mechanism of pressure relief drilling hole in coal seam was put forward，and then reasonable pressure relief drilling hole depth of roadway side of one coal mine in Shaanxi province was determined.Based on Mohr’s failure theory，the difference that pressure relief drilling holes with different interval and different arrangement form to rock burst hazard zone relieving in specific geological situation were studied by numerical software FLAC3D，the results of rock burst prevention and cure with pressure relief drilling hole with the optimal parameters were verified in practical.The results showed that macro-energy shake incidents were decreased obviously under drilling hole parameters，which determined according studying results，and rock burst hazard of experimental field was decreased obviously.

rock burst coal seam；pressure relief drilling hole；construction parameters；rock burst hazard；Mohr’s failure theory

2017-09-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.018

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0801401，2016YFC0801403)；天地科技開采生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化基金(KJ-2015-TDKC-05)；國家自然科學基金(51574149)

史慶穩(wěn)(1989-)，男，山東鄄城人，碩士，主要從事煤礦沖擊地壓理論與防治技術(shù)研究。

史慶穩(wěn)，崔宏科，呂大釗，等.沖擊地壓煤層巷幫卸壓鉆孔施工參數(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(6)：74-77.

TD324.2

A

1006-6225(2017)06-0074-04

施紅霞]