基于CT技術(shù)的唐口煤礦大直徑鉆孔卸壓效果研究

李楊楊 張惟昭

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055）

目前，沖擊地壓防治方法中的大直徑鉆孔卸壓技術(shù)因為施工方便、成本低廉得到廣泛應用[1-2]。鉆孔后產(chǎn)生的鉆屑量可以作為評價卸壓效果的指標，但是由于鉆屑法受現(xiàn)場施工影響較大造成其結(jié)果精度較小。與鉆屑法相比，電磁波CT技術(shù)不受現(xiàn)場施工影響，其精度高，操作方便，將其用于探測煤柱受力更加合理[3]。因此，將電磁波CT技術(shù)應用于煤柱探測，進行多區(qū)域多輪探測，具有較高的客觀性與準確性。

1 CT探測技術(shù)簡介

1.1 CT探測技術(shù)原理

電磁波CT法是地球物理勘探的方法之一，其原理是利用兩個鉆孔之間無線電波的發(fā)射與接收，根據(jù)不同位置場強的大小，從而得到不同性質(zhì)介質(zhì)的位置。涉及到的基本理論包括天線理論和電磁場理論，其主要涉及內(nèi)容為電磁波在有耗空間的輻射、傳播與接收。

實驗表明，在相同性質(zhì)的介質(zhì)中，電磁波經(jīng)過裂隙帶或結(jié)構(gòu)面后會減弱，裂隙帶或結(jié)構(gòu)面的破碎程度越高，其減弱程度越大。因此可以利用電磁波CT技術(shù)探測圍巖裂隙帶的分布及發(fā)育程度。

1.2 評價模型的建立

高應力會導致裂隙產(chǎn)生，而局部裂隙的發(fā)育又會造成應力分布不均，產(chǎn)生應力集中。

在介質(zhì)中，裂隙發(fā)育隨某個方向變化速度與應力場沿該方向的變化梯度成正比。裂隙較發(fā)育的局部煤體應力集中程度相對較高，相應的具有較高的沖擊危險性。因此，煤體裂隙發(fā)育程度可作為評價沖擊危險程度的因素。煤體裂隙的發(fā)育程度可以根據(jù)電磁波吸收系數(shù)的異常指數(shù)指標及梯度指數(shù)指標來衡量。

（1）電磁波吸收系數(shù)異常指數(shù)

參考電磁波吸收系數(shù)與圍巖裂隙發(fā)育程度的關(guān)系，建立吸收系數(shù)異常指數(shù)的表達式如（1）所示：

式中：

β-吸收系數(shù)的實測值，NB/m；

βmax-監(jiān)測區(qū)吸收系數(shù)最大值，NB/m；

β0-監(jiān)測區(qū)內(nèi)吸收系數(shù)均值，NB/m；

α-動壓顯現(xiàn)特征參數(shù)。

圍巖的裂隙發(fā)育程度可由上式電磁波吸收系數(shù)反應，其具體關(guān)系為：當BI≥0時，判定圍巖裂隙發(fā)育較弱，當BI＜0時，判定圍巖裂隙發(fā)育較強。根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗結(jié)果，在強動壓顯現(xiàn)區(qū)域動壓特征顯現(xiàn)參數(shù)應取值為1.0，在弱動壓顯現(xiàn)區(qū)域應取值為1.1，在無動壓顯現(xiàn)區(qū)域應取值為1.2。

（2）電磁波吸收系數(shù)梯度指數(shù)

基于電磁波吸收系數(shù)與圍巖裂隙發(fā)育程度的關(guān)系，建立吸收系數(shù)梯度指數(shù)的表達式如（2）所示：

式中：

Gβmax-電磁波監(jiān)測區(qū)吸收系數(shù)梯度最大值，NB/m2；

Gβ-電磁波監(jiān)測區(qū)內(nèi)某一點的吸收系數(shù)梯度，NB/m2；

α-動壓顯現(xiàn)特征參數(shù)，取值參考吸收系數(shù)異常指數(shù)計算方法。

吸收系數(shù)梯度的定義為電磁波監(jiān)測區(qū)內(nèi)某一點相鄰吸收系數(shù)改變率的最大值。其計算方法是在監(jiān)測收集的眾多離散數(shù)據(jù)中，對其四周節(jié)點計算一階方向?qū)?shù)，然后對比其中最大值即可。如圖1所示，中心網(wǎng)格中坐標為（m，n）點處的波速梯度可以表示為公式（3）所示：

式中：

d-網(wǎng)格邊長；

x，y-分別為周圍每一個網(wǎng)格的縱、橫向編號。

（3）評價模型

由于巷道支護結(jié)構(gòu)的存在，在監(jiān)測巷道圍巖時，需要將其按照支護結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)分開考慮[4]。支護范圍以內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育越少，說明其抵抗壓縮與擾動的能力越強，證明其具有的沖擊危險性越小。而支護范圍以外圍巖裂隙發(fā)育越多，說明其卸壓效果越好，煤巖體具有彈性應變能釋放越充分，證明其具有的沖擊危險性越小。根據(jù)上述分析，結(jié)合電磁波吸收系數(shù)異常指數(shù)與梯度指數(shù)計算公式，建立巷道沖擊危險性評價模型如下。

圖1 數(shù)據(jù)梯度計算方法示意圖

支護范圍內(nèi)圍巖評價模型：

非支護范圍內(nèi)圍巖評價模型：

式中：

Ds-支護圍巖沖擊危險性指數(shù)；

Dn-非支護圍巖沖擊危險性指數(shù)；

a，b-分別為上述兩影響因子的權(quán)重系數(shù)，取為0.5；

h-探測深度，m；

hs-支護結(jié)構(gòu)范圍，m。

建立Ds、Dn與沖擊危險等級對應標準如表1所示。針對表中不同的危險等級，現(xiàn)場應采取對應的防治措施。

表1 巷道圍巖沖擊危險等級劃分

2 現(xiàn)場探測方案及結(jié)果分析

2.1 探測方案

（1）測點布置。測點布置于唐口煤礦6307工作面軌道順槽巷幫，共3組，鉆孔卸壓位置為監(jiān)測區(qū)中間，方案布置如圖2所示。在3組監(jiān)測中，第1組監(jiān)測區(qū)卸壓鉆孔間距為2.4m，第2組監(jiān)測區(qū)的卸壓鉆孔間距為1.6m，第3組監(jiān)測區(qū)的卸壓鉆孔間距為0.8m。

（2）鉆孔孔徑：150mm。

（3）鉆孔間距：0.8m、1.6m、2.4m。

（4）孔深：20m。

圖2 6304試驗鉆孔布置方案圖

2.2 吸收系數(shù)變化分析

對施工不同間距的卸壓鉆孔區(qū)域進行探測，探測深度為12m，得到煤體的電磁波衰減特征，如圖3所示。

圖3 不同間距鉆孔區(qū)域電磁波吸收衰減特性

（1）對于鉆孔間距為0.8m的卸壓區(qū)域，煤體電磁波吸收系數(shù)平均值超過10dB/m。分析其原因，由于卸壓鉆孔比較密集，相鄰鉆孔之間區(qū)域煤體受擾動破碎比較嚴重，處于塑性狀態(tài)。

（2）對于鉆孔間距為1.6m的卸壓區(qū)域，煤體電磁波吸收系數(shù)平均值超過5dB/m，局部區(qū)域超過10dB/m。分析其原因，鉆孔間距增大后，鉆孔間煤體受擾動破碎程度減小，但是仍然處于塑性狀態(tài)，大直徑鉆孔仍然取得了一定的區(qū)域卸壓效果。

（3）對于鉆孔間距為2.4m的卸壓區(qū)域，其探測結(jié)果與前兩組對比來說，鉆孔間煤體電磁波吸收系數(shù)較小，其平均值小于10dB/m，局部區(qū)域小于5dB/m，且其變化梯度也較小。但對比未卸壓區(qū)域的電磁波CT探測結(jié)果，其吸收系數(shù)高于未卸壓區(qū)。由此說明，鉆孔間距增加至2.4m后，鉆孔間煤體仍然有受擾動進而破碎，但程度非常小，仍然起到一定的卸壓效果。

2.3 電磁波吸收系數(shù)異常指數(shù)分析

根據(jù)分析現(xiàn)場實測吸收系數(shù)，得到監(jiān)測區(qū)內(nèi)電磁波吸收系數(shù)異常指數(shù)和沖擊危險性指數(shù)，繪制其等值線圖及分布云圖如圖3所示。其結(jié)果表明，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大部分區(qū)域的沖擊危險性指數(shù)位于0.5以下，小部分區(qū)域危險性指數(shù)位于0.5至0.75區(qū)間內(nèi)，極小部分區(qū)域危險性指數(shù)位于0.75以上。

按照上述分類標準，劃定各沖擊危險性區(qū)域。其中位于0.75等值線包圍的區(qū)域劃分屬于高沖擊危險區(qū)，位于0.5等值線內(nèi)的區(qū)域劃分屬于中等沖擊危險區(qū)，位于0.25等值線內(nèi)的區(qū)域劃分屬于弱沖擊危險區(qū)，如圖4（a）～（c）。唐口煤礦巷道支護錨桿長度為3m，因此將探測區(qū)域0～3m定義為支護區(qū)，將3～12m定義為非支護區(qū)，并對其進行分析。

由圖3（a）、（b）可知，間距0.8m和1.6m的大孔徑卸壓施工支護區(qū)內(nèi)沖擊危險性較非支護區(qū)要高，說明其對支護的損傷較大，對比其數(shù)據(jù)可知間距越小損傷程度越高。當孔間距大于2.4m時對支護的損傷較小。圖3（a）和（b）的非支護區(qū)沒有沖擊危險，但圖3（c）的非支護區(qū)出現(xiàn)中等沖擊危險，說明鉆孔間距大于1.6m后，卸壓效果減弱。

現(xiàn)場施工后，進行電磁波CT探測時鉆孔沒有出現(xiàn)塌孔。由上述分析可知，鉆孔不塌孔，且孔間距小于1.6m時，由于受鉆孔施工擾動，孔間煤體易產(chǎn)生裂隙發(fā)生破碎，導致應力重新分布，起到一定的卸壓效果，降低沖擊危險性。

圖4 探測區(qū)域電磁波吸收異常及危險指數(shù)

3 結(jié)論

研究表明，大孔徑鉆孔在未產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象的情況下也具有卸壓效果，鉆孔施工產(chǎn)生的擾動會導致鉆孔周邊圍巖裂隙產(chǎn)生，從而導致應力重新分布，當孔間距小于1.6m時，擾動產(chǎn)生裂隙，導致圍巖破碎，應力重新分布，達到卸壓的效果。隨著孔間距的增大，擾動產(chǎn)生的裂隙程度減小，卸壓效果有所減弱。此外，鉆孔過于密集會導致支護系統(tǒng)損傷，針對不同工況與煤巖體性質(zhì)，可利用電磁波CT技術(shù)確定合理的鉆孔間距，實現(xiàn)最好的卸壓效果。