綜采面回采巷道鉆孔卸壓機(jī)理及實(shí)踐效果分析

（山西同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036010）

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷加大，采場(chǎng)周邊圍巖應(yīng)力分布也逐漸變的較為復(fù)雜，由礦壓顯現(xiàn)引起的礦山災(zāi)害也日益嚴(yán)重[1]。對(duì)于礦山壓力顯現(xiàn)的防治措施主要包括區(qū)域性防范措施和局部性的解危措施[2]，前者主要是通過(guò)支護(hù)體來(lái)阻止圍巖的破壞，后者主要是通過(guò)改變圍巖體的承載結(jié)構(gòu)來(lái)防止圍巖破壞，包括鉆孔卸載爆破、鉆孔卸壓及注水卸壓等措施。由于鉆孔卸壓具有施工簡(jiǎn)單和對(duì)礦井地質(zhì)條件要求不高等特點(diǎn)，故在礦壓顯現(xiàn)防治中得到了較為廣泛的應(yīng)用。為此，本文將以某礦80150綜采工作面為工程背景，探索鉆孔卸壓技術(shù)對(duì)于改善采面應(yīng)力分布的效果。

1 工程背景

某礦80150綜采工作面開(kāi)采煤層位于侏羅紀(jì)中統(tǒng)，煤層平均厚度為10.36m，煤層傾角1°～3°，工作面走向長(zhǎng)度2203m，工作面傾斜長(zhǎng)度160 m。偽頂為泥質(zhì)砂巖，厚度約0.4 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.3～6.3 m；基本頂為細(xì)砂巖，厚度6.4～19.7 m；直接底為泥巖，厚度在1.2～4.2 m；煤層直接頂、底板的普氏系數(shù)分別為5和6。順槽進(jìn)、回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面形狀為矩形，巷道頂板采用五排“螺紋鋼錨桿+W型鋼帶”和三二式布置“錨索+鐵托板”配合金屬網(wǎng)混合支護(hù)，兩幫采用三排“螺紋鋼錨桿+托板+金屬網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)。

在工作面回采期間，回風(fēng)順槽時(shí)常發(fā)生大面積片幫及頂板冒落，嚴(yán)重時(shí)造成支護(hù)體失效，影響工作面的正?；夭?。巷道破壞情況見(jiàn)圖1。

圖1 回采巷道礦壓顯現(xiàn)情況

2 巷道破壞原理及鉆孔卸壓機(jī)理分析

2.1 巷道破壞原理分析

該礦所采煤層頂?shù)装鍒?jiān)硬且所受應(yīng)力較大，受開(kāi)采擾動(dòng)影響而巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈。根據(jù)巖層堅(jiān)硬且高應(yīng)力地區(qū)巖層控制理論，礦壓顯現(xiàn)劇烈的原因主要是煤巖體開(kāi)挖后，高應(yīng)力區(qū)域的圍巖應(yīng)力重新分布造成的巖層活動(dòng)。圖2為建立的巷道圍巖受力力學(xué)模型。

圖2 巷道圍巖受力力學(xué)模型

根據(jù)巖石力學(xué)理論分析[3-4]，在巷道開(kāi)挖后，因臨空面的產(chǎn)生，煤巖體受力狀態(tài)由原來(lái)的三向受力變?yōu)閱蜗蚴芰螂p向受力，圍巖應(yīng)力重新分布，引起應(yīng)力集中，并在煤巖體自承力的作用下，最終會(huì)達(dá)到應(yīng)力新的平衡。此時(shí)，在離巷道幫部一定的范圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力極限平衡區(qū)，圖2中l(wèi)為極限平衡區(qū)的長(zhǎng)度。隨著采動(dòng)的影響，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)煤巖體的破壞強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力極限平衡被打破，巷道發(fā)生片幫和冒頂，隨之重新進(jìn)入一個(gè)新的平衡狀態(tài)，煤巖體的應(yīng)力峰值σmax也向深部轉(zhuǎn)移。

2.2 鉆孔卸壓機(jī)理分析

鉆孔卸壓的原理和巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力重新分布的原理相似[5]，在巷道表面施工鉆孔后，鉆孔周圍應(yīng)力會(huì)重新分布，引起鉆孔孔邊應(yīng)力集中，并在鉆孔周圍一定范圍形成卸壓區(qū)。當(dāng)合理布置卸壓鉆孔后，會(huì)使鉆孔卸壓區(qū)相互貫通形成一條鉆孔弱化帶，如圖3。這樣不僅破壞了煤巖體的自承能力，也改變了應(yīng)力極限平衡區(qū)，使煤巖體的塑性區(qū)和應(yīng)力峰值σmax向深部轉(zhuǎn)移，從而能有效降低巖層堅(jiān)硬且高應(yīng)力地區(qū)巷道周邊圍巖應(yīng)力，起到保護(hù)巷道的作用。

圖3 鉆孔卸壓原理

3 鉆孔卸壓參數(shù)確定及布置方案

3.1 巷道卸壓鉆孔參數(shù)確定

（1）鉆孔直徑及卸壓區(qū)半徑確定

在鉆孔過(guò)程中，為了防止鉆孔直徑過(guò)大而出現(xiàn)孔邊應(yīng)力集中而出現(xiàn)破壞，所以選取鉆孔直徑不宜過(guò)大，其鉆孔直徑計(jì)算見(jiàn)式（1）[2]：

式中：d為鉆孔直徑，mm；R為彈性區(qū)半徑，m；σp為圍巖所受的切向應(yīng)力為煤巖體的內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計(jì)算得鉆孔的直徑為150 mm，鉆孔卸壓區(qū)邊界方程[1]見(jiàn)式（2），通過(guò)式（2）計(jì)算得鉆孔卸壓區(qū)半徑為0.4 m。

式中：ρ為卸壓區(qū)半徑，m；d為鉆孔直徑，m；C為煤巖體內(nèi)聚力，MPa；P為煤巖體所受垂直應(yīng)力，MPa；k為側(cè)壓系數(shù)，取1.2。

（2）鉆孔深度及間排距

因單個(gè)鉆孔卸壓區(qū)半徑為0.4 m（考慮理論與實(shí)際偏差），結(jié)合鉆孔卸壓區(qū)的分布形式，為確保鉆孔卸壓區(qū)相互貫通而形成弱化帶，確定鉆孔之間的排距為1.5m，間距為0.6 m。

根據(jù)極限平衡區(qū)寬度的計(jì)算公式（3）確定鉆孔深度范圍：

式中：H為煤層厚度，m；F為支護(hù)體阻力，kN。計(jì)算出極限平衡區(qū)寬度為15m，一般鉆孔深度L要滿足：l/2＜L≤l，結(jié)合本工作面和巷道的實(shí)際生產(chǎn)條件及施工難易程度，確定卸壓鉆孔的深度為10 m。

3.2 巷道鉆孔布置

根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈理論分析可知，鉆孔形成的卸壓區(qū)分布形狀為“蝶”形。因此，鉆孔的布置方位及相互位置關(guān)系會(huì)影響鉆孔卸壓區(qū)弱化帶的形成，所以鉆孔布置方式宜采用兩排三花眼布置，見(jiàn)圖4。

圖4 巷道鉆孔平面布置

4 鉆孔卸壓效果分析

為研究巷道鉆孔卸壓實(shí)際應(yīng)用效果，在回采巷道非生產(chǎn)幫間隔30 m安裝一組深6m的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)卸壓區(qū)和未卸壓區(qū)進(jìn)行為期30 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取每個(gè)測(cè)點(diǎn)30 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值并繪制應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 距工作面不同距離煤柱體超前應(yīng)力變化曲線

從圖中可以看出，經(jīng)鉆孔卸壓后，工作面支承壓力超前影響距離由125 m擴(kuò)大為145 m；工作面在未卸壓區(qū)域推進(jìn)過(guò)程中，在距工作面15m處支承壓力達(dá)到峰值，大小為12.5MPa；而在卸壓區(qū)域推進(jìn)過(guò)程中，在距工作面30m處支承壓力才達(dá)到峰值，大小為9.5MPa。此時(shí)，未卸壓區(qū)應(yīng)力峰值是卸壓區(qū)的1.3倍，卸壓區(qū)的應(yīng)力峰值距工作面的距離是未卸壓區(qū)的1倍。可見(jiàn)，在工作面回采的動(dòng)壓影響下，鉆孔卸壓后的煤柱淺部區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力下降，使應(yīng)力集中區(qū)域向巷幫深部轉(zhuǎn)移，提高了回采巷道圍巖的穩(wěn)定程度，保證了工作面的安全回采。

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)80150綜放工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行鉆孔卸壓實(shí)踐表明，鉆孔卸壓后工作面超前支承壓力峰值下降了24%，應(yīng)力峰值距工作面的距離由15 m擴(kuò)大為30m，超前影響距離由125 m增至145 m。

2）巷道經(jīng)鉆孔卸壓后使應(yīng)力峰值向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，降低了淺部煤巖體的圍巖應(yīng)力，有效的控制了巷道周邊圍巖變形。