忻州窯礦卸壓鉆孔技術(shù)參數(shù)研究

張鄭偉

（晉能控股集團同大科技研究院，山西大同037003）

1 引言

我國礦井強礦壓具有頻次高、災(zāi)害大等特性。近年來，由于開采深度不斷增大，構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境越加復(fù)雜，導(dǎo)致深部礦井動力災(zāi)害發(fā)生的強度和頻率逐漸提升，威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-2]。

目前，國內(nèi)外防治強礦壓的主要技術(shù)措施包括煤層注水、煤層松動爆破、鉆孔卸壓、爆破切頂、底板松動爆破和微震監(jiān)測等解危和預(yù)警措施，都已取得了一定的效果，但其防治強礦壓的可靠性及技術(shù)參數(shù)有待進一步優(yōu)化。

2 工程概況

忻州窯礦是大同礦區(qū)強礦壓顯現(xiàn)礦井，2011年至今，井田在開采西二盤區(qū)綜放面時出現(xiàn)多起強礦壓事故，導(dǎo)致頂板下沉，底鼓等嚴重礦井災(zāi)害。8939工作面位于井田的西側(cè)，屬于高集中應(yīng)力區(qū)域，停采后，煤柱仍處于較高應(yīng)力狀態(tài)，同時，采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)被破壞，短時間內(nèi)不可能形成密實的結(jié)構(gòu)，將繼續(xù)緩慢移動，直至覆巖穩(wěn)定。煤柱應(yīng)力的升高和能量的積聚，易誘發(fā)強礦壓動力災(zāi)害。

8939工作面停采后，搬遷將維持一個多月的時間，為確保工作面設(shè)備安全回撤，需在停采前針對煤柱采取鉆孔卸壓、液態(tài)CO2松動爆破等措施進行卸壓解危，使煤柱充分卸壓。

3 鉆孔卸壓措施及參數(shù)優(yōu)化

3.1 卸壓鉆孔的布置

為了確定合理的鉆孔直徑、孔間距、孔深以及最佳打鉆時間，從而使卸壓孔達到最佳的卸壓效果，本次制定了四種實驗方案。選擇8939工作面5939巷，從停采線（1 214 m）至絞車窩(1 254 m)，距離底板1 m高處，沿煤壁垂直打一排卸壓鉆孔和液態(tài)CO2爆破孔，總共分為5個不同的區(qū)域，Ⅴ區(qū)域為探測區(qū)，其目的是為了檢驗光纖光纜的正常運行和工作，如圖1所示。

圖1 鉆孔布置平面圖

（1）方案一：孔徑不同時

施工直徑為65 mm、90 mm和108 mm的卸壓鉆孔各3個，一共9個。孔間距1.5 m，孔長度為6.0 m，見1中Ⅰ區(qū)域。

（2）方案二：不同孔間距時

施工直徑φ108 mm的卸壓孔兩組，共計6個，孔間距按照0.5 m、0.75 m和1 m布置，孔長6.0 m，組間距1.5 m，見1中Ⅱ區(qū)域。

（3）方案三：卸壓鉆孔與爆破鉆孔卸壓效果對比

施工常規(guī)卸壓孔（圖1Ⅳ區(qū)域）和液態(tài)CO2爆破孔（圖1Ⅲ區(qū)域），對比不同卸壓措施卸壓效果。常規(guī)卸壓孔孔徑φ108 mm、長度8.0 m、孔間距為0.5 m；爆破孔布置兩組，每組直徑50 mm和65 mm，孔間距均為1.5 m。

（4）方案四：卸壓效果與時間的關(guān)系

對孔徑φ108 mm，孔間距0.75m的組合卸壓孔進行連續(xù)監(jiān)測，分析卸壓效果隨時間的變化關(guān)系。

3.2 監(jiān)測方法

（1）監(jiān)測原理

本次采用的是分布式光纖感測技術(shù)。該技術(shù)主要是將感測光纜和光纖壓力測試管與煤巖固結(jié)為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)同步變形，可以測出煤體應(yīng)力變化大小及其卸壓變形的影響范圍[3-5]。

（2）監(jiān)測方案

在卸壓鉆孔正上方布設(shè)一個監(jiān)測孔，于孔中安裝一條長度為44 m的光纖光纜，用于監(jiān)測卸壓效果，監(jiān)測方案見表1。

表1 鉆孔參數(shù)及光纖監(jiān)測方案設(shè)計

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖2 傳感光纜應(yīng)變與卸壓鉆孔的對照圖

圖2 主要反映的是各鉆孔對應(yīng)的應(yīng)變大小。正值表示拉應(yīng)變，負值表示壓應(yīng)變，圖中顯示以拉應(yīng)變?yōu)橹鳎从沉丝變?nèi)光纖以受徑向拉伸作用為主。由于鉆孔直徑的差異，應(yīng)變值大小不同，最高達到180με。另外，隨著孔間距縮小，應(yīng)變值在增大。隨著監(jiān)測時間的持續(xù)進行，光纖的應(yīng)變值經(jīng)歷緩慢變化、快速變化到最后基本穩(wěn)定的變化過程。

（1）不同直徑卸壓孔數(shù)據(jù)分析

從單個鉆孔入手，每個鉆孔之間的間距為1.5 m，將監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合成圖3可知，φ65 mm孔測出最大應(yīng)變值的平均數(shù)為18με，卸壓影響范圍平均為0.73 m；φ 90 mm孔測出最大應(yīng)變值的平均數(shù)為32με，卸壓影響范圍平均為1.34 m；φ108 mm孔測出最大應(yīng)變值的平均數(shù)為68με，卸壓影響范圍平均為1.85 m。由此可知，直徑越大，其周邊最大應(yīng)變與影響范圍的逐漸增加。就卸壓范圍而言，φ108 mm的鉆孔較φ90 mm和φ 65 mm的鉆孔分別增大38%和150%?？梢?，選擇φ 108 mm的鉆孔卸壓效果最好。

圖3 不同直徑卸壓鉆孔應(yīng)變曲線及影響范圍曲線圖

（2）不同孔間距卸壓孔數(shù)據(jù)分析

將監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合成圖4。兩個鉆孔時，φ108mm保持不變：當孔間距為1 m的組合孔時，最大應(yīng)變是94 με，卸壓影響范圍是2.53 m；當孔間距為0.75 m的組合孔時，最大應(yīng)變是134με，卸壓影響范圍是2.53 m；當孔間距為0.5 m的組合孔時，最大應(yīng)變是113με，卸壓影響范圍是2.33 m；

與單孔相比，雙孔附近應(yīng)力集中程度較大，尤其是在雙孔中部位置的應(yīng)力增長更加顯著，越容易破裂，卸壓的效果更好。因此，建議鉆孔間距不大于0.75 m。

（3）卸壓孔時效性分析

圖4 不同間距卸壓鉆孔應(yīng)變曲線及影響范圍曲線圖

圖5 反應(yīng)了鉆孔的卸壓效果隨時間的變化趨勢。大致可以看出：鉆孔卸壓初期應(yīng)變無明顯變化，基本保持在10με以內(nèi)；在第2天到第12天時應(yīng)變值增加速度變快，達到108με；在第12天到第18天時，應(yīng)變增加變緩，且趨于穩(wěn)定值134με。綜上，超前18天施工卸壓 鉆孔效果最好。

圖5 孔間距0.75 m組合卸壓孔應(yīng)變隨時間變化圖

4 結(jié)論

針對忻州窯礦8939工作面強礦壓特征，采取了鉆孔缷壓的技術(shù)措施。在分析不同直徑、不同孔間距以及隨時間變化時鉆孔周邊應(yīng)變與卸壓范圍進行分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了鉆孔技術(shù)參數(shù)：超前18天施工孔徑為108 mm，孔間距為0.75 m，長度為8 m的鉆孔卸壓效果最佳。