高應(yīng)力巷幫階梯型卸壓孔合理參數(shù)研究

宋代福，馬志濤，崔永強(qiáng)，盧可玉

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

沖擊地壓是煤巖采動誘發(fā)高強(qiáng)度彈性能瞬間釋放，引起相應(yīng)采動空間煤巖強(qiáng)烈震動和沖擊擠出的動力現(xiàn)象，是我國煤礦常見的重大災(zāi)害事故[1]。眾多學(xué)者已對沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、沖擊地壓預(yù)測及防治方法等開展了系統(tǒng)研究[2-4]。目前，鉆孔卸壓是我國防治礦井沖擊地壓最常用、最有效的方法之一，對于鉆孔卸壓機(jī)理，馬斌文等[5]基于沖擊地壓應(yīng)力控制理論，推導(dǎo)了鉆孔卸壓區(qū)的邊界方程，分析了煤體性質(zhì)、鉆孔直徑及應(yīng)力環(huán)境對鉆孔卸壓區(qū)分布的影響；袁紅輝等[6]從圍巖破裂面與主應(yīng)力夾角、圍巖峰值強(qiáng)度和彈性模量變化角度，分析了卸壓孔對圍巖整體力學(xué)性能的影響；李生舟[7]通過理論分析和FLAC3D數(shù)值模擬獲得了擴(kuò)孔卸壓后煤體破壞形態(tài)、塑性區(qū)范圍及應(yīng)力分布規(guī)律；譚云亮等[8]研究了深部煤巷幫部不同破壞類型的能量釋放特征，揭示了深部煤巷幫部“卸-固”協(xié)同控制機(jī)理，研發(fā)了深部煤巷幫部失穩(wěn)“卸-固”協(xié)同控制技術(shù)；宋希賢等[9]采用RFPA2D-Dynamic數(shù)值軟件研究動力擾動下深部巷道卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)作用機(jī)理；趙振華等[10]對含卸壓孔的輝長巖試樣進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲得了其峰前應(yīng)力松弛特性、松弛模型和超聲波變化規(guī)律，揭示了應(yīng)力松弛過程的卸壓孔作用機(jī)制。卸壓孔參數(shù)研究方面，李東印等[11]用FLAC3D模擬分析了高應(yīng)力煤巷卸壓孔的形狀參數(shù)對其卸壓效果的影響，發(fā)現(xiàn)卸壓區(qū)范圍隨卸壓孔孔徑的增大而增大，隨鉆孔深度的增加而減小；王俊銘等[12]借助COMSOL 模擬軟件分析了擴(kuò)孔卸壓后煤體所受應(yīng)力變化和滲透率變化情況，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)孔挖出煤量越大，擴(kuò)孔孔洞周邊煤體的徑向位移形變量也越大；耿敏敏等[13]采用數(shù)值模擬法對不同卸壓孔布置方式的卸壓效果進(jìn)行計(jì)算和對比分析，發(fā)現(xiàn)卸壓孔五花布置時(shí)卸壓效果最為明顯；齊燕軍等[14]通過含預(yù)制卸壓孔的煤柱模型相似試驗(yàn)，分析了卸壓孔直徑對煤柱破壞特征、強(qiáng)度特征及聲發(fā)射特性的影響，確定了卸壓孔直徑的合理取值范圍；高永格等[15]利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)對不同孔徑周圍應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相同地質(zhì)條件下適當(dāng)增大鉆孔直徑可有效增加鉆孔周圍塑性區(qū)半徑，從而提高鉆孔卸壓效果。

上述研究表明，鉆孔卸壓法非常有效，鉆孔參數(shù)對卸壓效果影響較大，孔徑越大、孔間距越小，卸壓效果越明顯。但也有研究表明，大直徑鉆孔會弱化巷道圍巖力學(xué)性能，對破碎圍巖造成較大擾動，使巷道圍巖變形過大，降低巷道穩(wěn)定性支護(hù)控制。如黃文等[16]采用ABAQUS有限元模擬，對擴(kuò)孔段的成孔效果和最大擴(kuò)孔直徑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)孔段直徑與圍巖強(qiáng)度和圍壓均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；顧士坦等[17]也發(fā)現(xiàn)在鉆孔卸壓施工過程中，為保證卸壓效果，經(jīng)常會出現(xiàn)卸壓過度的現(xiàn)象，對巷道淺部圍巖承載結(jié)構(gòu)造成破壞，圍巖變形劇烈，使開挖擾動后已發(fā)生破碎的巷道淺部圍巖更加破碎，大大增加了后期支護(hù)難度和支護(hù)成本。因此，如何既能保證鉆孔卸壓效果，又能降低卸壓孔對巷道淺部圍巖擾動是鉆孔卸壓法亟待解決的問題。

本研究利用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值仿真模型，對階梯型鉆孔卸壓技術(shù)進(jìn)行模擬，比較分析卸壓效果和對圍巖擾動的影響，探討鉆孔長度、直徑和鉆孔間距等參數(shù)的影響。

1 鉆孔卸壓機(jī)理分析

如圖1所示，鉆孔卸壓是在高應(yīng)力煤體內(nèi)施工大直徑鉆孔，使周圍煤體破裂變形，釋放煤體內(nèi)彈性應(yīng)變能，降低煤體應(yīng)力。圖中，σ、L、s分別為應(yīng)力、鉆孔長度、鉆孔與巷幫距離。當(dāng)卸壓孔布置合理，卸壓孔周圍破碎區(qū)相互連通，便可形成大范圍的卸壓區(qū)，使得巷道煤壁附近的高應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而起到防治沖擊地壓的目的[18]。

圖1 鉆孔卸壓機(jī)理示意圖Fig. 1 Mechanism of drilling pressure relief

鉆孔卸壓效果主要取決于鉆孔周邊煤體破壞程度，煤體破壞范圍越大，卸壓效果越明顯。假定煤巖為彈塑性體，卸壓孔周邊彈塑性區(qū)及圍巖單元體受力狀態(tài)如圖2所示。其中，r0為鉆孔半徑，Rp為塑性區(qū)半徑，Re為彈性區(qū)半徑且趨于無窮遠(yuǎn)，p0為圍巖地應(yīng)力，σr、σθ分別為單元體徑向和環(huán)向正應(yīng)力，τrθ=τθr為單元體切向應(yīng)力。根據(jù)巖體彈塑性理論[19]，由軸對稱應(yīng)力問題，可得鉆孔周邊彈性區(qū)應(yīng)力和位移如式(1)所示：

圖2 卸壓孔周邊巖體單元受力模型

(1)

對于鉆孔周圍塑性區(qū)，聯(lián)合平衡微分方程和Mhor-Coulomb準(zhǔn)則，可得塑性區(qū)應(yīng)力為：

(2)

根據(jù)彈性區(qū)和塑性區(qū)完全接觸邊界條件，有：

(3)

聯(lián)立式(1)、(2)和(3)，可得塑性區(qū)半徑Rp、彈性區(qū)邊界徑向位移ue分別為：

(4)

(5)

由式(4)和(5)可知，當(dāng)原巖應(yīng)力和圍巖力學(xué)參數(shù)一定時(shí)，卸壓孔圍巖塑性區(qū)半徑Rp與卸壓孔大小r0成正比，卸壓孔越大，卸壓效果越明顯，但也導(dǎo)致孔周圍彈性區(qū)徑向位移ue增大。因此，實(shí)際工程中，卸壓孔過大會導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生較大的豎向變形，不利于巷道穩(wěn)定性控制，為解決上述問題提出階梯型擴(kuò)孔卸壓技術(shù)。

2 階梯型鉆孔卸壓分析

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)某礦開采實(shí)際情況，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，利用ABAQUS有限元軟件，建立數(shù)值模型如圖3所示。模型尺寸(長×寬×高)為60 m×10 m×39 m，巷道寬4 m，高3.2 m，采用Mhor-Coulomb準(zhǔn)則，模型周邊法向位移約束，底部固支。設(shè)煤層埋深800 m，頂部施加均布荷載20 MPa。

圖3 階梯型鉆孔卸壓數(shù)值模型

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

模擬步驟：首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，再進(jìn)行巷道開挖，并進(jìn)行第二次靜態(tài)平衡計(jì)算；然后，在巷道右側(cè)距巷道底板1.5 m處，模擬不同工況卸壓孔開挖，計(jì)算圍巖垂直應(yīng)力和變形，分析比較卸壓效果。

2.2 卸壓效果比較

取常規(guī)大直徑卸壓孔的孔徑為0.3 m，鉆孔長度為20 m；階梯型卸壓孔在巷幫淺部為小直徑鉆孔，孔徑0.1 m，長度2.5 m，深部采用大直徑鉆孔，孔徑0.3 m，長度17.5 m。著重比較卸壓孔范圍內(nèi)煤巖體垂直應(yīng)力和巷道圍巖變形情況，結(jié)果如圖4、圖5所示。比較可知，在鉆孔范圍內(nèi)，兩種形式鉆孔均能有效降低圍巖垂直應(yīng)力，將應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，起到卸壓作用。由于階梯型卸壓孔在巷幫圍巖淺部采用0.1 m小直徑鉆孔，相比常規(guī)大直徑鉆孔，巷道頂板和兩幫的最大位移量分別降低了約70%和63%，有效降低了圍巖變形量，更有利于巷道穩(wěn)定性控制。

圖4 不同卸壓方式圍巖垂直應(yīng)力變化Fig. 4 Vertical stress variations ofdifferent pressure relief methods

圖5 不同卸壓方式圍巖變形量 Fig. 5 Surrounding rock deformation of different pressure relief methods

3 階梯型鉆孔卸壓合理參數(shù)分析

3.1 卸壓孔直徑

取孔徑分別為0.1、0.2和0.3 m三種常規(guī)卸壓孔，單排布置，孔間距0.6 m，孔長度20 m。圖6為鉆孔卸壓后圍巖垂直應(yīng)力分布。從圖中可以看出，當(dāng)孔徑為0.1 m時(shí)，圍巖應(yīng)力沒有降低，應(yīng)力峰值幾乎沒有向深處轉(zhuǎn)移，無卸壓效果；當(dāng)孔徑為0.2 m時(shí)，垂直應(yīng)力開始降低，應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移不明顯，卸壓效果微弱；孔徑增至0.3 m時(shí)，垂直應(yīng)力顯著降低，比原巖應(yīng)力降低約22%，應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移明顯，卸壓效果顯著。因此，對于階梯型卸壓孔，靠近巷幫小直徑段的孔徑不宜大于0.1 m，而深部大直徑段的孔徑宜大于0.2 m，大于0.3 m時(shí)卸壓效果顯著。

圖6 不同孔徑卸壓孔圍巖垂直應(yīng)力比較

3.2 卸壓孔長度

階梯型卸壓孔長度L由小直徑段長度L1和大直徑段長度L2組成。一般情況，L1不大于巷幫應(yīng)力降低區(qū)的寬度，L2則應(yīng)大于應(yīng)力集中影響區(qū)域?qū)挾?，如圖7所示。以埋深800 m，寬4.0 m，高3.2 m的巷道為例，不考慮巷道支護(hù)阻力，模擬開挖后巷道圍巖支承壓力及原巖應(yīng)力如圖8，可見距巷幫0～3 m范圍為應(yīng)力降低區(qū)，3～20 m為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值距巷幫約5 m，故取階梯型卸壓孔總長度L=20 m，其中L1和L2長度按表2取值；取卸壓孔小直徑段的孔徑為0.10 m，大直徑段孔徑為0.30 m，鉆孔間距0.60 m，單排布置。則卸壓效果如圖9和圖10所示。

圖7 鉆孔長度確定示意圖

圖8 巷道圍巖支承壓力及原巖應(yīng)力

表2 階梯型卸壓孔長度組合方案

圖9 不同長度組合階梯型卸壓孔垂直應(yīng)力云圖

圖10 不同長度組合階梯型卸壓孔垂直應(yīng)力分布

圖9、圖10分別為巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖和沿卸壓孔軸線方向的變化曲線?？煽闯?，當(dāng)淺部小直徑段鉆孔長度L1≤3 m時(shí)(方案1～3)，在鉆孔總長度20 m范圍內(nèi)圍巖垂直應(yīng)力明顯降低，鉆孔底部應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，整體卸壓效果明顯；當(dāng)L1=4 m或5 m時(shí)(方案4、方案5)，雖然巷道右側(cè)7～20 m區(qū)域內(nèi)卸壓明顯，但3～6 m范圍內(nèi)仍存在較高應(yīng)力集中現(xiàn)象，卸壓效果不理想。結(jié)果表明上述階梯型卸壓孔小直徑段長度L1和大直徑段長度L2的確定原則較為合理。

3.3 卸壓孔間距

設(shè)巷道埋深800 m，取階梯型卸壓孔小直徑段的孔徑為0.10 m，長度L1=2.50 m，大直徑段的孔徑為0.30 m，長度L2=17.50 m；卸壓孔單排布置，孔間距分別為0.60、0.80、1.00和1.50 m。模擬所得鉆孔圍巖塑性破壞和垂直應(yīng)力變化分別如圖11和圖12所示。

圖11 不同間距卸壓孔圍巖塑性破壞

由圖11可以看出，當(dāng)孔間距小于1.00 m時(shí)，孔間巖體的塑性破壞貫通，有利于提高鉆孔整體卸壓效果；而隨孔間距增大，孔間巖體存在未破壞彈性區(qū)，則會降低卸壓效果。由圖12也可以看出，當(dāng)孔間距大于1.00 m時(shí)，沿鉆孔長度方向，圍巖垂直應(yīng)力的降低和應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移都不明顯，表明卸壓效果不理想。但當(dāng)孔間距小于1.00 m時(shí)，應(yīng)力降低和轉(zhuǎn)移效果非常明顯。由此可見，對于階梯型單排卸壓孔，孔間距小于1.00 m較為合適。

圖12 不同間距卸壓孔圍巖垂直應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1) 階梯型鉆孔具有良好卸壓效果，可有效降低鉆孔對巷幫圍巖擾動。對比0.30 m常規(guī)大直徑鉆孔，當(dāng)巷幫淺部采用0.10 m小直徑階梯型鉆孔時(shí)，巷道頂板最大下沉量減少約70%，鉆孔側(cè)巷幫水平位移量減少約63%，更有利于控制巷道穩(wěn)定性。

2) 對于階梯型卸壓孔，巷幫淺部小直徑段的孔徑不宜大于0.10 m，鉆孔長度應(yīng)小于巷幫圍巖應(yīng)力降低區(qū)的寬度；巷幫深部大直徑段的孔徑宜大于0.30 m，鉆孔長度應(yīng)大于圍巖應(yīng)力集中影響區(qū)寬度。

3) 對于單排布置卸壓孔，以0.30 m孔徑為例，當(dāng)孔間距小于1.00 m時(shí)，孔間巖體塑性破壞能完全貫通，整體卸壓效果明顯。