一次成孔300 mm煤層大直徑鉆孔防沖效能試驗(yàn)

潘俊鋒，閆耀東，馬宏源，鄔 迪，劉少虹

( 1. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4. 煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013 )

隨著我國煤炭資源開采深度和強(qiáng)度不斷加大，沖擊地壓災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，其防治工作十分重要[1-5]。由于煤層大直徑鉆孔卸壓防治沖擊地壓的方法具有眾多優(yōu)勢(shì)，因此在我國煤礦應(yīng)用十分廣泛，而在同一礦井防沖方法中大直徑卸壓鉆孔工程量占比達(dá)70%以上[6-11]。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)大直徑鉆孔卸壓技術(shù)的研究很多，朱斯陶[12]等在新巨龍煤礦的實(shí)際應(yīng)用中為獲取合理的鉆孔卸壓參數(shù)，提出采用能量耗散指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算；蘭永偉[13]等利用數(shù)值模擬的方法分析了鉆孔孔徑、間距以及煤巖體應(yīng)力對(duì)卸壓效果的影響；史慶穩(wěn)[14]等結(jié)合孟村煤礦的具體條件，論證了最優(yōu)施工參數(shù)下的鉆孔卸壓防沖效果；李金奎[15]等用ADINA模擬了小煤柱應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓效果，得出了鉆孔周圍位移與應(yīng)力分布變化規(guī)律；李國宏[16]等提出了卸壓鉆孔技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中證明了采用此種方法能夠彌補(bǔ)高壓注水和震動(dòng)爆破措施的缺陷；王猛[17]等分析了深部巷道鉆孔卸壓機(jī)理，提出以應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果及圍巖變形控制效果作為卸壓效果的直接評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步將卸壓程度分為非充分卸壓、充分卸壓和過度卸壓3類；馬振乾[18]等研究了鎖腿錨桿與卸壓鉆孔實(shí)施前后U型鋼支架的載荷分布規(guī)律及巷道變形特征；李永和[19]應(yīng)用光彈試驗(yàn)對(duì)圓形與梯形巷道進(jìn)行了大量的孔群卸壓自承圍巖結(jié)構(gòu)體系的模擬試驗(yàn)研究；劉紅崗[20]等研究認(rèn)為合理布置的卸壓孔可以導(dǎo)致巷幫圍巖的結(jié)構(gòu)性預(yù)裂破壞，從而使圍巖高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

以上研究在指導(dǎo)沖擊地壓礦井安全生產(chǎn)方面具有重大意義，但受制于技術(shù)水平的發(fā)展，大直徑鉆孔一次成孔孔徑普遍不超過150 mm，其在卸壓方面仍存在不足：卸壓半徑小、應(yīng)力恢復(fù)快、中硬及以上煤層不塌孔起不到卸壓作用等，致使對(duì)沖擊地壓的高效防控難以實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的煤層基礎(chǔ)靜載荷的消除，筆者在煤層大直徑鉆孔卸壓作用機(jī)制研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了一次成孔300 mm直徑鉆進(jìn)技術(shù)裝備，并在耿村煤礦開展了一次成孔300 mm直徑鉆孔防沖效能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，防沖效果提升顯著。

1 煤層大直徑鉆孔卸壓作用機(jī)制

1.1 大直徑鉆孔卸壓防沖理論基礎(chǔ)

如圖1所示，煤層巷道開挖后，在巷道兩幫煤體形成側(cè)向應(yīng)力集中，以右?guī)蜑槔?，記自然形成?yīng)力曲線為σg，其峰值為σgmax；記煤層大直徑鉆孔施工后形成的應(yīng)力曲線為σxg，其峰值為σxgmax。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證表明，σxgmax＜σgmax。

圖1 巷幫大直徑鉆孔卸壓前后應(yīng)力曲線示意Fig. 1 Schematic diagram of stress curves before and after pressure relief of large diameter borehole in roadway side

如圖2所示，沿巷道走向，即工作面推進(jìn)方向可將煤體中應(yīng)力狀態(tài)分為3種情況，自左至右分為3個(gè)區(qū)：① 卸壓區(qū)：煤層采取了大直徑鉆孔卸壓，由于相鄰鉆孔的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致鉆孔施工區(qū)域應(yīng)力向煤層深部轉(zhuǎn)移，此處形成卸壓區(qū)，最大應(yīng)力為σxgmax；② 原壓區(qū)：緊鄰卸壓區(qū)，由于沒有采取任何卸壓措施，該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)為巷道開挖后自然形成的應(yīng)力集中曲線，最大應(yīng)力σgmax=σxgmax，這兩個(gè)應(yīng)力峰值處于相等狀態(tài)；③ 增壓區(qū)：此區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婊夭蓴_動(dòng)區(qū)域，由于工作面采空區(qū)頂板懸頂，在工作面煤壁前方形成較高的彎曲彈性能，形成應(yīng)力集中曲線，并且隨著工作面推進(jìn)，不斷向前移動(dòng)，因此把該曲線記作σy，最大應(yīng)力為σymax。在工作面推進(jìn)過程中，移動(dòng)的增壓區(qū)分別與固定的原壓區(qū)、卸壓區(qū)應(yīng)力疊加。

圖2 工作面推進(jìn)方向煤層卸壓前后應(yīng)力曲線示意Fig. 2 Stress curve of coal seam before and after pressure relief in the advancing direction of working face

如果僅僅關(guān)注最大應(yīng)力值，由于σxgmax＜σgmax，因此σxgmax+σymax＜σgmax+σymax，因此大直徑鉆孔卸壓區(qū)域起到了降低應(yīng)力疊加強(qiáng)度，從而防治沖擊地壓的目的。

1.2 鉆孔直徑卸壓作用機(jī)制

在煤體中打鉆孔后會(huì)在鉆孔圍巖中發(fā)生應(yīng)力重新分布并在巷道圍巖淺部出現(xiàn)塑性破壞區(qū)( 圖3[21])，巷道兩側(cè)切向應(yīng)力增高所導(dǎo)致的支承壓力區(qū)即為沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

圖3 圓形巷道圍巖彈塑性應(yīng)力分布[21]Fig. 3 Elastoplastic stress distribution of surrounding rock of circular roadway[21]

圖3中，P0為煤體的初始應(yīng)力；σθp為鉆孔周圍塑性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力；σθe為彈性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力；σrp為鉆孔周圍塑性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力；σre為鉆孔周圍彈性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力。

在平面應(yīng)變條件下，由彈塑性力學(xué)理論分析，巷道圍巖塑性區(qū)半徑Rph的計(jì)算式[14]為

鉆進(jìn)鉆孔后，將在鉆孔孔壁周邊形成彈塑性分區(qū)，形成的塑性區(qū)半徑計(jì)算式[14]為

式中，zr為鉆孔半徑；pr為鉆進(jìn)后鉆孔側(cè)向垂直應(yīng)力。

由此可知，沿鉆孔的鉆進(jìn)方向鉆孔周圍塑性區(qū)半徑的變化規(guī)律[14]為

式中，r為該點(diǎn)至巷道圓心的距離。

由式( 3 )可以發(fā)現(xiàn)，沿鉆孔的鉆進(jìn)方向鉆孔周圍塑性區(qū)半徑Rpz與鉆孔半徑zr呈正相關(guān)，即鉆孔半徑越大，鉆孔周圍塑性區(qū)半徑越大。前文卸壓區(qū)能起到防沖功能的特征主要表現(xiàn)在卸壓鉆孔產(chǎn)生了大量的塑性區(qū)，因此，增大鉆孔直徑可以增大塑性區(qū)范圍，從而增強(qiáng)防沖卸壓效果。

2 一次成孔300 mm直徑鉆進(jìn)技術(shù)裝備研發(fā)

由前文可知，煤層鉆孔直徑越大，防沖效果越好，然而受現(xiàn)有設(shè)備能力及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)制約，我國大直徑鉆孔直徑不超過150 mm，對(duì)于陜、蒙等省(自治區(qū) )較硬煤層難以做到及時(shí)卸壓，沖擊地壓隱患極大。為此，筆者課題組在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助下，首創(chuàng)研制一次成孔300 mm煤層大直徑遠(yuǎn)控鉆機(jī)及其配套鉆進(jìn)工藝。要求回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不小于20 kN·m、一次成孔直徑不小于300 mm、成孔深度不小于80 m、自動(dòng)裝卸鉆桿時(shí)間不超過60 s、井下遙控距離不小于800 m，其目前適用于煤層單軸抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，常規(guī)直徑150 mm鉆孔不易塌孔的堅(jiān)硬煤層卸壓。

研發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)包括解決同時(shí)滿足20 kN·m鉆機(jī)超大轉(zhuǎn)矩、160 kW大功率與1.4 m履帶車體小寬度、小體積之間的矛盾；同時(shí)滿足鉆機(jī)液壓操縱臺(tái)控制( 近控 )、遙控器無線遙控( 近距離遙控 )與煤礦井下800 m遠(yuǎn)程控制( 遠(yuǎn)距離線控 )3種鉆機(jī)操作方式；每種控制方式均具備緊急停機(jī)按鈕，鉆機(jī)操作安全性高。

2.1 大轉(zhuǎn)矩窄機(jī)身

針對(duì)以上研究目標(biāo)，開發(fā)了ZDY20000LK超大扭矩鉆車，如圖4所示，采用整體式結(jié)構(gòu)，由主機(jī)、動(dòng)力泵站、電磁啟動(dòng)器、履帶車體、穩(wěn)固裝置、防爆電控箱等組成。主機(jī)、動(dòng)力泵站、操縱臺(tái)之間通過高壓膠管連接，形成鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要回路，鉆車各部分通過螺栓安裝在履帶車體上，結(jié)構(gòu)緊湊，便于井下搬遷運(yùn)輸。鉆機(jī)行走時(shí)的寬度尺寸在1.4 m以內(nèi)，仰俯角可在0°～20°范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整，滿足全斷面鉆孔施工要求；鉆機(jī)主機(jī)給進(jìn)行程達(dá)到1.4 m，在施工卸壓鉆孔時(shí)，可使用長(zhǎng)度為1 m的鉆桿進(jìn)行中間自動(dòng)加桿。

圖4 鉆車結(jié)構(gòu)示意Fig. 4 Structure diagram of drilling rig

2.2 自動(dòng)裝卸機(jī)械手

上桿裝置由機(jī)械手和推移裝置兩大部分組成，上裝鉆桿時(shí)，機(jī)械手處于210°位置，機(jī)械手活動(dòng)抓手張開，吊裝裝置將螺旋鉆桿吊裝在推移裝置上，推移油缸缸桿伸出將鉆桿軸向頂齊，然后抓手油缸缸桿縮回，活動(dòng)抓手抓緊鉆桿逆時(shí)針行走210°至水平位置，夾持器夾緊鉆桿，回轉(zhuǎn)器主動(dòng)鉆桿向鉆進(jìn)方向移動(dòng)至鉆桿母扣連接，插緊U型銷，然后機(jī)械手活動(dòng)抓手松開，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)210°至起始位置，等待下次抓取鉆桿，至此完成一次鉆桿的自動(dòng)上裝，卸桿與上桿順序正好相反。上桿裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動(dòng)裝卸鉆桿裝置Fig. 5 Automatic drill pipe loading and unloading device

2.3 一次成孔300 mm大直徑鉆桿、鉆頭

配合鉆進(jìn)工藝，研發(fā)了大直徑高螺旋鉆桿，螺旋鉆桿在鉆進(jìn)過程中，除傳遞扭矩外，還要刮切、排出鉆孔內(nèi)的巖煤粉，使鉆進(jìn)得以正常進(jìn)行。因此，對(duì)超大直徑螺旋鉆桿的要求是：要有足夠的抗扭強(qiáng)度，插接方便，且連接部分不妨礙巖煤粉的排出。鉆桿螺旋翼片外圓直徑為260 mm，鉆桿芯桿直徑為114 mm，鉆桿有效長(zhǎng)度1 000 mm，通過六方插接，可傳遞正反兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)矩，處理塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故( 圖6 )。

圖6 φ 260/114 mm窄葉片插接式螺旋鉆桿Fig. 6 φ 260/114 mm narrow blade plug-in spiral drill pipe

為了實(shí)現(xiàn)一次成孔300 mm大直徑鉆孔，如圖7所示，鉆頭采用3/6翼PDC塔式結(jié)構(gòu)，鉆頭一級(jí)直徑為160 mm，布置了3組翼片，主要作用為先導(dǎo)孔的施工；鉆頭二級(jí)直徑為300 mm，布置了6組翼片，在先導(dǎo)孔基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)300 mm直徑鉆孔鉆進(jìn)。

圖7 φ 300 mm PDC3/6翼鉆頭Fig. 7 φ 300 mm PDC3/6 wing bit

2.4 遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)煤幫大直徑卸壓鉆孔遠(yuǎn)距離控制與施工，提高鉆機(jī)的自動(dòng)化程度與鉆場(chǎng)操作人員的安全性，研制了基于煤礦井下鉆機(jī)800 m遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)( 以下簡(jiǎn)稱控制系統(tǒng) )?？刂葡到y(tǒng)是由主控系統(tǒng)、音/視頻系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)3部分構(gòu)成，其中主控系統(tǒng)與音/視頻系統(tǒng)共用一個(gè)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。主控系統(tǒng)是由傳感檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制兩部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，傳感檢測(cè)單元可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)位置、位移、壓力、溫度以及液位等狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以為司鉆人員提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)控制部分可以通過遙控器實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)穩(wěn)固、調(diào)角、行走以及打鉆等執(zhí)行動(dòng)作的控制，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)打鉆、自動(dòng)上卸桿、點(diǎn)動(dòng)打鉆以及自動(dòng)打鉆等功能，滿足鉆機(jī)在井下多種工況條件下的施工。音/視頻系統(tǒng)提供控制系統(tǒng)圖像和對(duì)講功能，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)為主控和音視頻系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程通信，便于實(shí)現(xiàn)800 m遠(yuǎn)程操作。

鉆機(jī)操作人員坐在變電站硐室一邊觀察計(jì)算機(jī)上的四畫面鉆機(jī)視頻圖像一邊進(jìn)行打鉆作業(yè)，如圖8所示。

圖8 鉆機(jī)遠(yuǎn)控操縱臺(tái)Fig. 8 Remote control console of drilling rig

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和使用情況來看，1 000 m遠(yuǎn)程司鉆遙控器與鉆機(jī)通信順暢，無掉線情況；鉆機(jī)工作過程流暢，視頻圖像也運(yùn)行平穩(wěn)，無卡頓和閃屏的情況發(fā)生，圖9為鉆機(jī)四畫面的工作照片。

圖9 遠(yuǎn)控操縱臺(tái)四畫面顯示Fig. 9 Four screen display of remote control console

3 一次成孔300 mm直徑鉆孔防沖效能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

耿村煤礦位于義馬礦區(qū)的中西部，為沖擊地壓礦井。300 mm大直徑卸壓鉆孔試驗(yàn)地點(diǎn)位于耿村煤礦13采區(qū)最南部，膠帶下山與五通道交叉口處，如圖10所示。該區(qū)域煤厚平均16.5 m，傾角平均10°，采深650 m，頂板存在約335 m厚礫巖。由于埋深大、頂板堅(jiān)硬，與F16-1斷層相鄰，沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果為具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。

圖10 大直徑卸壓鉆孔試驗(yàn)地點(diǎn)平面Fig. 10 Plan of large diameter pressure relief drilling test site

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1鉆孔方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位于13采區(qū)膠帶下山與五通道交叉口的東側(cè)煤幫。計(jì)劃在此分兩區(qū)域共實(shí)施鉆孔6個(gè)，偏南側(cè)區(qū)域間距0.6 m施工3個(gè)，偏北側(cè)區(qū)域間距1.0 m施工3個(gè)，其施工設(shè)計(jì)平面如圖11所示。

圖11 卸壓鉆孔及探測(cè)孔布置Fig. 11 Layout of pressure relief drilling and detection holes

試驗(yàn)鉆孔最大孔深81 m，有效總進(jìn)尺207 m，開孔位置為幫部距底板1.5 m處，孔徑300 mm，傾角為0°～-3°，方位角為0°( 正東方向 )、孔間距為0.6～1.0 m。鉆孔采用干式大螺旋排粉的施工方式。

3.2.2效果探測(cè)方案

鉆孔卸壓后周圍煤巖體破裂產(chǎn)生裂隙，當(dāng)電磁波在煤體傳播過程中通過結(jié)構(gòu)面及破裂帶后產(chǎn)生衰減，煤巖體破壞程度越高對(duì)電磁波的吸收系數(shù)越高，進(jìn)而電磁波衰減越顯著。文獻(xiàn)[22]中對(duì)電磁波CT探測(cè)評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的原則進(jìn)行了總結(jié)：在支護(hù)區(qū)內(nèi)，巷道圍巖完整性越好，其抵抗沖擊能力越強(qiáng)，沖擊危險(xiǎn)性越低；在支護(hù)區(qū)外，深處圍巖完整性越差，表明其卸壓越充分，沖擊危險(xiǎn)性越低。

300 mm大直徑鉆孔卸壓電磁波CT探測(cè)區(qū)域如圖11所示，北側(cè)①號(hào)測(cè)區(qū)卸壓鉆孔間距1.0 m，探測(cè)孔間距8.3 m；南側(cè)②號(hào)測(cè)區(qū)卸壓鉆孔間距0.6 m，探測(cè)孔間距7.1 m。此次探測(cè)為獲取大直徑鉆孔的卸壓效果與其孔徑及孔間距的關(guān)系，在上述試驗(yàn)區(qū)域之外又設(shè)置一組間距1.0 m，孔徑150 mm的卸壓鉆孔作為③號(hào)測(cè)區(qū)與此試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，其中探測(cè)孔間距為15 m。以上3個(gè)探測(cè)區(qū)域共設(shè)置5個(gè)探測(cè)鉆孔，探測(cè)孔方位角、傾角與各自對(duì)應(yīng)卸壓鉆孔相應(yīng)參數(shù)保持一致，以①號(hào)、②號(hào)測(cè)區(qū)為例，探測(cè)孔具體施工參數(shù)詳見表1。

表1 ①～②號(hào)測(cè)區(qū)探測(cè)孔具體參數(shù)Table 1 Nos. ①～② area probe hole specific parameters

3.3 鉆孔卸壓效果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)于2021年6月16至29日進(jìn)行。由于煤層硬度系數(shù)較大，卸壓鉆孔施工過程中轉(zhuǎn)速控制在80 r/min，給進(jìn)壓力控制在2 MPa以內(nèi)，回轉(zhuǎn)壓力為8～14 MPa，平均鉆進(jìn)速度約為10 min/m。

圖12～13分別為煤幫300 mm大直徑鉆孔井下試驗(yàn)和孔徑照片。

圖12 煤幫300 mm大直徑鉆孔井下試驗(yàn)Fig. 12 Coal sidewall 300 mm large diameter downhole test

圖13 鉆孔孔徑照片F(xiàn)ig. 13 Borehole diameter photos

在施工過程中伴隨有聲音較為洪亮的煤炮聲，證明應(yīng)力釋放明顯，同時(shí)在粉末狀鉆屑中夾雜有大顆粒煤塊，局部鉆孔出現(xiàn)塌孔跡象。由于采用大螺旋插接式鉆桿和大直徑鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)及裝備，充分發(fā)揮了大螺旋插接式鉆桿的排渣和處理孔內(nèi)事故的能力。圖14為鉆孔內(nèi)排出的大顆粒煤塊。

圖14 鉆孔排出的大顆粒煤塊Fig. 14 Large granular coal discharged from borehole

利用電磁波CT探測(cè)結(jié)果可對(duì)煤幫沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行定量化分級(jí)[23-25]：① 危險(xiǎn)指數(shù)＜0.25，無沖擊危險(xiǎn)；② 危險(xiǎn)指數(shù)0.25～0.50，弱沖擊危險(xiǎn)；③ 危險(xiǎn)指數(shù)0.50～0.75，中等沖擊危險(xiǎn)；④ 危險(xiǎn)指數(shù)＞0.75，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

3.3.1300 mm大直徑鉆孔卸壓效果分析

由300 mm大直徑鉆孔卸壓前的CT探測(cè)結(jié)果( 圖15 )可知，( 1 ) 在煤幫支護(hù)區(qū)內(nèi)( ＜3 m )，①號(hào)測(cè)區(qū)中有接近5.25 m2的中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及2.25 m2的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，其位置在探測(cè)區(qū)域水平方向1.5～4.8 m，豎直方向0～3 m范圍內(nèi)；②號(hào)測(cè)區(qū)中有接近1 m2的中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，其位置在探測(cè)區(qū)域水平方向2.5～3.5 m，豎直方向0.5～2.0 m范圍內(nèi)，表明巷道幫部支護(hù)區(qū)3 m范圍內(nèi)圍巖完整性較差，與掘巷完成后巷幫支承壓力轉(zhuǎn)移過程中破碎區(qū)的形成密切相關(guān)。( 2 ) 非支護(hù)區(qū)( ＞3 m )范圍內(nèi)兩測(cè)區(qū)均存在一定面積的中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，表明此處圍巖完整性較好，在巷幫應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中形成了應(yīng)力集中區(qū)。( 3 ) ②號(hào)測(cè)區(qū)相對(duì)于①號(hào)測(cè)區(qū)支護(hù)區(qū)外其整體的沖擊危險(xiǎn)性略高，支護(hù)區(qū)內(nèi)其整體的沖擊危險(xiǎn)性稍低，表明兩個(gè)相鄰區(qū)域在卸壓前沖擊危險(xiǎn)性差別不大。

圖15 300 mm鉆孔卸壓前后電磁波CT對(duì)照Fig. 15 Comparison of electromagnetic wave CT before and after pressure relief in 300 mm borehole

由300 mm大直徑鉆孔卸壓后的CT探測(cè)結(jié)果可知，①號(hào)測(cè)區(qū)支護(hù)區(qū)外的3處約2.4 m2的中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域減小至約0.5 m2的面積，下降79.2%；②號(hào)測(cè)區(qū)支護(hù)區(qū)外8～12 m范圍內(nèi)4處約5.8 m2的中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域減小至約0.8 m2，下降86.2%。在①號(hào)測(cè)區(qū)支護(hù)區(qū)內(nèi)1處中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及1處高沖擊危險(xiǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)化為弱沖擊危險(xiǎn)；在②號(hào)測(cè)區(qū)內(nèi)1處中等沖擊危險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為弱沖擊危險(xiǎn)。

由此表明：( 1 ) 支護(hù)區(qū)外圍巖，300 mm大直徑鉆孔的施工能夠快速有效地對(duì)該范圍的煤體進(jìn)行弱化，充分有效地釋放煤體內(nèi)蘊(yùn)藏的彈性能，降低其沖擊危險(xiǎn)性。而針對(duì)支護(hù)區(qū)內(nèi)圍巖，300 mm大直徑鉆孔實(shí)施后立即采取封孔措施，封孔質(zhì)量較好，有效地保護(hù)了巷道支護(hù)，加固了圍巖松動(dòng)圈，使得支護(hù)區(qū)內(nèi)圍巖的沖擊危險(xiǎn)性有所降低；( 2 ) 間距0.6 m的300 mm大直徑鉆孔的卸壓效果要優(yōu)于間距1.0 m的卸壓效果，說明縮小鉆孔間距能夠有效提升大直徑鉆孔的卸壓效果。

3.3.2150 mm大直徑鉆孔卸壓效果分析

150 mm大直徑鉆孔卸壓的電磁波CT探測(cè)結(jié)果如圖16所示。150 mm大直徑鉆孔施工前，巷幫圍巖支護(hù)區(qū)3 m范圍內(nèi)有3處中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域約5.6 m2，表明巷道圍巖支護(hù)區(qū)內(nèi)圍巖完整性差，在支護(hù)區(qū)外6～15 m范圍內(nèi)無中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域，多數(shù)為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，及小部分無沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域。150 mm大直徑鉆孔施工后，巷幫圍巖支護(hù)區(qū)3 m范圍內(nèi)仍有2處中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域約2.2 m2，150 mm大直徑鉆孔卸壓前后沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域面積下降60.7%；支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)外無沖擊傾向性的區(qū)域面積均有所增大，表明實(shí)施150 mm大直徑鉆孔后具有一定弱化煤巖體的效果，但其弱化能力遠(yuǎn)不及300 mm大直徑鉆孔，支護(hù)區(qū)外的煤巖體卸壓前后弱化程度相差相對(duì)較小，故卸壓后仍具有一定的沖擊危險(xiǎn)性。

圖16 150 mm鉆孔卸壓前后電磁波CT對(duì)照Fig. 16 Comparison of electromagnetic wave CT before and after pressure relief in 150 mm borehole

3.3.3300 mm大直徑鉆孔實(shí)施1周后卸壓效果分析

圖17為實(shí)施300 mm大直徑鉆孔卸壓1周后的電磁波CT探測(cè)結(jié)果，與圖15對(duì)比可以得出300 mm大直徑鉆孔卸壓的時(shí)效性特征。從圖17和圖15的對(duì)比可以看出卸壓1周后，①號(hào)、②號(hào)測(cè)區(qū)巷幫圍巖支護(hù)區(qū)外的中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域基本消失，此時(shí)在支護(hù)區(qū)外①號(hào)測(cè)區(qū)弱沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域所占面積較卸壓1周前的40.1 m2減小至4.1 m2，下降89.7%；②號(hào)測(cè)區(qū)弱沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域所占面積較卸壓1周前的63.7 m2減小至4.4 m2，下降93.1%；在支護(hù)區(qū)內(nèi)①號(hào)、②號(hào)測(cè)區(qū)的弱沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域面積分別由10.6 m2下降至1.5 m2、11.3 m2下降至1.0 m2，分別 下降85.8%、91.2%。

圖17 300 mm大直徑鉆孔施工1周后卸壓效果電磁波CT探測(cè)結(jié)果Fig. 17 Pressure relief effect of 300 mm large diameter borehole one week after construction electromagnetic wave CT detection results

由此表明：( 1 ) 在探測(cè)范圍非支護(hù)區(qū)當(dāng)實(shí)施300 mm大直徑鉆孔1周后，基本可消除其中的中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，此時(shí)②號(hào)測(cè)區(qū)間距0.6 m卸壓孔的卸壓效果比①號(hào)測(cè)區(qū)間距1.0 m卸壓效果提高3.4%；( 2 ) 在探測(cè)范圍支護(hù)區(qū)內(nèi)實(shí)施300 mm大直徑鉆孔1周時(shí)間內(nèi)②號(hào)測(cè)區(qū)間距0.6 m卸壓孔的卸壓效果比①號(hào)測(cè)區(qū)間距1.0 m卸壓效果提高5.4%。

綜合上述探測(cè)結(jié)果可知，300 mm大直徑鉆孔實(shí)施后的卸壓效果具有一定時(shí)效性。在探測(cè)范圍支護(hù)區(qū)內(nèi)外，立即實(shí)施300 mm大直徑鉆孔與實(shí)施1周后，①號(hào)、②號(hào)兩測(cè)區(qū)整體的卸壓效果一直增加，同時(shí)孔間距0.6 m的卸壓效率總是更快，體現(xiàn)在兩者在同一卸壓時(shí)間內(nèi)，鉆孔間距小的其所能弱化煤巖體的范圍總是更大。這是因?yàn)?00 mm一次成孔大直徑鉆孔的成孔空間較大，當(dāng)鉆孔塌孔后，能夠在煤體內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，更為有效地弱化煤體，進(jìn)而達(dá)到更高的卸壓效果。

4 結(jié) 論

( 1 ) 研制了ZDY20000LK型煤幫大直徑鉆孔卸載防沖技術(shù)與自動(dòng)化裝備，試驗(yàn)表明鉆機(jī)具有施工一次成孔300 mm大直徑鉆孔的能力，利用鉆機(jī)扭矩大的特點(diǎn)，有效避免了鉆孔事故的發(fā)生；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，大幅提高鉆機(jī)施工自動(dòng)化水平，保證了作業(yè)人員安全。

( 2 ) 大直徑鉆孔卸壓防沖效果顯著，通過電磁波CT探測(cè)技術(shù)進(jìn)行效果檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)300 mm大直徑卸壓鉆孔的卸壓效果較好。間距1.0 m的300 mm大直徑鉆孔構(gòu)成的卸壓區(qū)其可弱化的煤巖體比例為79.2%，間距0.6 m的300 mm大直徑鉆孔構(gòu)成的卸壓區(qū)其可弱化的煤巖體比例為86.2%；間距1.0 m的150 mm大直徑鉆孔構(gòu)成的卸壓區(qū)其可弱化的煤巖體比例為60.7%。

( 3 ) 從孔徑角度來看，300 mm大直徑卸壓鉆孔弱化煤巖體的效果比150 mm大直徑卸壓鉆孔弱化煤巖體的效果提高18.5%；從孔間距角度來看，0.6 m的孔間距弱化煤巖體的效果比1.0 m的孔間距弱化煤巖體的效果提高7%，可見提高孔徑能夠更大程度地提高鉆孔卸壓的能力。

( 4 ) 從時(shí)間角度來看，施工300 mm大直徑鉆孔卸壓1周后，巷幫圍巖支護(hù)區(qū)外的中等沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域基本消失，弱沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域所占面積下降89.7%；在支護(hù)區(qū)內(nèi)2個(gè)弱沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域面積分別下降85.8%，91.2%?？梢?00 mm大直徑卸壓鉆孔實(shí)施1周內(nèi)卸壓效果不斷增強(qiáng)。