李國(guó)玉 李田華

(四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司龍門峽南煤礦，四川省廣安市，409800)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

大直徑鉆孔卸壓技術(shù)防治巷道沖擊危險(xiǎn)的研究應(yīng)用

李國(guó)玉 李田華

(四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司龍門峽南煤礦，四川省廣安市，409800)

為減緩巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力集中帶來(lái)的高應(yīng)力沖擊危險(xiǎn)，以龍門峽南煤礦西翼增補(bǔ)回風(fēng)巷采用大直徑鉆孔卸壓技術(shù)為研究對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依次分析了不同鉆孔直徑，不同鉆孔間距、不同鉆孔深度等工況下的卸壓效果。經(jīng)對(duì)比分析最終選擇直徑110 mm、間距2 m、孔深15 m作為增補(bǔ)回風(fēng)巷的卸壓鉆孔參數(shù)。實(shí)施該組卸壓參數(shù)后，不僅巷幫側(cè)向支承壓力峰值發(fā)生轉(zhuǎn)移與釋放，而且檢驗(yàn)孔的鉆屑量均低于預(yù)警值，巷道的沖擊危險(xiǎn)程度大幅度降低。

鉆孔卸壓 大直徑鉆孔 沖擊地壓 鉆屑量 卸壓鉆孔參數(shù)

龍門峽南礦西翼采區(qū)溫度較高并且采區(qū)內(nèi)回風(fēng)困難，嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)，因此決定在西翼采區(qū)增加一條回風(fēng)巷，以便優(yōu)化該區(qū)的回風(fēng)系統(tǒng)增加回風(fēng)量。

新增回風(fēng)巷在寬的孤島煤柱中掘進(jìn)施工，由于孤島煤柱本身受到較高的應(yīng)力作用，再加上該回風(fēng)巷在掘進(jìn)過(guò)程中揭露3條斷層，二者耦合作用影響使得該巷道的沖擊危險(xiǎn)程度進(jìn)一步增大。如何在應(yīng)力積聚區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造區(qū)掘進(jìn)巷道預(yù)防沖擊災(zāi)害的發(fā)生成了現(xiàn)場(chǎng)工作的重點(diǎn)。本文借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析確定出合理的鉆孔卸壓參數(shù)，并將該參數(shù)在施工巷道中現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。檢驗(yàn)結(jié)果表明大直徑鉆孔卸壓對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)有減緩作用，保證了整條巷道的安全掘進(jìn)。

1 工程背景

新增回風(fēng)巷位于-700 m水平，掘進(jìn)開工時(shí)間為2016年3月，竣工完成時(shí)間為2016年6月，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度740 m，巷道斷面尺寸4 m×2.6 m(寬×高)。該巷道位于已經(jīng)回采的兩個(gè)工作面之間，處于孤島煤柱中掘進(jìn)，因此該巷道屬于大煤柱內(nèi)沿空掘巷，并在掘進(jìn)過(guò)程中受到斷層構(gòu)造與煤柱高應(yīng)力耦合作用帶來(lái)的沖擊危險(xiǎn)。

該區(qū)域煤層厚度變化較小，煤層平均厚2.6 m，直接頂為粉細(xì)砂巖，以石英為主，厚8.1 m，長(zhǎng)石次之，分選較好，含大量菱鐵質(zhì)鮞粒條帶與少量煤屑；老頂為泥巖，致密均一，含層理與煤線，厚3.6 m；直接底為粉砂巖，黑色，富含陽(yáng)齒類植物葉片化石，充填FeS2薄膜，厚3.6 m；老底細(xì)砂巖，石英為主，長(zhǎng)石次之，厚2.6 m。

通過(guò)對(duì)該回風(fēng)巷掘進(jìn)期間的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行鑒定，考慮影響沖擊危險(xiǎn)等級(jí)的兩大因素，地質(zhì)因素危險(xiǎn)指數(shù)為0.53(主要是煤的沖擊能指數(shù)、彈性能指數(shù)和上覆厚層堅(jiān)硬頂板距煤層的距離綜合計(jì)算)，開采因素危險(xiǎn)指數(shù)為0.4(主要包括構(gòu)造應(yīng)力、煤層傾角等因素，由綜合指數(shù)分析法計(jì)算)，最終得到該巷道的沖擊危險(xiǎn)指數(shù)為0.53，屬于中等沖擊危險(xiǎn)。

2 卸壓原理分析

鉆孔卸壓是通過(guò)在巷道兩幫開挖大直徑鉆孔的方法，在煤體內(nèi)部形成一個(gè)比鉆孔直徑大許多的弱化帶，從而將煤體內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)釋放而提供膨脹變形的補(bǔ)償空間。使應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而使高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛻?yīng)力區(qū)。當(dāng)向應(yīng)力集中區(qū)實(shí)施大直徑鉆孔時(shí)，鉆孔圍巖會(huì)發(fā)生破裂產(chǎn)生裂隙，最終導(dǎo)致煤體破碎，從而起到卸壓作用。

實(shí)施鉆孔卸壓后，鉆孔周圍煤體由內(nèi)到外依次形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，破裂區(qū)對(duì)卸壓起主要作用。煤巖體的應(yīng)力-應(yīng)變滿足摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，鉆孔在煤體上產(chǎn)生的應(yīng)力為：

(1)

式中：P——鉆孔在煤體上產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa；

σr——采用極坐標(biāo)的徑向應(yīng)力值，MPa；

σθ——采用極坐標(biāo)的切向應(yīng)力值，MPa；

M——煤體材料參數(shù)；

N——煤體強(qiáng)度值，MPa。

破裂區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力方程：

(2)

式中：M0——破裂區(qū)材料參數(shù)；

N0——破裂區(qū)煤體強(qiáng)度值，MPa；

c0——破裂區(qū)粘聚力，MPa；

φ0——破裂區(qū)內(nèi)摩擦角，(°) 。

塑性區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力方程：

(3)

式中：Mp——塑性區(qū)材料參數(shù)；

Np——塑性區(qū)煤體強(qiáng)度值，MPa；

cp——塑性區(qū)粘聚力，MPa；

φp——塑性區(qū)內(nèi)摩擦角，(° )。

由于鉆孔周圍煤體產(chǎn)生了較密的裂隙，這部分煤體變形模量比原始煤體有所降低，兩者的比值可簡(jiǎn)化為卸壓系數(shù)。它是鉆孔卸壓效果的標(biāo)志，鉆孔周圍煤體產(chǎn)生裂隙及破碎是產(chǎn)生卸壓效果的主要原因。根據(jù)C.O.巴布柯克經(jīng)驗(yàn)公式，卸壓系數(shù)K表示為：

(4)

式中：W——相鄰鉆孔邊界距離，m；

R——鉆孔孔徑，m。

由式(4)得知，鉆孔周圍煤體卸壓效果取決于鉆孔間距，間距越小，卸壓系數(shù)越大，相應(yīng)的卸壓效果越好。

鉆孔周圍煤體受力后，由內(nèi)到外形成3個(gè)區(qū)域，卸壓孔受力示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔應(yīng)力分布

鉆孔周圍破碎區(qū)半徑R1的計(jì)算式可表示為：

(5)

式中：S——鉆孔實(shí)際鉆屑量與正常鉆屑量之比；

K——孔壁卸壓系數(shù)；

R1——破裂區(qū)半徑，m；

R3——彈性區(qū)半徑，m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)該回風(fēng)巷進(jìn)行研究，模型尺寸為66 m×30 m×50.4 m，巷道斷面尺寸為4 m×2.6 m，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中x方向?yàn)橄锏雷呦蚍较?，y方向?yàn)橄锏纼A斜方向，為了消除邊界效應(yīng)的影響，鉆孔布置區(qū)左右邊界各留15 m的距離。模型四周水平位移約束，底部邊界垂直約束，上部為自由邊界，模型頂部施加豎直方向的等效荷載(q=γ·h)模擬上覆巖層的自重，其中γ=24 kN/m3，h=700 m，得到模型上部表面施加等效荷載為16.8 MPa。

模型中煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)西翼增補(bǔ)回風(fēng)巷的煤巖層實(shí)際力學(xué)特性和物理參數(shù)確定，如表1所示。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 巷幫側(cè)向支承壓力演化規(guī)律

基于FLAC3D內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)輸出功能，導(dǎo)出卸壓前和卸壓后的巷幫側(cè)向支承壓力值，運(yùn)用繪圖軟件得到卸壓前和卸壓后的巷幫側(cè)向支承壓力分布曲線如圖2所示。

圖2 巷幫側(cè)向支承壓力分布曲線

圖2顯示，采用大直徑鉆孔卸壓后，巷幫側(cè)向支承壓力峰值位置向巷幫深處方向移動(dòng)了3 m，并且側(cè)向支承壓力峰值降低了7%，有效地降低了前方煤體的應(yīng)力集中程度，卸壓效果較明顯，說(shuō)明采用大直徑鉆孔卸壓后，鉆孔前方的高應(yīng)力區(qū)得到釋放與轉(zhuǎn)移，卸壓鉆孔起到了轉(zhuǎn)移和釋放高應(yīng)力的作用，起到減緩沖擊影響范圍。

3.2.2 鉆孔間距對(duì)卸壓效果的影響

結(jié)合該礦實(shí)際地質(zhì)條件，討論鉆孔間距對(duì)卸壓效果的影響，以鉆孔長(zhǎng)度15 m，鉆孔直徑110 mm為定值，對(duì)不同鉆孔間距進(jìn)行了模擬，從而確定出合理的鉆孔間距。通過(guò)對(duì)比分析卸壓前與卸壓后的鉆孔間距依次為1 m 、2 m和5 m時(shí)沿鉆孔軸向方向的破壞演化規(guī)律，從中得出最優(yōu)的鉆孔間距。不同鉆孔間距軸向塑性破壞如圖3所示。

圖3 不同鉆孔間距軸向塑性破壞分布

圖3顯示，未打卸壓孔時(shí)，巷幫前方未出現(xiàn)煤體破壞，說(shuō)明未實(shí)施鉆孔卸壓時(shí)巷幫煤體仍處于應(yīng)力集中狀態(tài)；當(dāng)鉆孔間距為5 m時(shí)僅在鉆孔周圍形成塑性破壞區(qū)，雖然每個(gè)鉆孔周圍也能形成一定的應(yīng)力降低區(qū)，但由于鉆孔間距過(guò)大，鉆孔之間的塑性破壞不能相互貫通在一起，此時(shí)卸壓效果較差。當(dāng)鉆孔間距為2 m時(shí)可以看到不僅在單個(gè)孔周圍形成塑性破壞區(qū)，而且在各個(gè)孔周圍形成連續(xù)的塑性破壞區(qū)，鉆孔周圍煤體形成了較大范圍的破壞，說(shuō)明此時(shí)卸壓效果較好，巷幫側(cè)向應(yīng)力得到了釋放。當(dāng)鉆孔間距為1 m時(shí)，鉆孔之間的塑性破壞相互貫通在一起，此時(shí)的卸壓效果最優(yōu)，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度與打鉆成本，建議鉆孔間距為2 m。

3.2.3 鉆孔直徑對(duì)卸壓效果的影響

基于鉆孔間距2 m，鉆孔長(zhǎng)度15 m為定值，通過(guò)對(duì)不同鉆孔直徑進(jìn)行詳細(xì)的模擬分析， 模擬結(jié)果顯示，當(dāng)鉆孔直徑為70 mm時(shí)，雖然看到沿鉆孔軸向方向產(chǎn)生塑性破壞，但前方塑性破壞區(qū)不能相互貫通，此時(shí)的卸壓效果不明顯。隨著鉆孔直徑的增加，鉆孔沿軸向塑性破壞范圍逐漸增大，當(dāng)鉆孔直徑為110 mm時(shí)，可以看到鉆孔沿軸向方向產(chǎn)生了較大范圍的塑性破壞，卸壓效果較明顯。當(dāng)鉆孔直徑為150 mm時(shí)，鉆孔沿軸向方向產(chǎn)生的卸壓效果優(yōu)于直徑110 mm，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工成本與工程進(jìn)度的因素，建議該巷道采用鉆孔卸壓直徑為110 mm。

3.2.4 鉆孔長(zhǎng)度對(duì)卸壓效果的影響

基于以上分析得出鉆孔間距2 m，鉆孔直徑110 mm為定值，通過(guò)對(duì)不同鉆孔長(zhǎng)度進(jìn)行詳細(xì)的模擬分析，從而確定出合理的鉆孔長(zhǎng)度。利用FLAC3D自帶的后處理程序?qū)隩ecplot中，得到不同鉆孔長(zhǎng)度在軸向方向的應(yīng)力分布曲線，鑒于篇幅有限，僅例舉了5 m、15 m、20 m的情況，不同鉆孔長(zhǎng)度軸向方向應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4顯示，當(dāng)鉆孔長(zhǎng)度為5 m時(shí)，在鉆孔軸向方向上高應(yīng)力集中區(qū)只產(chǎn)生輕微的移動(dòng)，沿著鉆孔軸向方向應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移的范圍較小，可以推斷此時(shí)的卸壓效果不明顯，隨著鉆孔長(zhǎng)度逐漸增加，鉆孔沿軸向方向的應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移的范圍逐漸擴(kuò)大?？梢悦黠@地看出當(dāng)鉆孔長(zhǎng)度為20 m時(shí)，沿著鉆孔軸向方向應(yīng)力轉(zhuǎn)移的距離最大，但考慮到鉆孔長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致施工進(jìn)度變慢，并且施工成本會(huì)增加，考慮綜合因素建議卸壓鉆孔長(zhǎng)度為15 m。

圖4 不同鉆孔長(zhǎng)度軸向方向應(yīng)力分布

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

4.1 卸壓參數(shù)的確定

該增補(bǔ)回風(fēng)巷施工期間，大約距斷層40 m范圍內(nèi)被圈定為沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，因此在危險(xiǎn)區(qū)域每隔5 m布置一個(gè)卸壓孔，鉆孔直徑110 mm，鉆孔間距2 m，鉆孔長(zhǎng)度15 m；鉆孔斜向上10°；鉆孔距離底板1.5 m。

檢驗(yàn)孔布置在兩個(gè)卸壓孔中間位置，方向平行于卸壓孔，距底板1.5 m，直徑42 mm，深度10 m。卸壓孔與檢驗(yàn)孔的平面布置示意圖如圖5所示。

大直徑鉆孔卸壓后并通過(guò)鉆屑法進(jìn)行效果檢驗(yàn)，觀察鉆孔內(nèi)的煤屑量是否低于預(yù)警值，從而確定出該巷道在掘進(jìn)過(guò)程中的鉆孔卸壓參數(shù)。

為了檢驗(yàn)卸壓效果，利用鉆屑法對(duì)該巷道卸壓前后的煤粉量進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)考察大直徑鉆孔的卸壓效果。卸壓鉆孔的實(shí)施通常采用氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)，打卸壓孔之前，應(yīng)首先監(jiān)測(cè)煤體附近的應(yīng)力大小，以查清支承壓力帶的范圍、狀態(tài)和危險(xiǎn)程度，并且在實(shí)施過(guò)程中只允許從低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)鉆進(jìn)。

圖5 大直徑鉆孔及檢驗(yàn)孔布置圖

4.2 卸壓效果分析

經(jīng)過(guò)大直徑鉆孔卸壓后用鉆屑法進(jìn)行效果檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)距離斷層40 m范圍內(nèi)的檢驗(yàn)孔進(jìn)行編號(hào)，共獲取2組、16個(gè)檢驗(yàn)孔，每組鉆孔編號(hào)為1#～8#，施工過(guò)程中16個(gè)檢驗(yàn)孔均成功鉆進(jìn)了10 m，鉆孔數(shù)據(jù)全面。限于篇幅僅列舉了巷幫一側(cè)的煤粉量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 鉆孔鉆粉量統(tǒng)計(jì)

煤粉量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷幫側(cè)煤粉量降低幅度較大，1#～8#檢驗(yàn)孔在2～10 m范圍內(nèi)檢驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)明顯的動(dòng)力擾動(dòng)現(xiàn)象，鉆孔煤粉量大部分集中在1.2～2.4 kg/m之間，即卸壓后檢驗(yàn)孔的煤粉量均屬于正常煤粉量，通過(guò)平均后得到每米煤粉量均低于預(yù)警值。

實(shí)施大直徑鉆孔卸壓后，通過(guò)鉆屑檢驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證，巷道兩幫鉆孔中最大煤屑量分別降低了73.5% 和74.5%。卸壓效果良好，在整個(gè)巷道掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生沖擊危險(xiǎn)，說(shuō)明了該卸壓參數(shù)的選擇是合理的，從而為高應(yīng)力構(gòu)造型防沖提供了可行的措施。

5 結(jié)論

(1)基于FLAC3D數(shù)值模擬研究了增補(bǔ)回風(fēng)巷應(yīng)力集中區(qū)大直徑鉆孔卸壓效果，最終建議鉆孔間距2 m，鉆孔直徑110 mm，鉆孔長(zhǎng)度15 m為該回風(fēng)巷鉆孔卸壓的合理參數(shù)。

(2)結(jié)合該回風(fēng)巷的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并通過(guò)鉆屑法對(duì)卸壓效果進(jìn)行檢驗(yàn)。驗(yàn)證了大直徑鉆孔卸壓對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)的減緩作用，保證了整條巷道的安全掘進(jìn)。大直徑鉆孔卸壓技術(shù)降低了增補(bǔ)回風(fēng)巷在過(guò)斷層及高應(yīng)力作用下的沖擊危險(xiǎn)，說(shuō)明通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)卸壓參數(shù)的選取具有一定的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research and application on with large-diameter drillhole pressurerelief technology for preventing roadway rock burst

Li Guoyu, Li Tianhua

(Longmen Gorge South Coal Mine, Sichuan Province Huayingshan Coal Co., Ltd., Guang'an,Sichuan 409800, China)

In order to mitigate danger of high-stress induced shock burst in process of tunnel excavation, taking west-wing supplement return airway of Longmen Gorge South Coal Mine with application of large-diameter drillhole pressure relief technology as object of study, FLAC 3D numerical simulation software was applied to analyze the pressure relief effects with different drillhole diameters, separation distances and depths. Through the comparative analysis, the drillhole pressure relief parameters of the roadway were confirmed as 110 mm diameter, 2 m separation distance, 15 m depth. After implementing the pressure relief parameters, lateral abutment pressure peak of roadway shifted and released, and the drilling cutting quantity of inspection holes were lower than the pre-warning value, thus danger of roadway rock burst dramatically decreased.

pressure-relieving, large diameter borehole, rock burst, drilling cutting quantity, drillhole pressure relief parameters

TD353

A

李國(guó)玉(1979-)，男，山西人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。