高久國(guó) 楊 洋 吳延良

（山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055）

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤（巖）體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等[1-2]。近年來(lái)，由于煤層開(kāi)采的深度不斷增加，煤礦的生產(chǎn)條件越來(lái)越復(fù)雜，形成的集中應(yīng)力區(qū)導(dǎo)致沖擊地壓頻繁顯現(xiàn)，容易發(fā)生片幫、冒頂、壓架等危險(xiǎn)，對(duì)煤礦的高效穩(wěn)定生產(chǎn)形成極大的隱患[3]。

目前，常用的高應(yīng)力煤體卸壓解危技術(shù)手段包括爆破卸壓、煤層注水和大直徑鉆孔，其中大直徑鉆孔卸壓解危技術(shù)由于具有施工方便的優(yōu)點(diǎn)，已得到了普遍的應(yīng)用[4-6]。因此，在保證順槽支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，使煤體內(nèi)部應(yīng)力向順槽兩側(cè)轉(zhuǎn)移，確?！靶?支”平衡，在保證卸壓效果的基礎(chǔ)上，避免深井地壓條件下巷道的大變形，研發(fā)了分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)，即巷幫淺部區(qū)域鉆孔直徑小于巷幫深部區(qū)域，實(shí)現(xiàn)“卸-支”平衡，防治卸壓不足或過(guò)度。

1 分段擴(kuò)孔卸壓模擬研究

1.1 模型建立

選取唐口煤礦6304 工作面3 煤層軌道順槽為原型，巷道全長(zhǎng)1800 m，埋深約1000 m。軌道順槽設(shè)計(jì)為凈寬5200 mm、凈高4000 mm 的矩形斷面，沿底板掘進(jìn)煤巷，兩翼均為未采區(qū)。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，礦井-800 m 以下區(qū)域以自重應(yīng)力為主，垂直方向主應(yīng)力與上覆巖層自重應(yīng)力基本一致。

6304 工作面3 煤層煤厚10 m，直接頂為4 m泥巖，直接底為3 m 粉砂巖。其頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 6304 工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征表

建立-1000 m 處3 煤軌道順槽數(shù)值計(jì)算模型，尺寸X×Y×Z=40 m×2 m×32 m，模型水平、底邊界限制位移，上邊界施加25 MPa 載荷，前后限制位移。巷道尺寸與現(xiàn)場(chǎng)一致，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得3 煤頂?shù)装寮懊簩游锢砹W(xué)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行賦參。計(jì)算模型如圖1。

圖1 6304 工作面軌道順槽分段鉆孔模型

本構(gòu)模型選取摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算，巖層及煤體物理參數(shù)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)取值見(jiàn)表2。

表2 巖（煤）層物理參數(shù)

1.2 不同鉆孔直徑卸壓效果

為對(duì)比不同鉆孔直徑下巷道卸壓效果，分別取鉆孔直徑為90 mm 及230 mm 進(jìn)行模擬，對(duì)比巷道兩幫煤體垂直應(yīng)力降低情況，如圖2，曲線表明：

圖2 不同鉆孔直徑下應(yīng)力分布對(duì)比

（1）對(duì)比90 mm、230 mm 直徑鉆孔卸壓后全區(qū)段煤壁垂直應(yīng)力，90 mm 直徑鉆孔與未鉆孔相比平均卸壓0.5 MPa，230 mm 直徑鉆孔與未鉆孔相比平均卸壓2 MPa。

（2）對(duì)比鉆孔前后煤壁峰值應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，90 mm 鉆孔卸壓峰值卸壓1 MPa，230 mm 鉆孔峰值卸壓6.5 MPa?？梢?jiàn)，卸壓鉆孔孔徑越大，卸壓效果越好。但是，實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)，卸壓鉆孔孔徑過(guò)大，會(huì)造成巷道煤壁破碎嚴(yán)重，對(duì)巷道支護(hù)造成困難。

擴(kuò)孔卸壓技術(shù)不僅能夠有效降低煤體應(yīng)力，而且鉆孔后煤壁未發(fā)現(xiàn)大面積破碎，對(duì)巷道支護(hù)起到了一定的積極作用。為了提高擴(kuò)孔卸壓效果，模擬擴(kuò)孔比例、非擴(kuò)孔直徑、擴(kuò)孔直徑對(duì)卸壓效果的影響。

1.3 不同分段長(zhǎng)度下卸壓效果

通過(guò)觀察擴(kuò)孔比例對(duì)卸壓效果的影響，設(shè)計(jì)鉆孔總長(zhǎng)20 m，非擴(kuò)孔段直徑90 mm，擴(kuò)孔段直徑230 mm。分別模擬長(zhǎng)度比例為3:17、5:15、8:12、10:10 時(shí)卸壓情況，結(jié)果如圖3 所示，曲線表明：對(duì)比不同長(zhǎng)度比例下煤壁垂直應(yīng)力，非擴(kuò)孔段內(nèi)煤體垂直應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生較大變化，非擴(kuò)孔段90 mm 鉆孔對(duì)煤壁未造成擾動(dòng)。無(wú)論鉆孔長(zhǎng)度比例如何，擴(kuò)孔段煤體垂直應(yīng)力均卸壓2 MPa。

圖3 不同分段長(zhǎng)度下應(yīng)力分布對(duì)比

鉆孔擴(kuò)孔后，煤壁垂直應(yīng)力發(fā)生突降，其突降點(diǎn)對(duì)應(yīng)鉆孔擴(kuò)孔點(diǎn)。由此可見(jiàn)，擴(kuò)孔卸壓長(zhǎng)度比例的選取應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煤壁應(yīng)力峰值位置的基礎(chǔ)上，使擴(kuò)孔點(diǎn)位于應(yīng)力峰值前，以達(dá)到良好卸壓效果的同時(shí)維護(hù)煤壁的完整性。

1.4 不同淺部孔徑下卸壓效果

通過(guò)觀察非擴(kuò)孔段直徑對(duì)卸壓效果的影響，設(shè)計(jì)鉆孔非擴(kuò)孔段長(zhǎng)度5 m，擴(kuò)孔段長(zhǎng)度15 m，擴(kuò)孔段直徑230 mm。分別模擬非擴(kuò)孔段直徑60 mm、90 mm、120 mm 時(shí)卸壓情況，結(jié)果如圖4 所示，曲線表明：對(duì)比不同非擴(kuò)孔段直徑下卸壓效果，非擴(kuò)孔段垂直應(yīng)力變化較小，擴(kuò)孔段卸壓效果均可達(dá)2 MPa。原因?yàn)榉菙U(kuò)孔段直徑與擴(kuò)孔段相比仍然較小，能夠更好地維護(hù)煤壁完整。

圖4 不同淺部孔徑下應(yīng)力分布對(duì)比

對(duì)比不同非擴(kuò)孔段直徑煤壁峰值應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，直徑越大，垂直應(yīng)力越小，相應(yīng)的非擴(kuò)孔段對(duì)煤壁的擾動(dòng)越大，越不利于煤壁的完整。由此可見(jiàn)，為更好地維護(hù)煤壁完整，減少鉆孔卸壓對(duì)巷幫的擾動(dòng)，非擴(kuò)孔段直徑應(yīng)盡量選取小直徑。

1.5 不同深部孔徑下卸壓效果

通過(guò)觀察擴(kuò)孔段直徑對(duì)卸壓效果的影響，設(shè)計(jì)鉆孔非擴(kuò)孔段長(zhǎng)度5 m，非擴(kuò)孔段直徑90 mm，擴(kuò)孔段長(zhǎng)度15 m。分別模擬擴(kuò)孔段直徑170 mm、200 mm、230 mm、260 mm時(shí)卸壓情況，結(jié)果如圖5所示，曲線表明：對(duì)比不同擴(kuò)孔段直徑卸壓效果，非擴(kuò)孔段垂直應(yīng)力沒(méi)有變化。擴(kuò)孔段煤壁垂直應(yīng)力隨著孔徑的增加而降低，擴(kuò)孔段大直徑鉆孔能夠取得較好的卸壓效果，其卸壓效果隨著孔徑的增大而增強(qiáng)。

圖5 不同深部孔徑下應(yīng)力分布對(duì)比

2 卸壓解危效果檢驗(yàn)

2.1 解危地點(diǎn)概況

因6304 工作面軌道順槽日前已完成卸壓工作，5306軌道順槽外段掘進(jìn)過(guò)程中受5305采空區(qū)影響，在沿空順槽側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，沖擊危險(xiǎn)程度較高，故選取5306 工作面軌道順槽外段為卸壓效果檢驗(yàn)地點(diǎn)。5306 工作面東北側(cè)6.5 m 處為5305 采空區(qū)，東面為南部大巷保護(hù)煤柱，西部為未開(kāi)拓的實(shí)炭區(qū)，南側(cè)為5307 掘進(jìn)工作面。5306 軌道順槽外段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度703 m，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為矩形，凈寬5000 mm，凈高4000 mm，凈斷面面積為20 m2。巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，沿煤層底板掘進(jìn)。5306 軌道順槽外段埋深在921～976 m 之間，巷道頂板1.84 m 以上為3.03 m 厚的粉砂巖頂板，單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa，預(yù)計(jì)揭露三條斷層。

2.2 鉆孔卸壓參數(shù)

（1）鉆孔布置

前期成本控制涉及公司各個(gè)工作和管理環(huán)節(jié)，是各部門(mén)共同責(zé)任，前期成本控制不僅是項(xiàng)目管理者的職責(zé)，也是全體員工的共同職責(zé)，倡導(dǎo)全員節(jié)約資金，提高效益的主動(dòng)精神，鼓勵(lì)提出合理化成本控制建議，對(duì)降低成本控制方面有突出表現(xiàn)的管理部門(mén)和人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，推廣節(jié)約、增效的先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)。其次結(jié)合前期預(yù)算，將項(xiàng)目成本控制目標(biāo)層層落實(shí)下來(lái)，倡導(dǎo)全員成本控制文化。

鉆孔布置在巷道生產(chǎn)幫，按1.5～1.8 m水平布置。

（2）鉆孔參數(shù)

在中等和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域按間距2.4 m 施工大直徑卸壓鉆孔，在弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域按間距3.2 m 施工大直徑卸壓鉆孔，使用掏穴鉆頭，1～5 m 鉆孔直徑為90 mm，6～20 m 鉆孔直徑為90～230 mm，深度為20 m。

（3）鉆孔封孔

鉆孔施工完畢后，下一班次負(fù)責(zé)封孔，使用水泥與煤粉按一定配比形成的混凝土進(jìn)行封孔，封孔深度比錨桿長(zhǎng)度長(zhǎng)300 mm。

2.3 卸壓效果對(duì)比分析

分段擴(kuò)孔卸壓與常規(guī)大直徑鉆孔卸壓的技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 鉆孔卸壓技術(shù)對(duì)比

（1）施工效率

（2）卸壓效果

通過(guò)煤體電磁CT 探測(cè)及數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力、鉆屑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，卸壓效果擴(kuò)孔后更優(yōu)。理論排粉量是2 倍，實(shí)際孔徑增大后鉆孔效應(yīng)更明顯，煤體塌孔排粉量遠(yuǎn)大于理論值。

（3）支護(hù)效果

原方式需封孔，封孔質(zhì)量對(duì)巷道影響大，現(xiàn)方式無(wú)需加固封孔，僅用炮泥封孔口即可，避免孔內(nèi)煤體自燃。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）分段擴(kuò)孔卸壓孔徑越大，卸壓效果越好；擴(kuò)孔卸壓長(zhǎng)度比例的選取應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煤壁應(yīng)力峰值位置的基礎(chǔ)上，使擴(kuò)孔點(diǎn)位于應(yīng)力峰值前，以達(dá)到良好卸壓效果的同時(shí)維護(hù)煤壁的完整性。

（2）于唐口煤礦5306 工作面進(jìn)行分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)工程檢驗(yàn)，通過(guò)煤體電磁CT 探測(cè)及數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力、鉆屑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出實(shí)際孔徑增大后鉆孔效應(yīng)更明顯，煤體塌孔排粉量遠(yuǎn)大于理論值，分段卸壓擴(kuò)孔后卸壓效果更優(yōu)。