白建軍，賈 毅

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307；2.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

隨著煤炭淺部資源的不斷開發(fā)，煤炭深部開采技術已逐漸成為我國煤炭資源開采的主要研究方向之一，深部開采伴隨的高地應力問題容易造成工作面頂板壓力積聚嚴重，進而導致工作面頂板局部冒頂，嚴重危及礦井安全生產[13]。對此，我國部分學者針對深部開采的鉆孔卸壓技術作出研究。楊勝江等[4]提出施工爆破鉆孔，可以人為制造構造裂隙，阻擋由于工作面推進產生的超前支承壓力的傳遞過程，有效降低工作面頂板支承壓力的積聚；王猛等[5]通過分析深部巷道鉆孔卸壓弱化變形特征，建立卸壓巷道蠕變力學模型，研究出不同卸壓程度下的巷道圍巖蠕變規(guī)律；賈傳洋等[6]采用PFC顆粒流試驗對不同參數(shù)影響下的卸壓鉆孔破壞形態(tài)進行分析，認為鉆孔裂隙發(fā)育效果與鉆孔直徑呈正相關；熊鈺等[7]通過分析沿空留巷工作面頂?shù)装宓乃綉Γ岢鏊綉γ黠@高于垂直應力，分析原因為采空區(qū)頂板回轉對底板產生推力導致；王瑞文[8]通過建立不同頂板位態(tài)下“圍巖結構巷旁支護體”力學模型，分別推導出了不同巷旁支護阻力的計算方法；張言[9]根據(jù)曙光礦1226工作面沿空留巷數(shù)值模擬分析結果，提出從切頂效果和圍巖變形2種角度綜合分析切頂預裂爆破參數(shù)，最終確定了最優(yōu)的爆破參數(shù)。

黃陵一號煤礦回采的624工作面頂板壓力積聚明顯，尤其是回風巷端頭支架位置，壓力積聚容易造成頂板局部冒頂事故，嚴重危及礦井安全生產。因此，對624工作面實施卸壓措施以釋放頂板壓力，降低工作面頂板局部冒頂風險已成為黃陵一號煤礦亟待解決的問題之一。

1 工程背景

黃陵一號煤礦624工作面主采2號煤層，煤層平均厚度2.1 m。工作面于六盤區(qū)西翼，地面標高+1 139～+1 330 m，底板標高+816～+856 m，平均埋深400 m，工作面寬度235 m，可采長度2 267 m。工作面老頂為均厚為11.8 m的粉砂巖，直接頂為均厚8.7 m的細粒砂巖，直接底為均厚2.8 m的泥巖。624工作面頂?shù)装邈@孔柱狀圖如圖1所示。

圖1 624工作面頂?shù)装逯鶢顖DFig.1 Column diagram of the roof and floor of the 624 working face

2 工作面端頭冒頂原因分析

隨著工作面回采，頂板超前支承壓力發(fā)生動態(tài)變化[1012]。液壓支架的推移造成工作面頂板支承壓力發(fā)生變化，頂板長時間的高應力狀態(tài)，會使煤巖層出現(xiàn)應力“疲憊”現(xiàn)象，尤其是回采巷道端頭支架位置，此時，該位置的煤巖體發(fā)生蠕變，并逐步進入彈塑性狀態(tài)，頂板的支撐作用大幅減弱，頂板下沉量增大，容易造成工作面端頭局部冒頂事故[1315]。

624工作面目前兩端頭頂板壓力積聚明顯，使得工作面端頭頂板處出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象，僅通過加強支護方式難以有效降低頂板漏矸風險，因此，采取一種適用于黃陵一號煤礦624工作面的端頭頂板卸壓措施對該礦井安全生產具有重要意義[1620]。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

數(shù)值模擬采用MIDAS-FLAC3D聯(lián)合運算，采用MIDAS前處理軟件進行建模，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件運算，擬建立500 m×100 m×500 m(長×寬×高)的模型，模型共計126 688個節(jié)點，103 850個單元，數(shù)值模擬模型如圖2所示。對模型施加邊界條件，即對模型四周施加位移約束，底面固支，同時對模型頂板施加5 MPa的均布載荷，代替上覆未建立的地層自重。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

3.2 模擬方案

根據(jù)現(xiàn)場施工難易程度考慮，設計鉆孔直徑分別為18 mm、24 mm、30 mm、36 mm的數(shù)值模型，模擬不同鉆孔直徑下的圍巖應力計算結果。

進一步根據(jù)不同的鉆孔間排距，確定最終的卸壓鉆孔設計方案。間排距模擬方案見表1。

表1 不同間排距設計方案

3.3 數(shù)值模擬結果分析

3.3.1 鉆孔直徑

根據(jù)設計方案進行數(shù)值模擬，鉆孔直徑與單元變形模量下降率關系曲線如圖3所示。由圖3可知，鉆孔直徑分別為18 mm、24 mm、30 mm、36 mm時，單元變形模量下降率分別為23%、38%、42%、46%。分析發(fā)現(xiàn)，隨著鉆孔直徑的不斷增大，單元變形模量下降率也同步上升，鉆孔直徑由18 mm增加至24 mm時，單元變形模量下降率大幅上升，為15%，隨后隨著鉆孔直徑進一步增大，變形模量下降率增大趨勢減緩。由于鉆孔直徑的增大，可能導致頂板上部煤巖體破碎程度增加，因此，鉆孔直徑既需要有效保證卸壓效果，又不能使頂板上方煤巖體破碎程度過高，因此，初步確定采用直徑為24 mm的鉆孔進行施工。

圖3 鉆孔直徑與單元變形模量下降率關系曲線Fig.3 Relationship between drilling diameter and reduction rate of element deformation modulus

3.3.2 鉆孔間排距

鉆孔間排距與單元變形模量關系曲線圖如圖4所示。

圖4 鉆孔間排距與單元變形模量下降率曲線Fig.4 The curve of the row spacing between drilling holes and the reduction rate of the element deformation modulus

由圖4(a)可知，隨著鉆孔排距的不斷增大，單元變形模量下降率也隨之下降，排距分別為1 000 mm、2 000 mm、4 000 mm及8 000 mm時，變形模量下降率分別為78%、58%、50%及30%，變形模量下降率在排距由1 000 mm增加至2 000 mm時最明顯，隨后排距增加，變形模量下降率趨勢減弱。鉆孔間距200 mm、300 mm、400 mm的單元變形模量下降率規(guī)律與100 mm類似。

綜合分析，鉆孔間距較小可能會導致臨近鉆孔附近煤巖體破碎程度上升，鉆孔排距超過2 000 mm后，單元變形量下降率也有所減弱，因此初步確定，合理的鉆孔間排距為300 mm×2 000 mm。

4 現(xiàn)場應用

4.1 施工方案

根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬計算結果，初步設計采用鉆孔卸壓方式釋放工作面端頭頂板壓力，設計卸壓鉆孔尺寸為鉆孔直徑24 mm，鉆孔間排距300 mm×2 000 mm，鉆孔深度7.5 m?？紤]現(xiàn)場施工難易程度，在距順槽邊緣300 mm位置施工鉆孔。施工示意如圖5所示。

圖5 施工卸壓孔示意Fig.5 Schematic diagram of construction drilling pressure relief

4.2 應用效果

根據(jù)624工作面頂板鉆孔卸壓設計方案，擬通過現(xiàn)場鉆孔窺視的方式，對624工作面鉆孔卸壓效果進行觀測，根據(jù)鉆孔窺視效果，初步評價工作面頂板壓力積聚程度。觀測設備如圖6所示。

圖6 礦用CXK12(A)本安型鉆孔窺視儀Fig.6 Mine CXK12(A) intrinsically safe borehole peeping instrument

根據(jù)礦用CXK12(A)本安型鉆孔窺視儀窺視結果，1#觀測孔鉆孔成像圖如圖7所示。由圖7(a)可知，在孔深0～2.5 m范圍內，卸壓鉆孔整體成型良好，未出現(xiàn)各類裂隙，隨著孔深向2.5～5 m延伸，由圖7(b)可知，鉆孔開始出現(xiàn)縱向裂隙，分析裂隙出現(xiàn)的原因為頂板壓力積聚，鉆孔內壁局部巖塊出現(xiàn)破碎，隨著鉆孔深度進一步增加，由圖7(c)可知，孔深達到5～7.5 m時，鉆孔成孔效果良好，由此可以推斷，在頂板高度2.5～5 m范圍內頂板壓力較大，隨著頂板深度不斷增加，壓力逐漸減弱。

圖7 1#觀測孔鉆孔窺視成像Fig.7 1# observation hole drilling peep imaging

2#觀測孔鉆孔成像圖如圖8所示。由圖8可知，鉆孔深度在0～2.5 m范圍內首次出現(xiàn)破碎，隨著鉆孔深度向2.5～5 m延伸，鉆孔成孔局部仍有裂隙，但在2.5～5 m范圍內相對完好，鉆孔深度在5～7.5 m范圍內整體成孔較為完整，對比1#觀測孔觀測結果分析認為，2#鉆孔成孔效果較1#鉆孔有所減弱，但整體而言，兩觀測孔基本保持完整，對624工作面頂板壓力積聚起到了一定程度的緩解作用，頂板卸壓鉆孔對624工作面頂板壓力積聚具有積極意義。

圖8 2#觀測孔鉆孔窺視成像Fig.8 2# observation hole drilling peep imaging

根據(jù)624工作面鉆孔卸壓的現(xiàn)場觀測結果，初步推斷鉆孔卸壓對頂板壓力積聚具有一定意義，因此，通過監(jiān)測624工作面靠近端頭側的第160#支架采取卸壓措施前后的支護阻力，反演工作面端頭頂板應力積聚情況，施工前后160#支架監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

由圖9(a)可知，采取卸壓措施前，以支架載荷40 MPa為例，累計共出現(xiàn)支架大幅承載4次，支架承載較大，可以認為此時頂板壓力積聚程度明顯；由圖9(b)可知，采取卸壓措施后，160#支架在累計監(jiān)測的19 d內，均未超過承載臨界值，由此可以推斷，采取鉆孔卸壓措施有效解決了624工作面端頭頂板壓力過大的問題，監(jiān)測期間也未發(fā)生頂板漏矸等局部冒頂現(xiàn)象，卸壓效果顯著，保證了624工作面的安全回采，對礦井安全生產具有重要意義。

圖9 采取卸壓措施前后160#支架礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Mine pressure monitoring data of 160# bracket before and after taking pressure relief measures

5 結論

(1)采用數(shù)值模擬方法，對黃陵一號煤礦624工作面超前頂板設計卸壓方案，數(shù)值模擬結果顯示，隨著鉆孔孔徑的不斷增大，卸壓效果逐漸明顯，考慮實際施工條件，確定實施的卸壓鉆孔參數(shù)為孔徑24 mm，間排距300 mm×2 000 mm。

(2)通過在624工作面回風巷施工鉆孔卸壓，根據(jù)624工作面160#支架支架載荷數(shù)據(jù)結果顯示，施工鉆孔卸壓措施后，在累計監(jiān)測的19 d內，頂板壓力均未超過40 MPa的臨界值，卸壓效果明顯，監(jiān)測期間未發(fā)生頂板漏矸等局部冒頂現(xiàn)象，保證了624工作面的安全回采。