深部围岩位移破坏及穿层钻孔封孔优化

王中华

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037）

深部围岩位移破坏及穿层钻孔封孔优化

王中华1，2

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037）

基于深部和浅部巷道围岩地应力差异，理论分析了浅部巷道围岩特征为单应力峰值、单一破裂区，深部巷道围岩特征为多应力峰值、分区破裂。现场观测了深部巷道围岩位移呈现波峰、波谷交替出现的规律，波峰部位为破坏区，波谷部位为非破坏区；破坏呈现破裂区和完整区间隔的分区破裂现象，破裂区一般为4～5个，破裂区范围明显大于浅部巷道围岩破裂部位。优化了穿层钻孔封孔深度为8～10 m，通过单孔抽采量考察，结果表明穿层钻孔单孔抽采纯量高达28 m3/d，平均抽采浓度达20%以上，抽采量提高近10倍，抽采浓度提高4倍以上，抽采效果显著提高。

深部围岩 多应力峰值 分区破裂 位移破坏 封孔深度 抽采效果

随着煤矿开采深度的增加，巷道围岩应力逐渐增大，深部煤岩体处于三高一扰动，即高地应力、高地温、高瓦斯压力和强烈开采扰动的赋存环境，使得围岩应力场更加复杂、围岩出现大变形和强流变特性、动力响应具有突变性、深部煤岩体的脆性—延性转化，甚至巷道围岩出现分区破裂现象。分区破裂现象首先是俄罗斯学者M.V.Kurlenya等在深部开采现场发现的。分区破裂自从被发现以来受到广大学者的关注。刘高等得到在我国金川镍矿区二矿区1200 m中段一试验巷道中垂直于巷道侧墙的钻孔沿径向方向的围岩应力实测结果；顾金才首次以模型试验证实了分区破裂的存在，指出轴向高地应力是产生分区破裂的重要原因；周小平和钱七虎把深部巷道的开挖看作动力问题，运用弹性力学和断裂力学，确定了破裂区和非破裂区的宽度和数量；王明洋等研究了深部巷道围岩地质力学能的量子化效应；贺永年认为分区破裂是深部高应力隧洞围岩的一种广泛的规律性行为；张强勇等发现高地应力下洞周围岩应变和位移的非单调性变化规律；戚承志等利用连续相变理论研究了分区破裂现象并提出运用梯度塑性理论来解释；陈坤福以弹塑性力学和能量角度研究了分区破裂现象成因，认为主应力轴旋转是导致该现象的重要因素。目前底板岩巷穿层钻孔作为突出矿井区域防突的重要措施，其中封孔效果直接影响抽采防突效果。因此研究深部底板岩巷围岩位移破坏特征，进而优化穿层钻孔封孔方式对防突具有重要意义。

1　底板岩巷应力破坏理论分析

1.1浅部巷道围岩应力破坏特征

矿井浅部开采地应力水平相对较低，巷道围岩一般依次分为破碎应力降低区、塑性集中应力增高区及原岩应力弹性区。

基于围岩松动圈理论，巷道围岩在开挖过程中的动静力作用，依次形成破碎区、塑性软化区、塑性强化区及弹性区，如图1所示。

图1　围岩松动圈示意图

巷道围岩松动区（r2）包含破碎区（r1）和塑性软化区两个部分，前者取决于开挖卸载所产生的动力作用，而后者取决于围岩系统的静力作用。在弹性应力作用下，当巷道周边围岩的拉应变达到极限拉应变时发生拉裂破坏，围岩由弹性状态转化为脆性拉裂状态，由此可确定破碎区半径r1。根据破碎区围岩应力及残余强度理论，围岩松动区半径（r2）的计算公式为:

式中:r2——围岩松动区半径，m；

ø——围岩的摩擦角，（°）；

c——围岩的黏聚力，MPa；

p0——静水压力，N；

p1——破碎区对塑性软化区的支撑反力，N；

r1——围岩破碎区半径，m。

1.2深部巷道围岩分区破裂机制

深部开采地应力水平高，巷道开挖瞬间围岩暂时处于弹性状态，其周边附近岩体出现应力集中，发生脆性的张裂破坏，形成周边卸压区，如图2（a）。

图2　深部巷道围岩分区破裂演化过程

由于深部水平地应力高和煤岩流变性，应力集中峰值区的应力超过岩体强度而破坏，弹性能进一步释放使塑性区和弹性区交界线（此处围岩环向、径向压力最大，径向应变最大，称支撑压力线）逐渐后移，塑性区逐渐向深部发展，如图2（b）所示，形成一条环带状连续缝。这条环状连续缝外侧围岩又会因为应力集中出现弹性转化脆性的张裂破坏，如图2（c）所示，这样重复出现弹性转化脆性的张裂破坏和由塑性转化为脆性的拉裂环状连续缝使得围岩内产生交替的破坏及未破坏区域，即分区破裂化现象。这种现象一直进行到围岩介质内由荷载作用产生的最大径向拉应变值小于围岩的极限拉应变时为止，如图2（d）所示。因此，深部高应力环境下煤岩体处于峰后特性状态，巷道围岩可能存在复杂应力区，一定条件下巷道围岩状态有时发生膨胀带和压缩带交替出现的情形，且其几何尺寸（宽度）按一定比例递增，出现区域破裂现象；巷道围岩应力峰值减弱，卸压区宽度显著增大。

浅部巷道在图2（b）阶段由于支撑压力线处径向拉应变无法达到最大径向拉应变，塑性强化区完全可以支撑围岩压力，即只有一个破裂区和一个完整区，不会产生分区破裂化现象，仅为深部巷道分区破裂的第一个破裂区。因此，浅部巷道围岩卸压半径远小于深部巷道。

深部巷道一般有若干个破裂区，巷道壁至最外侧破裂区外边界即为巷道的卸压半径。假设最外侧破裂区为i，第i个破裂区内边界的表达式为:

第i个破裂区外边界（巷道卸压半径）的表达式为:

ν——材料泊松比；

p0——原岩应力，N。

综上所述，矿区浅部与深部开采由于地应力大小相差较大，巷道围岩附近卸压带宽度存在差异。深部开采地应力水平高，巷道围岩附近可能形成分区破裂现象，卸压带宽度明显增大。

2　底板岩巷围岩位移破坏考察

2.1试验区概况

尚庄煤矿为煤与瓦斯突出矿井，试验地点505底板运输岩巷位于四水平（-650 m），属于东三下山采区，埋深726～876 m，巷道断面4.2 m×3 m（宽×高），巷道与煤层法向距离为19 m。顶板岩性由下向上依次为:浅灰色细砂岩与深灰色细粉砂岩互层，厚约8.8 m；浅灰色中粒砂岩，厚约1.2 m；浅灰色～深灰色薄层状泥质细粉砂岩，偶见菱铁矿结核，厚5.0～6.0 m。B4煤层发育比较稳定，煤层厚2.8～3.8 m，中间有0.4～0.6 m的夹矸，煤层倾角10°～13°，走向N70°～85°E，倾向SW。瓦斯绝对涌出量为6.01 m3/min，相对涌出量为14.46 m3/t，瓦斯压力2.0 MPa，瓦斯含量为8.28～22.45 m3/t，煤层透气性系数为2.59 ×10-2～9.61×10-2m2/MPa2·d，属难抽采煤层，煤尘具有爆炸性和自燃性，爆炸指数17.65%，自然发火期为4～6个月。地质构造较复杂，掘进过程中揭露断层6条，其中，落差大于2 m的有1条，落差0.5～2 m的有5条。

2.2围岩位移特征

为了分析巷道围岩内部位移情况，采用DW-6型多点位移计来测量巷道围岩不同深度的相对位移。共考察2个断面，考察位置分别位于距掘进工作面240 m和100 m处，每个断面布置5个钻孔，分别考察巷道中心线下帮15 m、下帮7.5 m、正上方、上帮7.5 m、上帮15 m处的围岩位移量，每个钻孔共6个观测点，每个观测点位于钻孔内部的不同深度，考察结果如图3所示。

图3　尚庄煤矿505底板运输岩巷围岩位移

由图3可知，同一钻孔不同基点，由外向内呈现为波峰和波谷变化的特点，这种变化规律不同于浅埋硐室围岩位移与随离硐壁距离的增大而逐渐减小的单调变化规律，初步判断巷道开挖后围岩内部存在分区破裂现象，位移量较大的波峰部位为围岩破坏区，位移量较小的波谷部位为围岩非破坏区。

2.3围岩破坏特征

为了能直观地反映底板岩巷的破坏情况，以便观测围岩内部裂隙发育，以及为分析围岩内部瓦斯运移规律及抽采防突提供现实依据，决定采用YTJ20型岩层探测记录仪探测围岩内部结构，其组成包括彩色摄像探头、视频传输线、导杆和主机等，应用窥视仪探测围岩内部破坏时，须在巷道表面钻孔，利用导杆人工沿钻孔轴心推进摄像探头。通过彩色摄像探头实测钻孔内岩层图像，由视频传输线将视频信号传输到主机液晶显示屏上，由导杆或钢卷尺记录钻孔深度，显示屏记录钻孔内壁构造。根据得到的数据和图像，用AUTOCAD软件将每个钻孔内围岩破裂的位置及程度由外向内依次描绘在图上，并且将间隔不大于0.2 m的破裂划分为一个带；每个破裂带用多义线连接起来，并用十字网格充填，由外向内依次为破裂带编号，得到围岩分区破裂情况。试验巷道上方围岩上下帮15 m范围内不同位置的围岩破坏情况如图4所示。

图4　底板巷监测断面围岩分区破裂

由图4可知，每个巷道断面围岩破裂区一般有4～5个，有的破裂区较小，没有贯穿，仅为零散分布，破裂区破裂大小程度依次为正上方、两侧7.5 m、两侧7.5～15 m。巷道表面范围内围岩的破坏最为严重，以严重破碎和破碎为主，这个区域可认为是传统意义上的巷道围岩松动圈。表面破坏区外是完整区，再往外进入第二破裂圈，这一破裂分区围岩的破坏也比较大，以破碎和裂隙为主。然后又是完整区，接着又是第三破裂区，这一破裂分区围岩的破坏比较小，以裂缝为主。间隔完整区，进入第四破裂区。间隔完整区，进入第五破裂区，这一破裂区较小且不连续。破坏深度最大达8.47 m。

3　穿层钻孔封孔优化

3.1封孔优化

目前，底板岩巷抽采钻孔封孔长度按照抽采设计规范要求不少于5 m，但实际实施过程中容易漏气，抽放效果差。根据上述对尚庄煤矿围岩位移、破坏特征的观测，围岩位移破坏范围最大达8.47 m（即卸压范围），为确保抽采效果，抽采钻孔封孔长度应大于卸压范围；因此封孔长度由不少于5 m优化为8～10 m，封孔工艺如图5所示。

图5　穿层抽采钻孔封孔优化示意图

3.2封孔效果考察

采用优化的封孔方式后，对上述观测钻孔单孔的瓦斯抽采量进行观测，如图6所示。

图6　穿层钻孔抽采瓦斯纯量变化曲线

煤层在封孔深度优化前，钻孔单孔抽采量仅为3～5 m3/d，抽采不稳定，抽采浓度仅有5%左右。由图6可知，采用优化的封孔方式后，底板穿层钻孔的单孔抽采量均较大，最大达28 m3/d，且抽采比较均匀，平均抽采浓度达20%以上，根据拟合曲线可知，抽采量符合瓦斯衰减规律，抽采效果显著。

4　结论

（1）矿井浅部与深部地应力大小相差较大，分别呈现单应力峰值、多应力峰值特征；浅部围岩只有一个破裂区，深部巷道围岩可能形成分区破裂现象，浅部围岩破裂区宽度远小于深部。

（2）深部巷道围岩位移不同于浅埋硐室围岩位移与随离硐壁距离的增大而逐渐减小的单调变化规律，呈现波峰、波谷交替出现的特征，位移量较大的波峰部位为围岩破坏区，位移量较小的波谷部位为围岩非破坏区。

（3）通过观测深部围岩出现分区破裂现象，破裂区和完整区间隔出现，破裂区一般为4～5个，破裂区明显大于浅部巷道。

（4）基于深部围岩位移、破坏特征，优化穿层钻孔封孔深度为8～10 m，通过考察，穿层钻孔单孔抽采纯量高达28 m3/d，平均抽采浓度达20%以上，抽采效果显著提高。

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（责任编辑 张艳华）

Displacement failure of deep surrounding rock and optimization of sealing process of through holes

Wang Zhonghua1，2
（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Shapingba，Chongqing 400037，China；2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Shapingba，Chongqing 400037，China）

Based on the difference of ground stress between deep surrounding rock and shallow surrounding rock，the features of surrounding rock of roadway were theoretically analyzed，which were single peak stress and single disintegration of shallow surrounding rock and multi peak stress and zonal disintegration of deep surrounding rock.Field observation shows the displacement of deep surrounding rock of roadway takes on alternative appearance of the peak and trough of stress，the position corresponding to the peak of stress is disintegration zone and the positon corresponding to the trough of stress is not disintegration zone；the disintegration takes on zonal disintegration which disintegration zone and integration zone intervally appear，the disintegration zone is generally 4 to 5 and the disintegration range of deep surrounding rock is obviously greater than the disintegration range of shallow surrounding rock.The optimal sealing depth of through hole is 8 to 10 meters，the investigation results of quantity of drainage of single through hole show that net quantity of drainage of through hole reaches up to 28 m3/d，increasing by about 10 times，the methane gas concentration of drainage reaches more than 20%，increasing by more than 4 times，the effect of drainage is obviously improved.

deep surrounding rock，multi peak stress，zonal disintegration，displacement failure，sealing depth，gas extraction effect

TD713.3

A

王中华（1984-），男，山东枣庄人，助理工程师，硕士，现工作于中煤科工集团重庆研究院有限公司，主要从事煤矿安全技术及工程研究。