坚硬底板条件下钻孔卸压优化设计研究

摘 要：本文以贵州大方四平煤矿为背景，结合矿井实际地质条件，利用数值模拟方法研究坚硬底板条件下最优钻孔卸压方案。通过研究可知：钻孔卸压可以有效解决坚硬底板应力集中，防止回采过程中底板出现强矿压显现；底板采用巷道两侧钻孔卸压时，孔深越大卸压效果越明显。

关键词：坚硬底板；钻孔卸压；应力集中；优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.083

底板冲击，即底板的强矿压显现是目前坚硬底板应力集中的研究热点，我国学者也进行了较为深入的研究和实践。徐方军，毛德兵[1]根据华丰煤矿底板冲击矿压工程背景，分析了底板冲击矿压发生的机理，认为发生底板冲击矿压的必要条件有两个，一是底板岩层强度高，二是存在高应力作用在底板上。因此，可以通过破坏底板岩层和消除底板高应力两个途径防治底板冲击矿压的发生，具体方法包括煤层爆破卸压、煤层注水弱化及底板爆破卸压等。牛宝林，邸建友，唐绍琴[2]对底板冲击矿压的特点进行了描述，认为开采煤层的顶板是使底板产生弹性变形的主要力源，即在顶板自重和垮落时的动力载荷的作用下，底板蓄积了大量的能力，为冲击矿压的发生提供了必要的条件。另一方面，底板富有弹性，厚度大，强度高且完整，这是底板储存弹性能的基本条件，并且指出破坏底板完整性是治理底板冲击矿压的有效手段。

大直径钻孔卸压是在煤岩体应力集中或潜在应力集中区，施工一系列大直径钻孔，产生自由空间，改变煤岩体的应力分布及其特性，使煤岩体围岩系统储存的弹性能量得到缓慢释放的一种措施。但大直径卸压的参数大多都是根据现场经验，没有进行更加深入的研究，本论文结合现场实际研究钻孔深度对煤岩体应力集中的解危效果。

1 工作面概况及模型建立

为研究坚硬底板条件下钻孔卸压的合理设计和优化，本文选取贵州大方四平煤矿12205工作面为工程背景，建立数值模拟模型。其地质条件如下：主采煤层为K8下，煤层厚度3.50米，12205工作面平均埋深700m，煤层倾角仅为7°，为近水平煤层，矿井为高瓦斯矿井，煤层易自燃，地质条件复杂，工作面附近存在断层。该矿底板条件复杂，回采以来底板时常发生“冲底”现象，底板冲击危险大，主要是底板下方存在一层8m厚的火成岩，由于火成岩的入侵作用，造成底板应力集中，进而形成底板冲击。为解决该问题，结合矿上现有条件提出钻孔深度对坚硬底板应力集中解危效果研究。本数值模拟以12205工作面综合地质柱状图为基础，并对其地质条件简化，利用FLACD2D数值模拟软件进行模拟。

2 钻孔卸压优化设计数值模拟

钻孔位置、钻孔孔径大小及钻孔深度这三个条件对钻孔卸压效果影响较大，根据贵州大方四平煤矿现有条件，由于钻孔位置及孔径大小是固定的，本次研究主要是钻孔深度对坚硬地板应力集中解危效果的研究。本次模拟孔径设为100mm，孔深分别为3m，6m，9m，共三种不同的模拟方式，模拟结果如下。

从图1～3看出，钻孔深度越深卸压效果越明显，当钻孔深度为3m时，坚硬底板的上部有所卸压，但是较高的应力都集中在了坚硬底板的下部，对防治底板应力集中还是不利的；当钻孔深度为9m时，坚硬底板形成了大范围的卸压区，因此，对于坚硬底板，在采取底板钻孔卸压措施时，尽量采取深孔卸压，原则上要求钻孔打穿坚硬底板此时解危效果最好。

3 小结

结合数值模拟研究可知，钻孔卸压可以有效解决坚硬底板应力集中，防止回采过程中底板出现强矿压显现；底板采用巷道两侧钻孔卸压时，孔深越大卸压效果越明显，通过此研究以期为相似地质条件煤矿提供借鉴意义。

参考文献：

[1]徐方军，毛德兵.华丰煤矿底板冲击地压发生机理[J].煤炭科学技术，2001，29（04）：41-45.

[2]牛宝林，邸建友，唐绍琴.底板冲击矿压发生机理与防治[J].煤矿开采，1999（01）：20-23.

作者简介：吴代兵（1993-），贵州遵义人，本科，主要从事矿山压力等方面的研究。