煤层大直径钻孔防冲机理研究

田峰 武海峰

摘要：近年来，煤层大直径钻孔作为冲击地压防治技术得到了广泛应用，但关于煤层大直径钻孔防冲机理的研究较少，在确定煤层钻孔参数（钻孔直径、间距、深度）时还是凭借经验。文章基于实验室模拟、数值模拟、力学建模等手段，研究了不同钻孔参数的相互影响特征，为确定合理的钻孔卸压参数提供了依据。

关键词：煤矿；冲击地压；钻孔卸压；大直径钻孔；防冲机理 文献标识码：A

中图分类号：TD713 文章编号：1009-2374（2016）24-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.075

1 钻孔改变煤体物理力学性质的实验研究

由于目前难以采用理论分析或数值模拟研究钻孔对煤体物理力学性质的影响，本文提出一种基于实验方法研究钻孔改变煤体物理力学性质的思想，即采用实验机测试钻孔试样的物理力学性质。

1.1 试样制作

煤样的力学性质易受地质构造、加工过程的影响。为降低试样测试数据的离散性，采用325号水泥制作2个块体（尺寸为150mm×150mm×150mm），并对其进行养护12天。然后将块体加工成长方体标准试样，尺寸为50mm×50mm×100mm。

1.2 实验步骤

（1）对各个试样进行编号，采用游标卡尺量取每个试样的具体尺寸，并计算出各个试样的体积Vi；（2）采用J1Z-10电钻配直径为5mm的钻杆在试样上钻孔，钻孔垂直长方形表面；（3）将钻孔试样依次放在天平上称出质量mi1，并计算出各个试样的密度；（4）将钻孔试样依次放在RMT试验机上进行单轴抗压试样，一直加载到试样破坏，绘出应力—应变曲线。

1.3 实验结果

图1～图3所示为实验得到的试样轴向应力—应变曲线。从图中可以看出，利用制作的试样得到的轴向应力—曲线与典型的煤样应力—应变曲线相似，因此采用325号水泥模拟煤体是可行的。

图1 完整试样轴向应力—

应变曲线 图2 钻孔试样应力—

应变曲线（4个孔）

试样单轴抗压强度与密度的关系如图4所示。从图中可以看出，当试样密度为1.96g/cm3、1.93g/cm3、1.87g/cm3时，相应的试样单轴抗压强度为28.2MPa、23.9MPa、14.2MPa。可见，随着试样密度的降低，单轴抗压强度逐渐减小，因此对于同种岩石材料，岩体密度越小，其抗压强度越小。

试样弹性模量与密度的关系如图4所示。从图4中可以看出，当试样密度为1.96g/cm3、1.93g/cm3、1.87g/cm3时，相应的试样弹性模量为4.6GPa、4.0GPa、2.2GPa。可见，随着试样密度的降低，弹性模量逐渐减小，因此对于同种岩石材料，岩体密度越小，其弹性模量越小。

对于完整试样单轴抗压试验，当试样达到极限强度时，试样发生崩裂性破坏，并产生清脆的声响；当在试样上钻个4孔时，试样单轴抗压强度降低，也产生崩裂性破坏，但破裂碎块块度较小，伴随的声响也较小；当在试样上钻10个孔时，试样单轴抗压强度降低幅度較大，不产生崩裂和明显声响。可见，钻孔能够改变试样的破坏状态。

根据弹塑性理论和冲击倾向性理论，同种岩石材料的弹性模量越大，其塑性越小，发生冲击地压的可能性越大；相反，弹性模量越小，其塑性越大，发生冲击地压的可能性越小。实验表明，钻孔能够改变试样的物理力学性质和破坏状态，降低试样脆性，增加试样塑性，从而降低冲击倾向性。

4 结语

本文探讨了大孔径钻孔卸压防冲的机理，得到如下结论：（1）通过实验研究发现，大直径钻孔能够显著降低试样的强度和弹性模量，改变了其承载能力，进而起到防冲作用；（2）通过数值模拟研究得到，实施多钻孔后，塑性区可以相互贯通，煤层大直径钻孔能够释放煤体中的部分应变能；（3）理论推导了钻孔直径、钻孔间距、钻孔深度的计算公式，并在金庄矿3205工作面冲击地压危险区治理中得到应用，结果表明，该方法得到的钻孔参数能够起到较可靠的防冲作用。

作者简介：田峰（1968-），男，枣庄市金庄生建煤矿副矿长，工程师，研究方向：采矿工程。

（责任编辑：秦逊玉）