冲击地压煤层巷帮卸压钻孔施工参数研究

史庆稳，崔宏科，吕大钊，潘俊锋，夏永学，王书文

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

矿山压力与灾害控制

冲击地压煤层巷帮卸压钻孔施工参数研究

史庆稳1，崔宏科2，吕大钊2，潘俊锋1，夏永学1，王书文1

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

结合巷道侧向支承压力的分布特点，理论分析煤层卸压钻孔的作用机制和塑性区发育特点，提出煤层卸压钻孔的“喇叭”状塑性区防冲机理并藉此确定了陕西某矿巷帮卸压钻孔的合理施工深度。基于莫尔强度理论，利用有限差分软件FLAC3D对比分析了具体地质条件下不同间距及不同布置方式的卸压钻孔对巷帮围岩冲击危险区域解危效果之间的差异，并通过现场试验论证了最优施工参数下的卸压钻孔对于防治冲击地压的效果。结果显示，按照研究结果确定的钻孔参数可使试验区域围岩的大能量震动事件大幅减少，大大降低试验区域的冲击危险性。

冲击地压煤层；卸压钻孔；施工参数；冲击危险性；莫尔强度理论

在高应力作用下，煤岩体卸压钻孔表面围岩的应力状态由三向应力变为平面应力状态而产生破坏从而使煤岩体得到弱化，弱化后的煤岩体无力支承高水平的巷道侧向支承压力而迫使其向巷道深部围岩转移[1]，由此达到降低巷道围岩冲击危险性的目的。钻孔卸压的效果受施工地点地质条件、煤岩体物理力学性质以及钻孔施工参数如孔深、孔间距、钻孔布置方式等的影响[2]。本文利用理论分析和数值模拟的方法，结合陕西某矿冲击地压煤层的实际条件，研究冲击地压煤层巷帮卸压钻孔的最优施工参数。

1 大直径钻孔卸压机理分析

众所周知，在岩体内开掘巷道或者打钻孔后会在巷道或钻孔围岩中发生应力重新分布，并在巷道围岩浅部出现塑性破坏区，巷道两侧切向应力增高所导致的支承压力区即为潜在的冲击危险区域[3]。

根据弹塑性力学理论，在平面应变条件下巷道围岩塑性区半径Rp巷的表达式为：

(1)

钻孔打出后，同样地将在孔壁周边形成弹塑性分区，其塑性区半径表达式为：

(2)

由此可知，沿钻孔的钻进方向钻孔周围塑性区半径的变化规律：

(3)

由式(3)可以发现，自弹塑性分界面以深，孔周塑性区半径与孔深成负相关的幂函数关系，则从支承压力峰值以深，塑性区围绕钻孔呈“喇叭”状分布且其塑性区半径最大值在支承压力峰值处出现。可见，施工卸压钻孔后的巷道围岩的塑性区将由两部分组成：巷道开挖所导致的巷周塑性区和卸压钻孔所导致的孔周“喇叭”状塑性区，如图1所示。在“喇叭”口处的塑性区可有效降低该范围内煤体支撑能力，促使高水平的应力集中区得到转移从而较为均匀地作用在实体煤中。根据冲击地压发生的动静载荷理论[4]，这将使煤体中弹性应变能得到较为缓和的释放，防止局部能量聚集引起的冲击。

图1 巷道及卸压钻孔塑性区分布剖面

2 大直径钻孔参数的取值研究

巷帮大直径钻孔卸压可以根据钻孔的布置形式、钻孔深度、钻孔间距等的差异而有不同的卸压方案，卸压方案中各参数的取值应根据巷道所在煤层的物理力学参数和巷帮侧向支承压力分布形态加以确定[5-6]，以陕西某矿冲击地压煤层的物理力学性质为基础，本文将研究该具体条件下包括钻孔深度、钻孔间距和钻孔布置形式等在内的巷帮卸压钻孔的最佳施工参数。

2.1 钻孔深度的确定

根据以上钻孔卸压机理分析可知，钻孔卸压的关键作用部位在于“喇叭”口塑性区处，因此钻孔深度应不小于支撑压力峰值的影响深度。一般认为，支承压力区的边界可以取高于原岩应力的5%处作为分界点[7]。根据弹塑性力学可求得该分界点r≈9.85m，该矿巷道半径约为2.14m，则钻孔深度不低于r-ra=7.71m。

2.2 钻孔间距的确定

当相邻钻孔的卸压区相互连通后便可在巷帮煤体内形成连续的卸压带[8]，为探究该煤层条件下巷帮钻孔的最佳钻孔间距，采用FLAC3D对不同钻孔间距时巷帮煤壁中的应力分布情况进行了模拟，模型中水平应力设置为垂直应力的1.5倍，模拟巷道埋深为670m，模拟煤层物理力学参数见表1。

表1 模型岩性参数

计算模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型，模型侧面边界限制水平移动，底面边界限制垂直移动；模型尺寸为6m×1m×4m(长×宽×高)，钻孔围岩网格加密。钻孔直径均取为113mm，并分别研究当钻孔间距为0.5，0.7，1.0，1.2，1.4m时的卸压效果，其卸压效果用莫尔相当应力加以表征。莫尔相当应力是按照莫尔强度理论所得到的强度条件，它表征了材料在复杂应力状态下发生破坏的危险程度[9]，因参量对于单轴抗拉和抗压强度差异较大的材料具有较好的适用性，本文将用其研究煤体施工钻孔后的围岩冲击危险状态。模拟结果如图2所示。

观察图2可知，在该煤矿水平应力主导的应力场条件下，钻孔左右和上下侧分别产生了一定范围的卸压区和应力集中区。对比不同钻孔间距条件下的莫尔相当应力分布规律可知：

(1)当钻孔间距为0.5m时，各钻孔的卸压区相互联通为一个应力降低区，同时钻孔上下侧的应力集中区也相互联通，显然这对降低围岩冲击危险性是不利的。

(2)当钻孔间距为0.7m时，各个钻孔卸压区相互联通而应力集中区并没有扩大。

(3)当钻孔间距为1.0，1.2和1.4m时钻孔卸压区未能联通，降低了钻孔的卸压效果。

综上可以认为钻孔间距取为0.7m时可实现钻孔卸压区域的相互联合并避免应力集中区的扩大，是较为理想的钻孔间距。

2.3 钻孔布置形式的确定

对于不同的钻孔布置形式，由于钻孔彼此距离和方位的不同，卸压区和应力集中区的整体分布情况将有所不同，并必然地导致卸压效果的差异[10]。按照控制变量的原则，在考察不同布置方式的卸压效果时，应当保持各钻孔间的距离不变。根据上述研究结论，在钻孔间距为0.7m时对单排眼、三花眼、四方眼3种布置方式进行莫尔相当应力的考察，各布置方案的具体参数如图3所示。

图2 不同钻孔间距莫尔相当应力

图3 钻孔布置形式示意

利用Fish语句提取了3种布置方式下钻孔围岩莫尔相当应力的分布情况。定义高出原岩应力值5%的围岩区域为应力集中区，低于该值95%的围岩区域为应力降低区，对应力集中区和和应力降低区的总面积、单孔的作用面积和单位长度巷道应力降低区面积、应力集中区面积进行统计和对比，如图4和图5所示。

图4 单孔应力降低/集中区面积柱状

图5 单位长度巷道应力降低/集中区面积柱状

由图4可知，单排、三花、四方3种布置形式的单孔应力降低区依次减少而单孔应力集中区却依次增加；同时，当且仅当采取单排布置时钻孔的单孔应力区大于其单孔应力集中区，从而说明了单排布置的卸压效率要优于其他两种布置形式。

图5显示，相比单排布置而言，三花布置和四方布置均能一定程度地增加单位长度巷道的应力降低区面积(不超过60%)，然而应力集中区面积却大幅度地攀升(分别增加为原来13.5倍和17.0倍)，因而可认为，采取三花或者四方布置对于冲击地压的防治是不合理的。

综合对于不同钻孔布置方式围岩莫尔相当应力分布规律的分析可以证明，在该煤矿具体地质条件下，单排布置为钻孔卸压的最优布置形式。

3 大直径卸压钻孔的现场应用

401101工作面是该矿401盘区首采综放工作面，埋深在680～740m；主采的4煤平均厚度16.25m，煤层倾角0～6°，平均3°。经鉴定，该矿主采煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性。工作面回风巷里程290m处为X1向斜轴，里程460m处发育一条F1正断层，落差为18m，倾角60～65°，如图6所示。

图6 401101工作面示意

由于F1断层和X1向斜距离较短，在两条构造之间形成了一定范围的构造复合作用区。该复合作用区的存在导致了巷道在掘进和后期使用过程中频繁发生动力显现。2015年11月，在对该区域施工瓦斯抽放钻孔时，该构造复合区处“煤炮”发生极为频繁且现场震感强烈。根据微震监测，该区段自2014年掘出以来即有微震事件长期作用，震动能量以103J和104J级别为主，为典型的“低频次高能量”震动特点，说明该区域危险程度较高[11]，威胁了矿井的安全生产和作业工人的生命安全。

因此，对该复合作用区约采取了大直径钻孔卸压的解危措施。钻孔直径取为113mm，并根据以上研究结论采取单排布置，孔深取为14m，孔间距按照巷道锚杆排距取为0.7m以方便施工。

实施卸压钻孔后30d内构造复合作用区内微震事件以102J和103J为主，且105J的超高能量震动事件全然消失，呈现为“高频次低能量”的特点，现场无明显震动显现，从而使得该区段的抽放孔得以顺利施工。这表明，卸压钻孔的实施使巷道围岩中弹性能的释放形式更为均匀、缓和，可避免局部能量聚集导致的超高能量震动事件，大大降低目标区域的冲击危险性。

4 结 论

(1)卸压钻孔可在巷道围岩中形成“喇叭”状的塑性区。“喇叭”状塑性区的“喇叭”口位于巷道开挖形成的侧向支承压力峰值处，可有效促使峰值区的应力向巷道围岩深部转移，从而防止局部能量过于聚集而引起冲击；卸压钻孔的设计深度应大于巷道侧向支承压力的影响深度。

(2)基于“喇叭”状塑性区的形成要求，该矿4煤卸压钻孔深度不应小于7.7m；数值模拟表明，在该矿钻孔的左右侧和上下侧分别为莫尔相当应力的降低区和升高区，卸压钻孔施工其间距应为0.5～1.0m之间，单排布置为最佳钻孔布置形式。

(3)现场实践表明，研究结果确定的钻孔方案对可使构造复合作用区巷道围岩大能量震动事件大幅减少，微震活动规律趋于均匀而平缓，大大降低该区域的冲击危险性，保证了生产作业的顺利完成。

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StudyonPressureReliefDrillingHolesLayoutParametersofRoadsideinRockburstCoalSeam

SHI Qing-wen1，CUI Hong-ke2，LV Da-zhao2，PAN Jun-feng1，XIA Yong-xue1，WANG Shu-wen1

(1.Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Shaanxi Binchang Mengcun Mine Co.，Ltd.，Xianyang 713600，China)

Based on distribution characters of roadway lateral abutment pressure，and pressure relief drilling hole mechanism of coal seam and plastic zone distribution character were analyzed，and ‘horn’ shape plastic zone rock burst prevention mechanism of pressure relief drilling hole in coal seam was put forward，and then reasonable pressure relief drilling hole depth of roadway side of one coal mine in Shaanxi province was determined.Based on Mohr’s failure theory，the difference that pressure relief drilling holes with different interval and different arrangement form to rock burst hazard zone relieving in specific geological situation were studied by numerical software FLAC3D，the results of rock burst prevention and cure with pressure relief drilling hole with the optimal parameters were verified in practical.The results showed that macro-energy shake incidents were decreased obviously under drilling hole parameters，which determined according studying results，and rock burst hazard of experimental field was decreased obviously.

rock burst coal seam；pressure relief drilling hole；construction parameters；rock burst hazard；Mohr’s failure theory

2017-09-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.018

国家重点研发计划(2016YFC0801401，2016YFC0801403)；天地科技开采生产力转化基金(KJ-2015-TDKC-05)；国家自然科学基金(51574149)

史庆稳(1989-)，男，山东鄄城人，硕士，主要从事煤矿冲击地压理论与防治技术研究。

史庆稳，崔宏科，吕大钊，等.冲击地压煤层巷帮卸压钻孔施工参数研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：74-77.

TD324.2

A

1006-6225(2017)06-0074-04

施红霞]