综采面回采巷道钻孔卸压机理及实践效果分析

（山西同煤集团虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 036010）

随着我国煤炭开采深度和强度的不断加大，采场周边围岩应力分布也逐渐变的较为复杂，由矿压显现引起的矿山灾害也日益严重[1]。对于矿山压力显现的防治措施主要包括区域性防范措施和局部性的解危措施[2]，前者主要是通过支护体来阻止围岩的破坏，后者主要是通过改变围岩体的承载结构来防止围岩破坏，包括钻孔卸载爆破、钻孔卸压及注水卸压等措施。由于钻孔卸压具有施工简单和对矿井地质条件要求不高等特点，故在矿压显现防治中得到了较为广泛的应用。为此，本文将以某矿80150综采工作面为工程背景，探索钻孔卸压技术对于改善采面应力分布的效果。

1 工程背景

某矿80150综采工作面开采煤层位于侏罗纪中统，煤层平均厚度为10.36m，煤层倾角1°～3°，工作面走向长度2203m，工作面倾斜长度160 m。伪顶为泥质砂岩，厚度约0.4 m；直接顶为砂质泥岩，厚度2.3～6.3 m；基本顶为细砂岩，厚度6.4～19.7 m；直接底为泥岩，厚度在1.2～4.2 m；煤层直接顶、底板的普氏系数分别为5和6。顺槽进、回风巷沿煤层底板掘进，巷道断面形状为矩形，巷道顶板采用五排“螺纹钢锚杆+W型钢带”和三二式布置“锚索+铁托板”配合金属网混合支护，两帮采用三排“螺纹钢锚杆+托板+金属网”进行支护。

在工作面回采期间，回风顺槽时常发生大面积片帮及顶板冒落，严重时造成支护体失效，影响工作面的正常回采。巷道破坏情况见图1。

图1 回采巷道矿压显现情况

2 巷道破坏原理及钻孔卸压机理分析

2.1 巷道破坏原理分析

该矿所采煤层顶底板坚硬且所受应力较大，受开采扰动影响而巷道矿压显现剧烈。根据岩层坚硬且高应力地区岩层控制理论，矿压显现剧烈的原因主要是煤岩体开挖后，高应力区域的围岩应力重新分布造成的岩层活动。图2为建立的巷道围岩受力力学模型。

图2 巷道围岩受力力学模型

根据岩石力学理论分析[3-4]，在巷道开挖后，因临空面的产生，煤岩体受力状态由原来的三向受力变为单向受力或双向受力，围岩应力重新分布，引起应力集中，并在煤岩体自承力的作用下，最终会达到应力新的平衡。此时，在离巷道帮部一定的范围会产生一个应力极限平衡区，图2中l为极限平衡区的长度。随着采动的影响，当集中应力超过煤岩体的破坏强度时，应力极限平衡被打破，巷道发生片帮和冒顶，随之重新进入一个新的平衡状态，煤岩体的应力峰值σmax也向深部转移。

2.2 钻孔卸压机理分析

钻孔卸压的原理和巷道开挖后围岩应力重新分布的原理相似[5]，在巷道表面施工钻孔后，钻孔周围应力会重新分布，引起钻孔孔边应力集中，并在钻孔周围一定范围形成卸压区。当合理布置卸压钻孔后，会使钻孔卸压区相互贯通形成一条钻孔弱化带，如图3。这样不仅破坏了煤岩体的自承能力，也改变了应力极限平衡区，使煤岩体的塑性区和应力峰值σmax向深部转移，从而能有效降低岩层坚硬且高应力地区巷道周边围岩应力，起到保护巷道的作用。

图3 钻孔卸压原理

3 钻孔卸压参数确定及布置方案

3.1 巷道卸压钻孔参数确定

（1）钻孔直径及卸压区半径确定

在钻孔过程中，为了防止钻孔直径过大而出现孔边应力集中而出现破坏，所以选取钻孔直径不宜过大，其钻孔直径计算见式（1）[2]：

式中：d为钻孔直径，mm；R为弹性区半径，m；σp为围岩所受的切向应力为煤岩体的内摩擦角。

经计算得钻孔的直径为150 mm，钻孔卸压区边界方程[1]见式（2），通过式（2）计算得钻孔卸压区半径为0.4 m。

式中：ρ为卸压区半径，m；d为钻孔直径，m；C为煤岩体内聚力，MPa；P为煤岩体所受垂直应力，MPa；k为侧压系数，取1.2。

（2）钻孔深度及间排距

因单个钻孔卸压区半径为0.4 m（考虑理论与实际偏差），结合钻孔卸压区的分布形式，为确保钻孔卸压区相互贯通而形成弱化带，确定钻孔之间的排距为1.5m，间距为0.6 m。

根据极限平衡区宽度的计算公式（3）确定钻孔深度范围：

式中：H为煤层厚度，m；F为支护体阻力，kN。计算出极限平衡区宽度为15m，一般钻孔深度L要满足：l/2＜L≤l，结合本工作面和巷道的实际生产条件及施工难易程度，确定卸压钻孔的深度为10 m。

3.2 巷道钻孔布置

根据巷道围岩松动圈理论分析可知，钻孔形成的卸压区分布形状为“蝶”形。因此，钻孔的布置方位及相互位置关系会影响钻孔卸压区弱化带的形成，所以钻孔布置方式宜采用两排三花眼布置，见图4。

图4 巷道钻孔平面布置

4 钻孔卸压效果分析

为研究巷道钻孔卸压实际应用效果，在回采巷道非生产帮间隔30 m安装一组深6m的钻孔应力监测计，通过监测系统对卸压区和未卸压区进行为期30 d的监测数据进行统计分析，取每个测点30 d监测数据的平均值并绘制应力变化曲线见图5。

图5 距工作面不同距离煤柱体超前应力变化曲线

从图中可以看出，经钻孔卸压后，工作面支承压力超前影响距离由125 m扩大为145 m；工作面在未卸压区域推进过程中，在距工作面15m处支承压力达到峰值，大小为12.5MPa；而在卸压区域推进过程中，在距工作面30m处支承压力才达到峰值，大小为9.5MPa。此时，未卸压区应力峰值是卸压区的1.3倍，卸压区的应力峰值距工作面的距离是未卸压区的1倍。可见，在工作面回采的动压影响下，钻孔卸压后的煤柱浅部区域出现明显的应力下降，使应力集中区域向巷帮深部转移，提高了回采巷道围岩的稳定程度，保证了工作面的安全回采。

5 结语

1）对80150综放工作面回风顺槽进行钻孔卸压实践表明，钻孔卸压后工作面超前支承压力峰值下降了24%，应力峰值距工作面的距离由15 m扩大为30m，超前影响距离由125 m增至145 m。

2）巷道经钻孔卸压后使应力峰值向煤岩体深部转移，降低了浅部煤岩体的围岩应力，有效的控制了巷道周边围岩变形。