高应力巷帮阶梯型卸压孔合理参数研究

宋代福，马志涛，崔永强，卢可玉

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590； 2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

冲击地压是煤岩采动诱发高强度弹性能瞬间释放，引起相应采动空间煤岩强烈震动和冲击挤出的动力现象，是我国煤矿常见的重大灾害事故[1]。众多学者已对冲击地压发生机理、冲击地压预测及防治方法等开展了系统研究[2-4]。目前，钻孔卸压是我国防治矿井冲击地压最常用、最有效的方法之一，对于钻孔卸压机理，马斌文等[5]基于冲击地压应力控制理论，推导了钻孔卸压区的边界方程，分析了煤体性质、钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响；袁红辉等[6]从围岩破裂面与主应力夹角、围岩峰值强度和弹性模量变化角度，分析了卸压孔对围岩整体力学性能的影响；李生舟[7]通过理论分析和FLAC3D数值模拟获得了扩孔卸压后煤体破坏形态、塑性区范围及应力分布规律；谭云亮等[8]研究了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征，揭示了深部煤巷帮部“卸-固”协同控制机理，研发了深部煤巷帮部失稳“卸-固”协同控制技术；宋希贤等[9]采用RFPA2D-Dynamic数值软件研究动力扰动下深部巷道卸压孔与锚杆联合支护作用机理；赵振华等[10]对含卸压孔的辉长岩试样进行应力松弛试验，获得了其峰前应力松弛特性、松弛模型和超声波变化规律，揭示了应力松弛过程的卸压孔作用机制。卸压孔参数研究方面，李东印等[11]用FLAC3D模拟分析了高应力煤巷卸压孔的形状参数对其卸压效果的影响，发现卸压区范围随卸压孔孔径的增大而增大，随钻孔深度的增加而减小；王俊铭等[12]借助COMSOL 模拟软件分析了扩孔卸压后煤体所受应力变化和渗透率变化情况，发现扩孔挖出煤量越大，扩孔孔洞周边煤体的径向位移形变量也越大；耿敏敏等[13]采用数值模拟法对不同卸压孔布置方式的卸压效果进行计算和对比分析，发现卸压孔五花布置时卸压效果最为明显；齐燕军等[14]通过含预制卸压孔的煤柱模型相似试验，分析了卸压孔直径对煤柱破坏特征、强度特征及声发射特性的影响，确定了卸压孔直径的合理取值范围；高永格等[15]利用数值模拟和现场试验对不同孔径周围应力分布规律进行研究，发现相同地质条件下适当增大钻孔直径可有效增加钻孔周围塑性区半径，从而提高钻孔卸压效果。

上述研究表明，钻孔卸压法非常有效，钻孔参数对卸压效果影响较大，孔径越大、孔间距越小，卸压效果越明显。但也有研究表明，大直径钻孔会弱化巷道围岩力学性能，对破碎围岩造成较大扰动，使巷道围岩变形过大，降低巷道稳定性支护控制。如黄文等[16]采用ABAQUS有限元模拟，对扩孔段的成孔效果和最大扩孔直径进行分析，发现扩孔段直径与围岩强度和围压均呈负相关关系；顾士坦等[17]也发现在钻孔卸压施工过程中，为保证卸压效果，经常会出现卸压过度的现象，对巷道浅部围岩承载结构造成破坏，围岩变形剧烈，使开挖扰动后已发生破碎的巷道浅部围岩更加破碎，大大增加了后期支护难度和支护成本。因此，如何既能保证钻孔卸压效果，又能降低卸压孔对巷道浅部围岩扰动是钻孔卸压法亟待解决的问题。

本研究利用ABAQUS有限元软件建立数值仿真模型，对阶梯型钻孔卸压技术进行模拟，比较分析卸压效果和对围岩扰动的影响，探讨钻孔长度、直径和钻孔间距等参数的影响。

1 钻孔卸压机理分析

如图1所示，钻孔卸压是在高应力煤体内施工大直径钻孔，使周围煤体破裂变形，释放煤体内弹性应变能，降低煤体应力。图中，σ、L、s分别为应力、钻孔长度、钻孔与巷帮距离。当卸压孔布置合理，卸压孔周围破碎区相互连通，便可形成大范围的卸压区，使得巷道煤壁附近的高应力集中区向煤体深部转移，从而起到防治冲击地压的目的[18]。

图1 钻孔卸压机理示意图Fig. 1 Mechanism of drilling pressure relief

钻孔卸压效果主要取决于钻孔周边煤体破坏程度，煤体破坏范围越大，卸压效果越明显。假定煤岩为弹塑性体，卸压孔周边弹塑性区及围岩单元体受力状态如图2所示。其中，r0为钻孔半径，Rp为塑性区半径，Re为弹性区半径且趋于无穷远，p0为围岩地应力，σr、σθ分别为单元体径向和环向正应力，τrθ=τθr为单元体切向应力。根据岩体弹塑性理论[19]，由轴对称应力问题，可得钻孔周边弹性区应力和位移如式(1)所示：

图2 卸压孔周边岩体单元受力模型

(1)

对于钻孔周围塑性区，联合平衡微分方程和Mhor-Coulomb准则，可得塑性区应力为：

(2)

根据弹性区和塑性区完全接触边界条件，有：

(3)

联立式(1)、(2)和(3)，可得塑性区半径Rp、弹性区边界径向位移ue分别为：

(4)

(5)

由式(4)和(5)可知，当原岩应力和围岩力学参数一定时，卸压孔围岩塑性区半径Rp与卸压孔大小r0成正比，卸压孔越大，卸压效果越明显，但也导致孔周围弹性区径向位移ue增大。因此，实际工程中，卸压孔过大会导致巷道围岩产生较大的竖向变形，不利于巷道稳定性控制，为解决上述问题提出阶梯型扩孔卸压技术。

2 阶梯型钻孔卸压分析

2.1 数值模型

根据某矿开采实际情况，煤岩体物理力学参数如表1所示，利用ABAQUS有限元软件，建立数值模型如图3所示。模型尺寸(长×宽×高)为60 m×10 m×39 m，巷道宽4 m，高3.2 m，采用Mhor-Coulomb准则，模型周边法向位移约束，底部固支。设煤层埋深800 m，顶部施加均布荷载20 MPa。

图3 阶梯型钻孔卸压数值模型

表1 岩层物理力学参数表

模拟步骤：首先进行初始地应力平衡计算，再进行巷道开挖，并进行第二次静态平衡计算；然后，在巷道右侧距巷道底板1.5 m处，模拟不同工况卸压孔开挖，计算围岩垂直应力和变形，分析比较卸压效果。

2.2 卸压效果比较

取常规大直径卸压孔的孔径为0.3 m，钻孔长度为20 m；阶梯型卸压孔在巷帮浅部为小直径钻孔，孔径0.1 m，长度2.5 m，深部采用大直径钻孔，孔径0.3 m，长度17.5 m。着重比较卸压孔范围内煤岩体垂直应力和巷道围岩变形情况，结果如图4、图5所示。比较可知，在钻孔范围内，两种形式钻孔均能有效降低围岩垂直应力，将应力峰值向煤体深部转移，起到卸压作用。由于阶梯型卸压孔在巷帮围岩浅部采用0.1 m小直径钻孔，相比常规大直径钻孔，巷道顶板和两帮的最大位移量分别降低了约70%和63%，有效降低了围岩变形量，更有利于巷道稳定性控制。

图4 不同卸压方式围岩垂直应力变化Fig. 4 Vertical stress variations ofdifferent pressure relief methods

图5 不同卸压方式围岩变形量 Fig. 5 Surrounding rock deformation of different pressure relief methods

3 阶梯型钻孔卸压合理参数分析

3.1 卸压孔直径

取孔径分别为0.1、0.2和0.3 m三种常规卸压孔，单排布置，孔间距0.6 m，孔长度20 m。图6为钻孔卸压后围岩垂直应力分布。从图中可以看出，当孔径为0.1 m时，围岩应力没有降低，应力峰值几乎没有向深处转移，无卸压效果；当孔径为0.2 m时，垂直应力开始降低，应力峰值转移不明显，卸压效果微弱；孔径增至0.3 m时，垂直应力显著降低，比原岩应力降低约22%，应力峰值向围岩深部转移明显，卸压效果显著。因此，对于阶梯型卸压孔，靠近巷帮小直径段的孔径不宜大于0.1 m，而深部大直径段的孔径宜大于0.2 m，大于0.3 m时卸压效果显著。

图6 不同孔径卸压孔围岩垂直应力比较

3.2 卸压孔长度

阶梯型卸压孔长度L由小直径段长度L1和大直径段长度L2组成。一般情况，L1不大于巷帮应力降低区的宽度，L2则应大于应力集中影响区域宽度，如图7所示。以埋深800 m，宽4.0 m，高3.2 m的巷道为例，不考虑巷道支护阻力，模拟开挖后巷道围岩支承压力及原岩应力如图8，可见距巷帮0～3 m范围为应力降低区，3～20 m为应力集中区，应力峰值距巷帮约5 m，故取阶梯型卸压孔总长度L=20 m，其中L1和L2长度按表2取值；取卸压孔小直径段的孔径为0.10 m，大直径段孔径为0.30 m，钻孔间距0.60 m，单排布置。则卸压效果如图9和图10所示。

图7 钻孔长度确定示意图

图8 巷道围岩支承压力及原岩应力

表2 阶梯型卸压孔长度组合方案

图9 不同长度组合阶梯型卸压孔垂直应力云图

图10 不同长度组合阶梯型卸压孔垂直应力分布

图9、图10分别为巷道围岩垂直应力云图和沿卸压孔轴线方向的变化曲线。可看出，当浅部小直径段钻孔长度L1≤3 m时(方案1～3)，在钻孔总长度20 m范围内围岩垂直应力明显降低，钻孔底部应力峰值向深部转移，整体卸压效果明显；当L1=4 m或5 m时(方案4、方案5)，虽然巷道右侧7～20 m区域内卸压明显，但3～6 m范围内仍存在较高应力集中现象，卸压效果不理想。结果表明上述阶梯型卸压孔小直径段长度L1和大直径段长度L2的确定原则较为合理。

3.3 卸压孔间距

设巷道埋深800 m，取阶梯型卸压孔小直径段的孔径为0.10 m，长度L1=2.50 m，大直径段的孔径为0.30 m，长度L2=17.50 m；卸压孔单排布置，孔间距分别为0.60、0.80、1.00和1.50 m。模拟所得钻孔围岩塑性破坏和垂直应力变化分别如图11和图12所示。

图11 不同间距卸压孔围岩塑性破坏

由图11可以看出，当孔间距小于1.00 m时，孔间岩体的塑性破坏贯通，有利于提高钻孔整体卸压效果；而随孔间距增大，孔间岩体存在未破坏弹性区，则会降低卸压效果。由图12也可以看出，当孔间距大于1.00 m时，沿钻孔长度方向，围岩垂直应力的降低和应力峰值向深部转移都不明显，表明卸压效果不理想。但当孔间距小于1.00 m时，应力降低和转移效果非常明显。由此可见，对于阶梯型单排卸压孔，孔间距小于1.00 m较为合适。

图12 不同间距卸压孔围岩垂直应力分布

4 结论

1) 阶梯型钻孔具有良好卸压效果，可有效降低钻孔对巷帮围岩扰动。对比0.30 m常规大直径钻孔，当巷帮浅部采用0.10 m小直径阶梯型钻孔时，巷道顶板最大下沉量减少约70%，钻孔侧巷帮水平位移量减少约63%，更有利于控制巷道稳定性。

2) 对于阶梯型卸压孔，巷帮浅部小直径段的孔径不宜大于0.10 m，钻孔长度应小于巷帮围岩应力降低区的宽度；巷帮深部大直径段的孔径宜大于0.30 m，钻孔长度应大于围岩应力集中影响区宽度。

3) 对于单排布置卸压孔，以0.30 m孔径为例，当孔间距小于1.00 m时，孔间岩体塑性破坏能完全贯通，整体卸压效果明显。