煤層大直徑鉆孔防沖機理研究

田峰 武海峰

摘要：近年來，煤層大直徑鉆孔作為沖擊地壓防治技術得到了廣泛應用，但關于煤層大直徑鉆孔防沖機理的研究較少，在確定煤層鉆孔參數（鉆孔直徑、間距、深度）時還是憑借經驗。文章基于實驗室模擬、數值模擬、力學建模等手段，研究了不同鉆孔參數的相互影響特征，為確定合理的鉆孔卸壓參數提供了依據。

關鍵詞：煤礦；沖擊地壓；鉆孔卸壓；大直徑鉆孔；防沖機理 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD713 文章編號：1009-2374（2016）24-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.075

1 鉆孔改變煤體物理力學性質的實驗研究

由于目前難以采用理論分析或數值模擬研究鉆孔對煤體物理力學性質的影響，本文提出一種基于實驗方法研究鉆孔改變煤體物理力學性質的思想，即采用實驗機測試鉆孔試樣的物理力學性質。

1.1 試樣制作

煤樣的力學性質易受地質構造、加工過程的影響。為降低試樣測試數據的離散性，采用325號水泥制作2個塊體（尺寸為150mm×150mm×150mm），并對其進行養護12天。然后將塊體加工成長方體標準試樣，尺寸為50mm×50mm×100mm。

1.2 實驗步驟

（1）對各個試樣進行編號，采用游標卡尺量取每個試樣的具體尺寸，并計算出各個試樣的體積Vi；（2）采用J1Z-10電鉆配直徑為5mm的鉆桿在試樣上鉆孔，鉆孔垂直長方形表面；（3）將鉆孔試樣依次放在天平上稱出質量mi1，并計算出各個試樣的密度；（4）將鉆孔試樣依次放在RMT試驗機上進行單軸抗壓試樣，一直加載到試樣破壞，繪出應力—應變曲線。

1.3 實驗結果

圖1～圖3所示為實驗得到的試樣軸向應力—應變曲線。從圖中可以看出，利用制作的試樣得到的軸向應力—曲線與典型的煤樣應力—應變曲線相似，因此采用325號水泥模擬煤體是可行的。

圖1 完整試樣軸向應力—

應變曲線 圖2 鉆孔試樣應力—

應變曲線（4個孔）

試樣單軸抗壓強度與密度的關系如圖4所示。從圖中可以看出，當試樣密度為1.96g/cm3、1.93g/cm3、1.87g/cm3時，相應的試樣單軸抗壓強度為28.2MPa、23.9MPa、14.2MPa。可見，隨著試樣密度的降低，單軸抗壓強度逐漸減小，因此對于同種巖石材料，巖體密度越小，其抗壓強度越小。

試樣彈性模量與密度的關系如圖4所示。從圖4中可以看出，當試樣密度為1.96g/cm3、1.93g/cm3、1.87g/cm3時，相應的試樣彈性模量為4.6GPa、4.0GPa、2.2GPa。可見，隨著試樣密度的降低，彈性模量逐漸減小，因此對于同種巖石材料，巖體密度越小，其彈性模量越小。

對于完整試樣單軸抗壓試驗，當試樣達到極限強度時，試樣發生崩裂性破壞，并產生清脆的聲響；當在試樣上鉆個4孔時，試樣單軸抗壓強度降低，也產生崩裂性破壞，但破裂碎塊塊度較小，伴隨的聲響也較小；當在試樣上鉆10個孔時，試樣單軸抗壓強度降低幅度較大，不產生崩裂和明顯聲響。可見，鉆孔能夠改變試樣的破壞狀態。

根據彈塑性理論和沖擊傾向性理論，同種巖石材料的彈性模量越大，其塑性越小，發生沖擊地壓的可能性越大；相反，彈性模量越小，其塑性越大，發生沖擊地壓的可能性越小。實驗表明，鉆孔能夠改變試樣的物理力學性質和破壞狀態，降低試樣脆性，增加試樣塑性，從而降低沖擊傾向性。

4 結語

本文探討了大孔徑鉆孔卸壓防沖的機理，得到如下結論：（1）通過實驗研究發現，大直徑鉆孔能夠顯著降低試樣的強度和彈性模量，改變了其承載能力，進而起到防沖作用；（2）通過數值模擬研究得到，實施多鉆孔后，塑性區可以相互貫通，煤層大直徑鉆孔能夠釋放煤體中的部分應變能；（3）理論推導了鉆孔直徑、鉆孔間距、鉆孔深度的計算公式，并在金莊礦3205工作面沖擊地壓危險區治理中得到應用，結果表明，該方法得到的鉆孔參數能夠起到較可靠的防沖作用。

作者簡介：田峰（1968-），男，棗莊市金莊生建煤礦副礦長，工程師，研究方向：采礦工程。

（責任編輯：秦遜玉）