大直徑鉆孔卸壓技術防治巷道沖擊危險的研究應用

李國玉 李田華

(四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司龍門峽南煤礦，四川省廣安市，409800)

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大直徑鉆孔卸壓技術防治巷道沖擊危險的研究應用

李國玉 李田華

(四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司龍門峽南煤礦，四川省廣安市，409800)

為減緩巷道掘進過程中應力集中帶來的高應力沖擊危險，以龍門峽南煤礦西翼增補回風巷采用大直徑鉆孔卸壓技術為研究對象，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依次分析了不同鉆孔直徑，不同鉆孔間距、不同鉆孔深度等工況下的卸壓效果。經(jīng)對比分析最終選擇直徑110 mm、間距2 m、孔深15 m作為增補回風巷的卸壓鉆孔參數(shù)。實施該組卸壓參數(shù)后，不僅巷幫側向支承壓力峰值發(fā)生轉移與釋放，而且檢驗孔的鉆屑量均低于預警值，巷道的沖擊危險程度大幅度降低。

鉆孔卸壓 大直徑鉆孔 沖擊地壓 鉆屑量 卸壓鉆孔參數(shù)

龍門峽南礦西翼采區(qū)溫度較高并且采區(qū)內回風困難，嚴重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)，因此決定在西翼采區(qū)增加一條回風巷，以便優(yōu)化該區(qū)的回風系統(tǒng)增加回風量。

新增回風巷在寬的孤島煤柱中掘進施工，由于孤島煤柱本身受到較高的應力作用，再加上該回風巷在掘進過程中揭露3條斷層，二者耦合作用影響使得該巷道的沖擊危險程度進一步增大。如何在應力積聚區(qū)及地質構造區(qū)掘進巷道預防沖擊災害的發(fā)生成了現(xiàn)場工作的重點。本文借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析確定出合理的鉆孔卸壓參數(shù)，并將該參數(shù)在施工巷道中現(xiàn)場應用。檢驗結果表明大直徑鉆孔卸壓對工作面沖擊危險有減緩作用，保證了整條巷道的安全掘進。

1 工程背景

新增回風巷位于-700 m水平，掘進開工時間為2016年3月，竣工完成時間為2016年6月，巷道設計長度740 m，巷道斷面尺寸4 m×2.6 m(寬×高)。該巷道位于已經(jīng)回采的兩個工作面之間，處于孤島煤柱中掘進，因此該巷道屬于大煤柱內沿空掘巷，并在掘進過程中受到斷層構造與煤柱高應力耦合作用帶來的沖擊危險。

該區(qū)域煤層厚度變化較小，煤層平均厚2.6 m，直接頂為粉細砂巖，以石英為主，厚8.1 m，長石次之，分選較好，含大量菱鐵質鮞粒條帶與少量煤屑；老頂為泥巖，致密均一，含層理與煤線，厚3.6 m；直接底為粉砂巖，黑色，富含陽齒類植物葉片化石，充填FeS2薄膜，厚3.6 m；老底細砂巖，石英為主，長石次之，厚2.6 m。

通過對該回風巷掘進期間的沖擊危險等級進行鑒定，考慮影響沖擊危險等級的兩大因素，地質因素危險指數(shù)為0.53(主要是煤的沖擊能指數(shù)、彈性能指數(shù)和上覆厚層堅硬頂板距煤層的距離綜合計算)，開采因素危險指數(shù)為0.4(主要包括構造應力、煤層傾角等因素，由綜合指數(shù)分析法計算)，最終得到該巷道的沖擊危險指數(shù)為0.53，屬于中等沖擊危險。

2 卸壓原理分析

鉆孔卸壓是通過在巷道兩幫開挖大直徑鉆孔的方法，在煤體內部形成一個比鉆孔直徑大許多的弱化帶，從而將煤體內部高應力區(qū)釋放而提供膨脹變形的補償空間。使應力峰值向煤體深部轉移，進而使高應力區(qū)轉變?yōu)榈蛻^(qū)。當向應力集中區(qū)實施大直徑鉆孔時，鉆孔圍巖會發(fā)生破裂產(chǎn)生裂隙，最終導致煤體破碎，從而起到卸壓作用。

實施鉆孔卸壓后，鉆孔周圍煤體由內到外依次形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，破裂區(qū)對卸壓起主要作用。煤巖體的應力-應變滿足摩爾-庫侖準則，鉆孔在煤體上產(chǎn)生的應力為：

(1)

式中：P——鉆孔在煤體上產(chǎn)生的應力，MPa；

σr——采用極坐標的徑向應力值，MPa；

σθ——采用極坐標的切向應力值，MPa；

M——煤體材料參數(shù)；

N——煤體強度值，MPa。

破裂區(qū)產(chǎn)生的應力方程：

(2)

式中：M0——破裂區(qū)材料參數(shù)；

N0——破裂區(qū)煤體強度值，MPa；

c0——破裂區(qū)粘聚力，MPa；

φ0——破裂區(qū)內摩擦角，(°) 。

塑性區(qū)產(chǎn)生的應力方程：

(3)

式中：Mp——塑性區(qū)材料參數(shù)；

Np——塑性區(qū)煤體強度值，MPa；

cp——塑性區(qū)粘聚力，MPa；

φp——塑性區(qū)內摩擦角，(° )。

由于鉆孔周圍煤體產(chǎn)生了較密的裂隙，這部分煤體變形模量比原始煤體有所降低，兩者的比值可簡化為卸壓系數(shù)。它是鉆孔卸壓效果的標志，鉆孔周圍煤體產(chǎn)生裂隙及破碎是產(chǎn)生卸壓效果的主要原因。根據(jù)C.O.巴布柯克經(jīng)驗公式，卸壓系數(shù)K表示為：

(4)

式中：W——相鄰鉆孔邊界距離，m；

R——鉆孔孔徑，m。

由式(4)得知，鉆孔周圍煤體卸壓效果取決于鉆孔間距，間距越小，卸壓系數(shù)越大，相應的卸壓效果越好。

鉆孔周圍煤體受力后，由內到外形成3個區(qū)域，卸壓孔受力示意圖見圖1。

圖1 鉆孔應力分布

鉆孔周圍破碎區(qū)半徑R1的計算式可表示為：

(5)

式中：S——鉆孔實際鉆屑量與正常鉆屑量之比；

K——孔壁卸壓系數(shù)；

R1——破裂區(qū)半徑，m；

R3——彈性區(qū)半徑，m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對該回風巷進行研究，模型尺寸為66 m×30 m×50.4 m，巷道斷面尺寸為4 m×2.6 m，采用摩爾-庫侖本構模型進行數(shù)值計算。其中x方向為巷道走向方向，y方向為巷道傾斜方向，為了消除邊界效應的影響，鉆孔布置區(qū)左右邊界各留15 m的距離。模型四周水平位移約束，底部邊界垂直約束，上部為自由邊界，模型頂部施加豎直方向的等效荷載(q=γ·h)模擬上覆巖層的自重，其中γ=24 kN/m3，h=700 m，得到模型上部表面施加等效荷載為16.8 MPa。

模型中煤巖層的物理力學參數(shù)根據(jù)西翼增補回風巷的煤巖層實際力學特性和物理參數(shù)確定，如表1所示。

表1 煤巖體物理力學參數(shù)

3.2 模擬結果分析

3.2.1 巷幫側向支承壓力演化規(guī)律

基于FLAC3D內嵌的數(shù)據(jù)輸出功能，導出卸壓前和卸壓后的巷幫側向支承壓力值，運用繪圖軟件得到卸壓前和卸壓后的巷幫側向支承壓力分布曲線如圖2所示。

圖2 巷幫側向支承壓力分布曲線

圖2顯示，采用大直徑鉆孔卸壓后，巷幫側向支承壓力峰值位置向巷幫深處方向移動了3 m，并且側向支承壓力峰值降低了7%，有效地降低了前方煤體的應力集中程度，卸壓效果較明顯，說明采用大直徑鉆孔卸壓后，鉆孔前方的高應力區(qū)得到釋放與轉移，卸壓鉆孔起到了轉移和釋放高應力的作用，起到減緩沖擊影響范圍。

3.2.2 鉆孔間距對卸壓效果的影響

結合該礦實際地質條件，討論鉆孔間距對卸壓效果的影響，以鉆孔長度15 m，鉆孔直徑110 mm為定值，對不同鉆孔間距進行了模擬，從而確定出合理的鉆孔間距。通過對比分析卸壓前與卸壓后的鉆孔間距依次為1 m 、2 m和5 m時沿鉆孔軸向方向的破壞演化規(guī)律，從中得出最優(yōu)的鉆孔間距。不同鉆孔間距軸向塑性破壞如圖3所示。

圖3 不同鉆孔間距軸向塑性破壞分布

圖3顯示，未打卸壓孔時，巷幫前方未出現(xiàn)煤體破壞，說明未實施鉆孔卸壓時巷幫煤體仍處于應力集中狀態(tài)；當鉆孔間距為5 m時僅在鉆孔周圍形成塑性破壞區(qū)，雖然每個鉆孔周圍也能形成一定的應力降低區(qū)，但由于鉆孔間距過大，鉆孔之間的塑性破壞不能相互貫通在一起，此時卸壓效果較差。當鉆孔間距為2 m時可以看到不僅在單個孔周圍形成塑性破壞區(qū)，而且在各個孔周圍形成連續(xù)的塑性破壞區(qū)，鉆孔周圍煤體形成了較大范圍的破壞，說明此時卸壓效果較好，巷幫側向應力得到了釋放。當鉆孔間距為1 m時，鉆孔之間的塑性破壞相互貫通在一起，此時的卸壓效果最優(yōu)，但考慮到現(xiàn)場施工進度與打鉆成本，建議鉆孔間距為2 m。

3.2.3 鉆孔直徑對卸壓效果的影響

基于鉆孔間距2 m，鉆孔長度15 m為定值，通過對不同鉆孔直徑進行詳細的模擬分析， 模擬結果顯示，當鉆孔直徑為70 mm時，雖然看到沿鉆孔軸向方向產(chǎn)生塑性破壞，但前方塑性破壞區(qū)不能相互貫通，此時的卸壓效果不明顯。隨著鉆孔直徑的增加，鉆孔沿軸向塑性破壞范圍逐漸增大，當鉆孔直徑為110 mm時，可以看到鉆孔沿軸向方向產(chǎn)生了較大范圍的塑性破壞，卸壓效果較明顯。當鉆孔直徑為150 mm時，鉆孔沿軸向方向產(chǎn)生的卸壓效果優(yōu)于直徑110 mm，但考慮到現(xiàn)場施工成本與工程進度的因素，建議該巷道采用鉆孔卸壓直徑為110 mm。

3.2.4 鉆孔長度對卸壓效果的影響

基于以上分析得出鉆孔間距2 m，鉆孔直徑110 mm為定值，通過對不同鉆孔長度進行詳細的模擬分析，從而確定出合理的鉆孔長度。利用FLAC3D自帶的后處理程序導入Tecplot中，得到不同鉆孔長度在軸向方向的應力分布曲線，鑒于篇幅有限，僅例舉了5 m、15 m、20 m的情況，不同鉆孔長度軸向方向應力分布曲線如圖4所示。

圖4顯示，當鉆孔長度為5 m時，在鉆孔軸向方向上高應力集中區(qū)只產(chǎn)生輕微的移動，沿著鉆孔軸向方向應力向深部轉移的范圍較小，可以推斷此時的卸壓效果不明顯，隨著鉆孔長度逐漸增加，鉆孔沿軸向方向的應力集中區(qū)向深部轉移的范圍逐漸擴大。可以明顯地看出當鉆孔長度為20 m時，沿著鉆孔軸向方向應力轉移的距離最大，但考慮到鉆孔長度過大時，會導致施工進度變慢，并且施工成本會增加，考慮綜合因素建議卸壓鉆孔長度為15 m。

圖4 不同鉆孔長度軸向方向應力分布

4 現(xiàn)場應用效果分析

4.1 卸壓參數(shù)的確定

該增補回風巷施工期間，大約距斷層40 m范圍內被圈定為沖擊危險區(qū)域，因此在危險區(qū)域每隔5 m布置一個卸壓孔，鉆孔直徑110 mm，鉆孔間距2 m，鉆孔長度15 m；鉆孔斜向上10°；鉆孔距離底板1.5 m。

檢驗孔布置在兩個卸壓孔中間位置，方向平行于卸壓孔，距底板1.5 m，直徑42 mm，深度10 m。卸壓孔與檢驗孔的平面布置示意圖如圖5所示。

大直徑鉆孔卸壓后并通過鉆屑法進行效果檢驗，觀察鉆孔內的煤屑量是否低于預警值，從而確定出該巷道在掘進過程中的鉆孔卸壓參數(shù)。

為了檢驗卸壓效果，利用鉆屑法對該巷道卸壓前后的煤粉量進行對比分析，以此來考察大直徑鉆孔的卸壓效果。卸壓鉆孔的實施通常采用氣動架柱式鉆機，打卸壓孔之前，應首先監(jiān)測煤體附近的應力大小，以查清支承壓力帶的范圍、狀態(tài)和危險程度，并且在實施過程中只允許從低應力區(qū)向高應力區(qū)鉆進。

圖5 大直徑鉆孔及檢驗孔布置圖

4.2 卸壓效果分析

經(jīng)過大直徑鉆孔卸壓后用鉆屑法進行效果檢驗，通過對距離斷層40 m范圍內的檢驗孔進行編號，共獲取2組、16個檢驗孔，每組鉆孔編號為1#～8#，施工過程中16個檢驗孔均成功鉆進了10 m，鉆孔數(shù)據(jù)全面。限于篇幅僅列舉了巷幫一側的煤粉量統(tǒng)計結果如圖6所示。

圖6 鉆孔鉆粉量統(tǒng)計

煤粉量監(jiān)測結果表明，巷幫側煤粉量降低幅度較大，1#～8#檢驗孔在2～10 m范圍內檢驗過程中均未出現(xiàn)明顯的動力擾動現(xiàn)象，鉆孔煤粉量大部分集中在1.2～2.4 kg/m之間，即卸壓后檢驗孔的煤粉量均屬于正常煤粉量，通過平均后得到每米煤粉量均低于預警值。

實施大直徑鉆孔卸壓后，通過鉆屑檢驗法進行驗證，巷道兩幫鉆孔中最大煤屑量分別降低了73.5% 和74.5%。卸壓效果良好，在整個巷道掘進過程中未發(fā)生沖擊危險，說明了該卸壓參數(shù)的選擇是合理的，從而為高應力構造型防沖提供了可行的措施。

5 結論

(1)基于FLAC3D數(shù)值模擬研究了增補回風巷應力集中區(qū)大直徑鉆孔卸壓效果，最終建議鉆孔間距2 m，鉆孔直徑110 mm，鉆孔長度15 m為該回風巷鉆孔卸壓的合理參數(shù)。

(2)結合該回風巷的現(xiàn)場應用，并通過鉆屑法對卸壓效果進行檢驗。驗證了大直徑鉆孔卸壓對工作面沖擊危險的減緩作用，保證了整條巷道的安全掘進。大直徑鉆孔卸壓技術降低了增補回風巷在過斷層及高應力作用下的沖擊危險，說明通過數(shù)值模擬方法對現(xiàn)場卸壓參數(shù)的選取具有一定的參考價值。

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(責任編輯 張毅玲)

Research and application on with large-diameter drillhole pressurerelief technology for preventing roadway rock burst

Li Guoyu, Li Tianhua

(Longmen Gorge South Coal Mine, Sichuan Province Huayingshan Coal Co., Ltd., Guang'an,Sichuan 409800, China)

In order to mitigate danger of high-stress induced shock burst in process of tunnel excavation, taking west-wing supplement return airway of Longmen Gorge South Coal Mine with application of large-diameter drillhole pressure relief technology as object of study, FLAC 3D numerical simulation software was applied to analyze the pressure relief effects with different drillhole diameters, separation distances and depths. Through the comparative analysis, the drillhole pressure relief parameters of the roadway were confirmed as 110 mm diameter, 2 m separation distance, 15 m depth. After implementing the pressure relief parameters, lateral abutment pressure peak of roadway shifted and released, and the drilling cutting quantity of inspection holes were lower than the pre-warning value, thus danger of roadway rock burst dramatically decreased.

pressure-relieving, large diameter borehole, rock burst, drilling cutting quantity, drillhole pressure relief parameters

TD353

A

李國玉(1979-)，男，山西人，高級工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術管理工作。