深部煤巷分段擴孔防沖卸壓效果研究

高久國 楊 洋 吳延良

（山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272055）

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤（巖）體由于彈性變形能的瞬時釋放而產生的突然、劇烈破壞的動力現象，常伴有煤（巖）體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等[1-2]。近年來，由于煤層開采的深度不斷增加，煤礦的生產條件越來越復雜，形成的集中應力區導致沖擊地壓頻繁顯現，容易發生片幫、冒頂、壓架等危險，對煤礦的高效穩定生產形成極大的隱患[3]。

目前，常用的高應力煤體卸壓解危技術手段包括爆破卸壓、煤層注水和大直徑鉆孔，其中大直徑鉆孔卸壓解危技術由于具有施工方便的優點，已得到了普遍的應用[4-6]。因此，在保證順槽支護強度的基礎上，使煤體內部應力向順槽兩側轉移，確保“卸-支”平衡，在保證卸壓效果的基礎上，避免深井地壓條件下巷道的大變形，研發了分段擴孔卸壓技術，即巷幫淺部區域鉆孔直徑小于巷幫深部區域，實現“卸-支”平衡，防治卸壓不足或過度。

1 分段擴孔卸壓模擬研究

1.1 模型建立

選取唐口煤礦6304 工作面3 煤層軌道順槽為原型，巷道全長1800 m，埋深約1000 m。軌道順槽設計為凈寬5200 mm、凈高4000 mm 的矩形斷面，沿底板掘進煤巷，兩翼均為未采區。地應力測試結果顯示，礦井-800 m 以下區域以自重應力為主，垂直方向主應力與上覆巖層自重應力基本一致。

6304 工作面3 煤層煤厚10 m，直接頂為4 m泥巖，直接底為3 m 粉砂巖。其頂底板巖性見表1。

表1 6304 工作面煤層頂底板巖性特征表

建立-1000 m 處3 煤軌道順槽數值計算模型，尺寸X×Y×Z=40 m×2 m×32 m，模型水平、底邊界限制位移，上邊界施加25 MPa 載荷，前后限制位移。巷道尺寸與現場一致，通過室內試驗獲得3 煤頂底板及煤層物理力學參數對模型進行賦參。計算模型如圖1。

圖1 6304 工作面軌道順槽分段鉆孔模型

本構模型選取摩爾-庫倫模型進行計算，巖層及煤體物理參數經室內試驗取值見表2。

表2 巖（煤）層物理參數

1.2 不同鉆孔直徑卸壓效果

為對比不同鉆孔直徑下巷道卸壓效果，分別取鉆孔直徑為90 mm 及230 mm 進行模擬，對比巷道兩幫煤體垂直應力降低情況，如圖2，曲線表明：

圖2 不同鉆孔直徑下應力分布對比

（1）對比90 mm、230 mm 直徑鉆孔卸壓后全區段煤壁垂直應力，90 mm 直徑鉆孔與未鉆孔相比平均卸壓0.5 MPa，230 mm 直徑鉆孔與未鉆孔相比平均卸壓2 MPa。

（2）對比鉆孔前后煤壁峰值應力可以發現，90 mm 鉆孔卸壓峰值卸壓1 MPa，230 mm 鉆孔峰值卸壓6.5 MPa。可見，卸壓鉆孔孔徑越大，卸壓效果越好。但是，實際工程發現，卸壓鉆孔孔徑過大，會造成巷道煤壁破碎嚴重，對巷道支護造成困難。

擴孔卸壓技術不僅能夠有效降低煤體應力，而且鉆孔后煤壁未發現大面積破碎，對巷道支護起到了一定的積極作用。為了提高擴孔卸壓效果，模擬擴孔比例、非擴孔直徑、擴孔直徑對卸壓效果的影響。

1.3 不同分段長度下卸壓效果

通過觀察擴孔比例對卸壓效果的影響，設計鉆孔總長20 m，非擴孔段直徑90 mm，擴孔段直徑230 mm。分別模擬長度比例為3:17、5:15、8:12、10:10 時卸壓情況，結果如圖3 所示，曲線表明：對比不同長度比例下煤壁垂直應力，非擴孔段內煤體垂直應力沒有發生較大變化，非擴孔段90 mm 鉆孔對煤壁未造成擾動。無論鉆孔長度比例如何，擴孔段煤體垂直應力均卸壓2 MPa。

圖3 不同分段長度下應力分布對比

鉆孔擴孔后，煤壁垂直應力發生突降，其突降點對應鉆孔擴孔點。由此可見，擴孔卸壓長度比例的選取應在現場測試煤壁應力峰值位置的基礎上，使擴孔點位于應力峰值前，以達到良好卸壓效果的同時維護煤壁的完整性。

1.4 不同淺部孔徑下卸壓效果

通過觀察非擴孔段直徑對卸壓效果的影響，設計鉆孔非擴孔段長度5 m，擴孔段長度15 m，擴孔段直徑230 mm。分別模擬非擴孔段直徑60 mm、90 mm、120 mm 時卸壓情況，結果如圖4 所示，曲線表明：對比不同非擴孔段直徑下卸壓效果，非擴孔段垂直應力變化較小，擴孔段卸壓效果均可達2 MPa。原因為非擴孔段直徑與擴孔段相比仍然較小，能夠更好地維護煤壁完整。

圖4 不同淺部孔徑下應力分布對比

對比不同非擴孔段直徑煤壁峰值應力可以發現，直徑越大，垂直應力越小，相應的非擴孔段對煤壁的擾動越大，越不利于煤壁的完整。由此可見，為更好地維護煤壁完整，減少鉆孔卸壓對巷幫的擾動，非擴孔段直徑應盡量選取小直徑。

1.5 不同深部孔徑下卸壓效果

通過觀察擴孔段直徑對卸壓效果的影響，設計鉆孔非擴孔段長度5 m，非擴孔段直徑90 mm，擴孔段長度15 m。分別模擬擴孔段直徑170 mm、200 mm、230 mm、260 mm時卸壓情況，結果如圖5所示，曲線表明：對比不同擴孔段直徑卸壓效果，非擴孔段垂直應力沒有變化。擴孔段煤壁垂直應力隨著孔徑的增加而降低，擴孔段大直徑鉆孔能夠取得較好的卸壓效果，其卸壓效果隨著孔徑的增大而增強。

圖5 不同深部孔徑下應力分布對比

2 卸壓解危效果檢驗

2.1 解危地點概況

因6304 工作面軌道順槽日前已完成卸壓工作，5306軌道順槽外段掘進過程中受5305采空區影響，在沿空順槽側形成應力集中區，沖擊危險程度較高，故選取5306 工作面軌道順槽外段為卸壓效果檢驗地點。5306 工作面東北側6.5 m 處為5305 采空區，東面為南部大巷保護煤柱，西部為未開拓的實炭區，南側為5307 掘進工作面。5306 軌道順槽外段設計長度703 m，巷道沿煤層頂板掘進，設計斷面為矩形，凈寬5000 mm，凈高4000 mm，凈斷面面積為20 m2。巷道采用錨網索支護，沿煤層底板掘進。5306 軌道順槽外段埋深在921～976 m 之間，巷道頂板1.84 m 以上為3.03 m 厚的粉砂巖頂板，單軸抗壓強度40 MPa，預計揭露三條斷層。

2.2 鉆孔卸壓參數

（1）鉆孔布置

前期成本控制涉及公司各個工作和管理環節，是各部門共同責任，前期成本控制不僅是項目管理者的職責，也是全體員工的共同職責，倡導全員節約資金，提高效益的主動精神，鼓勵提出合理化成本控制建議，對降低成本控制方面有突出表現的管理部門和人員進行獎勵，推廣節約、增效的先進管理經驗。其次結合前期預算，將項目成本控制目標層層落實下來，倡導全員成本控制文化。

鉆孔布置在巷道生產幫，按1.5～1.8 m水平布置。

（2）鉆孔參數

在中等和強沖擊危險區域按間距2.4 m 施工大直徑卸壓鉆孔，在弱沖擊危險區域按間距3.2 m 施工大直徑卸壓鉆孔，使用掏穴鉆頭，1～5 m 鉆孔直徑為90 mm，6～20 m 鉆孔直徑為90～230 mm，深度為20 m。

（3）鉆孔封孔

鉆孔施工完畢后，下一班次負責封孔，使用水泥與煤粉按一定配比形成的混凝土進行封孔，封孔深度比錨桿長度長300 mm。

2.3 卸壓效果對比分析

分段擴孔卸壓與常規大直徑鉆孔卸壓的技術對比見表3。

表3 鉆孔卸壓技術對比

（1）施工效率

（2）卸壓效果

通過煤體電磁CT 探測及數值模擬，結合現場應力、鉆屑監測數據，卸壓效果擴孔后更優。理論排粉量是2 倍，實際孔徑增大后鉆孔效應更明顯，煤體塌孔排粉量遠大于理論值。

（3）支護效果

原方式需封孔，封孔質量對巷道影響大，現方式無需加固封孔，僅用炮泥封孔口即可，避免孔內煤體自燃。

3 結語

（1）分段擴孔卸壓孔徑越大，卸壓效果越好；擴孔卸壓長度比例的選取應在現場測試煤壁應力峰值位置的基礎上，使擴孔點位于應力峰值前，以達到良好卸壓效果的同時維護煤壁的完整性。

（2）于唐口煤礦5306 工作面進行分段擴孔卸壓技術工程檢驗，通過煤體電磁CT 探測及數值模擬，結合現場應力、鉆屑監測數據，得出實際孔徑增大后鉆孔效應更明顯，煤體塌孔排粉量遠大于理論值，分段卸壓擴孔后卸壓效果更優。