深部圍巖位移破壞及穿層鉆孔封孔優化

王中華

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037）

深部圍巖位移破壞及穿層鉆孔封孔優化

王中華1，2

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037）

基于深部和淺部巷道圍巖地應力差異，理論分析了淺部巷道圍巖特征為單應力峰值、單一破裂區，深部巷道圍巖特征為多應力峰值、分區破裂。現場觀測了深部巷道圍巖位移呈現波峰、波谷交替出現的規律，波峰部位為破壞區，波谷部位為非破壞區；破壞呈現破裂區和完整區間隔的分區破裂現象，破裂區一般為4～5個，破裂區范圍明顯大于淺部巷道圍巖破裂部位。優化了穿層鉆孔封孔深度為8～10 m，通過單孔抽采量考察，結果表明穿層鉆孔單孔抽采純量高達28 m3/d，平均抽采濃度達20%以上，抽采量提高近10倍，抽采濃度提高4倍以上，抽采效果顯著提高。

深部圍巖 多應力峰值 分區破裂 位移破壞 封孔深度 抽采效果

隨著煤礦開采深度的增加，巷道圍巖應力逐漸增大，深部煤巖體處于三高一擾動，即高地應力、高地溫、高瓦斯壓力和強烈開采擾動的賦存環境，使得圍巖應力場更加復雜、圍巖出現大變形和強流變特性、動力響應具有突變性、深部煤巖體的脆性—延性轉化，甚至巷道圍巖出現分區破裂現象。分區破裂現象首先是俄羅斯學者M.V.Kurlenya等在深部開采現場發現的。分區破裂自從被發現以來受到廣大學者的關注。劉高等得到在我國金川鎳礦區二礦區1200 m中段一試驗巷道中垂直于巷道側墻的鉆孔沿徑向方向的圍巖應力實測結果；顧金才首次以模型試驗證實了分區破裂的存在，指出軸向高地應力是產生分區破裂的重要原因；周小平和錢七虎把深部巷道的開挖看作動力問題，運用彈性力學和斷裂力學，確定了破裂區和非破裂區的寬度和數量；王明洋等研究了深部巷道圍巖地質力學能的量子化效應；賀永年認為分區破裂是深部高應力隧洞圍巖的一種廣泛的規律性行為；張強勇等發現高地應力下洞周圍巖應變和位移的非單調性變化規律；戚承志等利用連續相變理論研究了分區破裂現象并提出運用梯度塑性理論來解釋；陳坤福以彈塑性力學和能量角度研究了分區破裂現象成因，認為主應力軸旋轉是導致該現象的重要因素。目前底板巖巷穿層鉆孔作為突出礦井區域防突的重要措施，其中封孔效果直接影響抽采防突效果。因此研究深部底板巖巷圍巖位移破壞特征，進而優化穿層鉆孔封孔方式對防突具有重要意義。

1　底板巖巷應力破壞理論分析

1.1淺部巷道圍巖應力破壞特征

礦井淺部開采地應力水平相對較低，巷道圍巖一般依次分為破碎應力降低區、塑性集中應力增高區及原巖應力彈性區。

基于圍巖松動圈理論，巷道圍巖在開挖過程中的動靜力作用，依次形成破碎區、塑性軟化區、塑性強化區及彈性區，如圖1所示。

圖1　圍巖松動圈示意圖

巷道圍巖松動區（r2）包含破碎區（r1）和塑性軟化區兩個部分，前者取決于開挖卸載所產生的動力作用，而后者取決于圍巖系統的靜力作用。在彈性應力作用下，當巷道周邊圍巖的拉應變達到極限拉應變時發生拉裂破壞，圍巖由彈性狀態轉化為脆性拉裂狀態，由此可確定破碎區半徑r1。根據破碎區圍巖應力及殘余強度理論，圍巖松動區半徑（r2）的計算公式為:

式中:r2——圍巖松動區半徑，m；

?——圍巖的摩擦角，（°）；

c——圍巖的黏聚力，MPa；

p0——靜水壓力，N；

p1——破碎區對塑性軟化區的支撐反力，N；

r1——圍巖破碎區半徑，m。

1.2深部巷道圍巖分區破裂機制

深部開采地應力水平高，巷道開挖瞬間圍巖暫時處于彈性狀態，其周邊附近巖體出現應力集中，發生脆性的張裂破壞，形成周邊卸壓區，如圖2（a）。

圖2　深部巷道圍巖分區破裂演化過程

由于深部水平地應力高和煤巖流變性，應力集中峰值區的應力超過巖體強度而破壞，彈性能進一步釋放使塑性區和彈性區交界線（此處圍巖環向、徑向壓力最大，徑向應變最大，稱支撐壓力線）逐漸后移，塑性區逐漸向深部發展，如圖2（b）所示，形成一條環帶狀連續縫。這條環狀連續縫外側圍巖又會因為應力集中出現彈性轉化脆性的張裂破壞，如圖2（c）所示，這樣重復出現彈性轉化脆性的張裂破壞和由塑性轉化為脆性的拉裂環狀連續縫使得圍巖內產生交替的破壞及未破壞區域，即分區破裂化現象。這種現象一直進行到圍巖介質內由荷載作用產生的最大徑向拉應變值小于圍巖的極限拉應變時為止，如圖2（d）所示。因此，深部高應力環境下煤巖體處于峰后特性狀態，巷道圍巖可能存在復雜應力區，一定條件下巷道圍巖狀態有時發生膨脹帶和壓縮帶交替出現的情形，且其幾何尺寸（寬度）按一定比例遞增，出現區域破裂現象；巷道圍巖應力峰值減弱，卸壓區寬度顯著增大。

淺部巷道在圖2（b）階段由于支撐壓力線處徑向拉應變無法達到最大徑向拉應變，塑性強化區完全可以支撐圍巖壓力，即只有一個破裂區和一個完整區，不會產生分區破裂化現象，僅為深部巷道分區破裂的第一個破裂區。因此，淺部巷道圍巖卸壓半徑遠小于深部巷道。

深部巷道一般有若干個破裂區，巷道壁至最外側破裂區外邊界即為巷道的卸壓半徑。假設最外側破裂區為i，第i個破裂區內邊界的表達式為:

第i個破裂區外邊界（巷道卸壓半徑）的表達式為:

ν——材料泊松比；

p0——原巖應力，N。

綜上所述，礦區淺部與深部開采由于地應力大小相差較大，巷道圍巖附近卸壓帶寬度存在差異。深部開采地應力水平高，巷道圍巖附近可能形成分區破裂現象，卸壓帶寬度明顯增大。

2　底板巖巷圍巖位移破壞考察

2.1試驗區概況

尚莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，試驗地點505底板運輸巖巷位于四水平（-650 m），屬于東三下山采區，埋深726～876 m，巷道斷面4.2 m×3 m（寬×高），巷道與煤層法向距離為19 m。頂板巖性由下向上依次為:淺灰色細砂巖與深灰色細粉砂巖互層，厚約8.8 m；淺灰色中粒砂巖，厚約1.2 m；淺灰色～深灰色薄層狀泥質細粉砂巖，偶見菱鐵礦結核，厚5.0～6.0 m。B4煤層發育比較穩定，煤層厚2.8～3.8 m，中間有0.4～0.6 m的夾矸，煤層傾角10°～13°，走向N70°～85°E，傾向SW。瓦斯絕對涌出量為6.01 m3/min，相對涌出量為14.46 m3/t，瓦斯壓力2.0 MPa，瓦斯含量為8.28～22.45 m3/t，煤層透氣性系數為2.59 ×10-2～9.61×10-2m2/MPa2·d，屬難抽采煤層，煤塵具有爆炸性和自燃性，爆炸指數17.65%，自然發火期為4～6個月。地質構造較復雜，掘進過程中揭露斷層6條，其中，落差大于2 m的有1條，落差0.5～2 m的有5條。

2.2圍巖位移特征

為了分析巷道圍巖內部位移情況，采用DW-6型多點位移計來測量巷道圍巖不同深度的相對位移。共考察2個斷面，考察位置分別位于距掘進工作面240 m和100 m處，每個斷面布置5個鉆孔，分別考察巷道中心線下幫15 m、下幫7.5 m、正上方、上幫7.5 m、上幫15 m處的圍巖位移量，每個鉆孔共6個觀測點，每個觀測點位于鉆孔內部的不同深度，考察結果如圖3所示。

圖3　尚莊煤礦505底板運輸巖巷圍巖位移

由圖3可知，同一鉆孔不同基點，由外向內呈現為波峰和波谷變化的特點，這種變化規律不同于淺埋硐室圍巖位移與隨離硐壁距離的增大而逐漸減小的單調變化規律，初步判斷巷道開挖后圍巖內部存在分區破裂現象，位移量較大的波峰部位為圍巖破壞區，位移量較小的波谷部位為圍巖非破壞區。

2.3圍巖破壞特征

為了能直觀地反映底板巖巷的破壞情況，以便觀測圍巖內部裂隙發育，以及為分析圍巖內部瓦斯運移規律及抽采防突提供現實依據，決定采用YTJ20型巖層探測記錄儀探測圍巖內部結構，其組成包括彩色攝像探頭、視頻傳輸線、導桿和主機等，應用窺視儀探測圍巖內部破壞時，須在巷道表面鉆孔，利用導桿人工沿鉆孔軸心推進攝像探頭。通過彩色攝像探頭實測鉆孔內巖層圖像，由視頻傳輸線將視頻信號傳輸到主機液晶顯示屏上，由導桿或鋼卷尺記錄鉆孔深度，顯示屏記錄鉆孔內壁構造。根據得到的數據和圖像，用AUTOCAD軟件將每個鉆孔內圍巖破裂的位置及程度由外向內依次描繪在圖上，并且將間隔不大于0.2 m的破裂劃分為一個帶；每個破裂帶用多義線連接起來，并用十字網格充填，由外向內依次為破裂帶編號，得到圍巖分區破裂情況。試驗巷道上方圍巖上下幫15 m范圍內不同位置的圍巖破壞情況如圖4所示。

圖4　底板巷監測斷面圍巖分區破裂

由圖4可知，每個巷道斷面圍巖破裂區一般有4～5個，有的破裂區較小，沒有貫穿，僅為零散分布，破裂區破裂大小程度依次為正上方、兩側7.5 m、兩側7.5～15 m。巷道表面范圍內圍巖的破壞最為嚴重，以嚴重破碎和破碎為主，這個區域可認為是傳統意義上的巷道圍巖松動圈。表面破壞區外是完整區，再往外進入第二破裂圈，這一破裂分區圍巖的破壞也比較大，以破碎和裂隙為主。然后又是完整區，接著又是第三破裂區，這一破裂分區圍巖的破壞比較小，以裂縫為主。間隔完整區，進入第四破裂區。間隔完整區，進入第五破裂區，這一破裂區較小且不連續。破壞深度最大達8.47 m。

3　穿層鉆孔封孔優化

3.1封孔優化

目前，底板巖巷抽采鉆孔封孔長度按照抽采設計規范要求不少于5 m，但實際實施過程中容易漏氣，抽放效果差。根據上述對尚莊煤礦圍巖位移、破壞特征的觀測，圍巖位移破壞范圍最大達8.47 m（即卸壓范圍），為確保抽采效果，抽采鉆孔封孔長度應大于卸壓范圍；因此封孔長度由不少于5 m優化為8～10 m，封孔工藝如圖5所示。

圖5　穿層抽采鉆孔封孔優化示意圖

3.2封孔效果考察

采用優化的封孔方式后，對上述觀測鉆孔單孔的瓦斯抽采量進行觀測，如圖6所示。

圖6　穿層鉆孔抽采瓦斯純量變化曲線

煤層在封孔深度優化前，鉆孔單孔抽采量僅為3～5 m3/d，抽采不穩定，抽采濃度僅有5%左右。由圖6可知，采用優化的封孔方式后，底板穿層鉆孔的單孔抽采量均較大，最大達28 m3/d，且抽采比較均勻，平均抽采濃度達20%以上，根據擬合曲線可知，抽采量符合瓦斯衰減規律，抽采效果顯著。

4　結論

（1）礦井淺部與深部地應力大小相差較大，分別呈現單應力峰值、多應力峰值特征；淺部圍巖只有一個破裂區，深部巷道圍巖可能形成分區破裂現象，淺部圍巖破裂區寬度遠小于深部。

（2）深部巷道圍巖位移不同于淺埋硐室圍巖位移與隨離硐壁距離的增大而逐漸減小的單調變化規律，呈現波峰、波谷交替出現的特征，位移量較大的波峰部位為圍巖破壞區，位移量較小的波谷部位為圍巖非破壞區。

（3）通過觀測深部圍巖出現分區破裂現象，破裂區和完整區間隔出現，破裂區一般為4～5個，破裂區明顯大于淺部巷道。

（4）基于深部圍巖位移、破壞特征，優化穿層鉆孔封孔深度為8～10 m，通過考察，穿層鉆孔單孔抽采純量高達28 m3/d，平均抽采濃度達20%以上，抽采效果顯著提高。

［1］ Kurlenya M V，Oparin V N.Problems of nonlinear geomechanics，part I［J］.Journal of Mining Science，1999（3）

［2］ 何俊，董開元.大斷面煤層巷道瓦斯抽采鉆孔合理封孔深度研究［J］.中國煤炭，2014（2）

［3］ 劉高，王小春，聶德新.金川礦區地下巷道圍巖應力場特征及演化機制 ［J］.地質災害與環境保護，2002（4）

［4］ 顧金才，顧雷雨等.深部開挖洞室圍巖分層斷裂破壞機制模型試驗與分析 ［J］.巖石力學與工程學報，2008（3）

［5］ 周小平，錢七虎.深埋巷道分區破裂化機制 ［J］.巖石力學與工程學報，2007（5）

［6］ 王明洋，宋華，鄭大亮.深部巷道圍巖的分區破裂機制及 “深部”界定探討 ［J］.巖石力學與工程學報，2006（9）

［7］ 王明洋，周澤平，錢七虎.深部巖體的構造和變形與破壞問題［J］.巖石力學與工程學報，2006（3）

［8］ 賀永年，張后全.深部圍巖分區破裂化理論和實踐的討論［J］.巖石力學與工程學報，2008（11）

［9］ 張強勇，陳旭光等.深部巷道圍巖分區破裂三維地質力學模型試驗研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2009（9）

［10］ 戚承志，錢七虎.巖體動力變形與破壞的基本問題［M］.北京:科學出版社，2009

［11］ 陳坤福.深部巷道圍巖破裂演化過程及其控制機理研究與應用［D］.徐州:中國礦業大學，2009

［12］ 陳建功，賀虎，張永興.巷道圍巖松動圈形成機理的動靜力學解析［J］.巖土工程學報，2011（12）

［13］ 陳建功，朱成華，張永興.深部巷道圍巖分區破裂化彈塑脆性分析［J］.煤炭學報，2010（4）

（責任編輯 張艷華）

Displacement failure of deep surrounding rock and optimization of sealing process of through holes

Wang Zhonghua1，2
（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Shapingba，Chongqing 400037，China；2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Shapingba，Chongqing 400037，China）

Based on the difference of ground stress between deep surrounding rock and shallow surrounding rock，the features of surrounding rock of roadway were theoretically analyzed，which were single peak stress and single disintegration of shallow surrounding rock and multi peak stress and zonal disintegration of deep surrounding rock.Field observation shows the displacement of deep surrounding rock of roadway takes on alternative appearance of the peak and trough of stress，the position corresponding to the peak of stress is disintegration zone and the positon corresponding to the trough of stress is not disintegration zone；the disintegration takes on zonal disintegration which disintegration zone and integration zone intervally appear，the disintegration zone is generally 4 to 5 and the disintegration range of deep surrounding rock is obviously greater than the disintegration range of shallow surrounding rock.The optimal sealing depth of through hole is 8 to 10 meters，the investigation results of quantity of drainage of single through hole show that net quantity of drainage of through hole reaches up to 28 m3/d，increasing by about 10 times，the methane gas concentration of drainage reaches more than 20%，increasing by more than 4 times，the effect of drainage is obviously improved.

deep surrounding rock，multi peak stress，zonal disintegration，displacement failure，sealing depth，gas extraction effect

TD713.3

A

王中華（1984-），男，山東棗莊人，助理工程師，碩士，現工作于中煤科工集團重慶研究院有限公司，主要從事煤礦安全技術及工程研究。