綜采面回采巷道鉆孔卸壓機理及實踐效果分析

（山西同煤集團虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 036010）

隨著我國煤炭開采深度和強度的不斷加大，采場周邊圍巖應力分布也逐漸變的較為復雜，由礦壓顯現引起的礦山災害也日益嚴重[1]。對于礦山壓力顯現的防治措施主要包括區域性防范措施和局部性的解危措施[2]，前者主要是通過支護體來阻止圍巖的破壞，后者主要是通過改變圍巖體的承載結構來防止圍巖破壞，包括鉆孔卸載爆破、鉆孔卸壓及注水卸壓等措施。由于鉆孔卸壓具有施工簡單和對礦井地質條件要求不高等特點，故在礦壓顯現防治中得到了較為廣泛的應用。為此，本文將以某礦80150綜采工作面為工程背景，探索鉆孔卸壓技術對于改善采面應力分布的效果。

1 工程背景

某礦80150綜采工作面開采煤層位于侏羅紀中統，煤層平均厚度為10.36m，煤層傾角1°～3°，工作面走向長度2203m，工作面傾斜長度160 m。偽頂為泥質砂巖，厚度約0.4 m；直接頂為砂質泥巖，厚度2.3～6.3 m；基本頂為細砂巖，厚度6.4～19.7 m；直接底為泥巖，厚度在1.2～4.2 m；煤層直接頂、底板的普氏系數分別為5和6。順槽進、回風巷沿煤層底板掘進，巷道斷面形狀為矩形，巷道頂板采用五排“螺紋鋼錨桿+W型鋼帶”和三二式布置“錨索+鐵托板”配合金屬網混合支護，兩幫采用三排“螺紋鋼錨桿+托板+金屬網”進行支護。

在工作面回采期間，回風順槽時常發生大面積片幫及頂板冒落，嚴重時造成支護體失效，影響工作面的正常回采。巷道破壞情況見圖1。

圖1 回采巷道礦壓顯現情況

2 巷道破壞原理及鉆孔卸壓機理分析

2.1 巷道破壞原理分析

該礦所采煤層頂底板堅硬且所受應力較大，受開采擾動影響而巷道礦壓顯現劇烈。根據巖層堅硬且高應力地區巖層控制理論，礦壓顯現劇烈的原因主要是煤巖體開挖后，高應力區域的圍巖應力重新分布造成的巖層活動。圖2為建立的巷道圍巖受力力學模型。

圖2 巷道圍巖受力力學模型

根據巖石力學理論分析[3-4]，在巷道開挖后，因臨空面的產生，煤巖體受力狀態由原來的三向受力變為單向受力或雙向受力，圍巖應力重新分布，引起應力集中，并在煤巖體自承力的作用下，最終會達到應力新的平衡。此時，在離巷道幫部一定的范圍會產生一個應力極限平衡區，圖2中l為極限平衡區的長度。隨著采動的影響，當集中應力超過煤巖體的破壞強度時，應力極限平衡被打破，巷道發生片幫和冒頂，隨之重新進入一個新的平衡狀態，煤巖體的應力峰值σmax也向深部轉移。

2.2 鉆孔卸壓機理分析

鉆孔卸壓的原理和巷道開挖后圍巖應力重新分布的原理相似[5]，在巷道表面施工鉆孔后，鉆孔周圍應力會重新分布，引起鉆孔孔邊應力集中，并在鉆孔周圍一定范圍形成卸壓區。當合理布置卸壓鉆孔后，會使鉆孔卸壓區相互貫通形成一條鉆孔弱化帶，如圖3。這樣不僅破壞了煤巖體的自承能力，也改變了應力極限平衡區，使煤巖體的塑性區和應力峰值σmax向深部轉移，從而能有效降低巖層堅硬且高應力地區巷道周邊圍巖應力，起到保護巷道的作用。

圖3 鉆孔卸壓原理

3 鉆孔卸壓參數確定及布置方案

3.1 巷道卸壓鉆孔參數確定

（1）鉆孔直徑及卸壓區半徑確定

在鉆孔過程中，為了防止鉆孔直徑過大而出現孔邊應力集中而出現破壞，所以選取鉆孔直徑不宜過大，其鉆孔直徑計算見式（1）[2]：

式中：d為鉆孔直徑，mm；R為彈性區半徑，m；σp為圍巖所受的切向應力為煤巖體的內摩擦角。

經計算得鉆孔的直徑為150 mm，鉆孔卸壓區邊界方程[1]見式（2），通過式（2）計算得鉆孔卸壓區半徑為0.4 m。

式中：ρ為卸壓區半徑，m；d為鉆孔直徑，m；C為煤巖體內聚力，MPa；P為煤巖體所受垂直應力，MPa；k為側壓系數，取1.2。

（2）鉆孔深度及間排距

因單個鉆孔卸壓區半徑為0.4 m（考慮理論與實際偏差），結合鉆孔卸壓區的分布形式，為確保鉆孔卸壓區相互貫通而形成弱化帶，確定鉆孔之間的排距為1.5m，間距為0.6 m。

根據極限平衡區寬度的計算公式（3）確定鉆孔深度范圍：

式中：H為煤層厚度，m；F為支護體阻力，kN。計算出極限平衡區寬度為15m，一般鉆孔深度L要滿足：l/2＜L≤l，結合本工作面和巷道的實際生產條件及施工難易程度，確定卸壓鉆孔的深度為10 m。

3.2 巷道鉆孔布置

根據巷道圍巖松動圈理論分析可知，鉆孔形成的卸壓區分布形狀為“蝶”形。因此，鉆孔的布置方位及相互位置關系會影響鉆孔卸壓區弱化帶的形成，所以鉆孔布置方式宜采用兩排三花眼布置，見圖4。

圖4 巷道鉆孔平面布置

4 鉆孔卸壓效果分析

為研究巷道鉆孔卸壓實際應用效果，在回采巷道非生產幫間隔30 m安裝一組深6m的鉆孔應力監測計，通過監測系統對卸壓區和未卸壓區進行為期30 d的監測數據進行統計分析，取每個測點30 d監測數據的平均值并繪制應力變化曲線見圖5。

圖5 距工作面不同距離煤柱體超前應力變化曲線

從圖中可以看出，經鉆孔卸壓后，工作面支承壓力超前影響距離由125 m擴大為145 m；工作面在未卸壓區域推進過程中，在距工作面15m處支承壓力達到峰值，大小為12.5MPa；而在卸壓區域推進過程中，在距工作面30m處支承壓力才達到峰值，大小為9.5MPa。此時，未卸壓區應力峰值是卸壓區的1.3倍，卸壓區的應力峰值距工作面的距離是未卸壓區的1倍。可見，在工作面回采的動壓影響下，鉆孔卸壓后的煤柱淺部區域出現明顯的應力下降，使應力集中區域向巷幫深部轉移，提高了回采巷道圍巖的穩定程度，保證了工作面的安全回采。

5 結語

1）對80150綜放工作面回風順槽進行鉆孔卸壓實踐表明，鉆孔卸壓后工作面超前支承壓力峰值下降了24%，應力峰值距工作面的距離由15 m擴大為30m，超前影響距離由125 m增至145 m。

2）巷道經鉆孔卸壓后使應力峰值向煤巖體深部轉移，降低了淺部煤巖體的圍巖應力，有效的控制了巷道周邊圍巖變形。