孤島工作面巷道鉆孔卸壓機理及關鍵參數確定

郭忠華

(1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.呂梁學院 礦業工程系，山西 呂梁，033000)

孤島工作面是指準備回采的工作面周圍均為采空區或工作面順槽兩側均為采空區的工作面，由于煤體周圍頂板失去支撐，具有應力高度集中的特點[1]。布置巷道進行孤島煤柱的開采時，普遍出現礦壓顯現劇烈、巷道難以維護的特征，而單純加強支護強度不能從根本上解決巷道大變形問題且會使支護成本高昂[2]。近年來，許多學者對孤島工作面開采覆巖破斷、應力演化和降載減沖進行了大量研究，提出分層開采和加強監測等防治沖擊技術，為本文的研究提供了參考[3-4]。由于厚煤層孤島工作面具有巷道斷面大、回采速度快、一次采出煤層厚度大、應力環境復雜等特點，采用巷道圍巖礦壓控制效果不理想[5-6]。因此提出了利用巷道鉆孔卸壓來改善巷道圍巖應力環境，釋放或轉移巷道應力。

本文以山西離柳焦煤朱家店煤礦9207孤島工作面為研究對象，采用理論分析、數值模擬和現場實測相結合的方法，研究了鉆孔卸壓機理和鉆孔參數，提出孤島工作面巷道鉆孔卸壓技術，為高應力條件下巷道圍巖控制提供參考。

1 生產地質條件

山西離柳焦煤朱家店煤礦9207孤島工作面主要回收3#煤煤柱，煤柱尺寸(寬×高×長)200 m×6.9 m×1 500 m，煤層傾角2°～10°，埋深370 m.運輸巷為半圓拱直墻形，寬度5 m，高度4 m，直墻高度1.5 m.煤層頂底板巖性見表1.

表1 煤層頂底板巖性表Table 1 Lithology table of coal seam roof and floor

采用FLAC3D軟件建立孤島工作面數值模型，得到如圖1所示的垂直應力分布曲線。殘留煤體在兩側回采后，煤體內的垂直應力整體呈“馬鞍形”，兩側大致對稱分布。從煤柱一側分析，回收煤柱邊緣距采空區0～5 m范圍內為應力降低區，峰值位置距采空區邊界11 m，峰值的大小為24 MPa，應力增高區為5～50 m，原巖應力區為50～150 m.

圖1 孤島工作面垂直應力分布Fig.1 Vertical stress distribution on isolated face

孤島工作面支撐大面積頂板，在煤柱內形成應力升高區，布置的回采巷道處于高應力環境中，出現短時間內大變形失穩，加強支護強度不能從根本上解決支護問題，因此提出巷道布置卸壓鉆孔的卸壓釋能措施，改善巷道應力環境。

2 高應力巷道鉆孔卸壓機理

在高應力區巷道圍巖中打一定數量的鉆孔，應力作用下鉆孔孔壁被壓塌，鉆孔周圍形成一定的破碎區，相鄰鉆孔破壞區相連形成大范圍破壞帶。高應力巷道通過布置鉆孔實現卸壓作用：鉆孔被壓碎，釋放能量同時向深部轉移了應力峰值，降低了煤層的應力集中程度，改善了巷道的應力環境；鉆孔改變了煤幫的物理力學承載特性，降低了煤層的脆性和煤層儲存彈性能的能力，從而降低了巷道圍巖局部應力集中的可能性。

數值模擬對卸壓鉆孔布置前后，工作面前方應力分布研究，如圖2所示。

圖2 順槽巷道卸壓鉆孔對煤體應力分布的影響Fig.2 Effect of pressure relief drilling along the roadway on the stress distribution of coal body

取鉆孔附近煤體單元體進行受力分析，由彈塑性理論可計算出孔周邊的應力分布和塑性區半徑R[7-8]：

(1)

(2)

式中：σr為徑向應力，MPa；σθ為切向應力，MPa；τrθ為剪應力，MPa；q為原巖應力，MPa；r為鉆孔半徑，m；d為單元體與鉆孔中心的距離，m；c為煤體內聚力，MPa；φ為煤體內摩擦角，°.

由式(1)，式(2)可知，在煤體內布置鉆孔后，鉆孔周圍的切向應力會出現一定程度的應力集中，應力集中系數為2～3，而鉆孔周邊的煤體徑向應力為0，為單向壓縮狀態。當煤體所受的應力達到煤體的極限強度時，煤體發生破壞，這時鉆孔周邊的圍巖處于塑性狀態；隨著距孔距離的增加，煤體逐漸變為三向應力狀態，煤體的抗壓強度逐漸增加；在半徑R處，煤體又處于彈性狀態。

單個卸壓孔周圍出現了應力降低區和塑性區，多個卸壓孔的應力降低區連在一起形成一條卸壓帶，降低了煤體的應力集中程度，釋放了積聚的彈性能。

3 卸壓孔徑參數的優化研究

采用FLAC3D數值模擬方法建立卸壓巷道模型[9]，分析卸壓鉆孔長度、鉆孔排距、鉆孔間距等變化下的巷道應力分布和變形特征，得到最優卸壓鉆孔參數。模型尺寸(寬×高×長)確定為100 m×100 m×576 m，模型采用Mohr-Coulomb屈服準則[10]。

3.1 鉆孔長度

對未開鉆孔和鉆孔長度分別為4 m、6 m、8 m、10 m和12 m，鉆孔間距為1.2 m的巷道圍巖中的垂直應力分布進行分析，得到巷道圍巖變形情況，從而確定合理的鉆孔長度，具體如圖3和圖4所示。

在圖3中，孤島煤柱中掘進運輸巷道，巷道處于高應力環境中，無卸壓鉆孔時，巷道圍巖0～3 m內垂直應力達到20 MPa；在巷道兩幫布置卸壓鉆孔時，圍巖應力峰值向深部轉移，淺部圍巖普遍處于低應力區，垂直應力為5 MPa；鉆孔長度越大，卸壓后應力峰值點距巷幫越遠，但鉆孔長度達到12 m后，巷道淺部圍巖應力變化不大。

圖3 不同卸壓鉆孔長度下巷道垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution of roadway under different pressure relief drilling lengths

圖4是對不同鉆孔長度巷道變形情況的分析。巷道底鼓量和頂板下沉量隨鉆孔長度的增加呈現先增大后減小再增大的趨勢。當鉆孔長度為5～6 m時，達到最大值360 mm和510 mm；在長度10 m時，變形量為最小值240 mm和390 mm，巷幫變形量隨鉆孔長度的增加呈現先減小后增大的趨勢；在鉆孔長度8 m時，達到最小值330 mm.由上述分析可知，卸壓鉆孔長度為8～10 m時巷道圍巖變形量較小，卸壓控制效果較好。

圖4 不同卸壓鉆孔長度下巷道變形特征Fig.4 Deformation characteristics of roadway under different pressure relief borehole lengths

3.2 鉆孔間距

1) 鉆孔間距對巷道垂直應力的影響

當卸壓鉆孔長度為10 m時，分析單排鉆孔、間距1.2 m和0.6 m時的巷道圍巖垂直應力和變形情況，如圖5所示。隨著卸壓鉆孔數量的增多、鉆孔間距的減小，巷道淺部圍巖垂直應力明顯減小，應力降低區范圍明顯增大，巷道處于較好應力環境。這是因為鉆孔間距越小，形成卸壓帶效果越好[11-12]。

圖5 鉆孔間距對巷道圍巖垂直應力的影響Fig.5 Effect of drill hole spacing on vertical stress of roadway surrounding rock

2) 鉆孔間距與巷道圍巖變形之間的關系

由圖6可知，巷道底鼓量隨鉆孔間距的減小而減小。在鉆孔間距為1.2 m時，底鼓量達到最小250 mm；巷幫變形量隨鉆孔間距的減小呈現先增大后減小的趨勢；在鉆孔間距1.2 m時，變形量為380 mm，頂板下沉隨鉆孔間距變化不大。因此，鉆孔間距為1.2 m時，巷道圍巖變形較小，卸壓效果較好，確定鉆孔間距為1.2 m.

圖6 鉆孔間距對巷道圍巖變形的影響Fig.6 Effect of borehole spacing on the surrounding rock deformation

3.3 鉆孔直徑

鉆孔的直徑對巷道圍巖中的垂直應力分布的影響如圖7所示。

圖7 不同鉆孔直徑下巷幫圍巖應力峰值及峰值點位置變化Fig.7 Change in peak stress and peak point location of surrounding rock under different borehole diameters

由圖7可知，巷道圍巖垂直應力峰值及峰值點距巷幫距離隨鉆孔直徑的增大呈增大—減小—增大—減小的變化趨勢，在鉆孔直徑120 mm時，垂直應力為45 MPa，峰值點距巷幫距離為9.5 m，卸壓效果最好，因此取卸壓鉆孔直徑120 mm.

由卸壓鉆孔參數模擬結果可知，卸壓鉆孔長度為10 m，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔直徑為120 mm.

4 卸壓鉆孔施工及應用效果實測

4.1 鉆機及鉆具

選用ZY-150型鉆機，鉆孔直徑120 mm，采用直徑為42 mm的空心螺紋連接鉆桿，采用水力排粉方式[13-14]。

4.2 鉆孔布置

鉆孔沿著工作面走向每隔3 m布置一組孔，每組包括3個鉆孔，呈三花型布置[15]。孔深不小于10 m，傾角3°，孔徑120 mm，鉆孔間距為1.2 m，垂直于巷幫施工[16]。鉆孔布置如圖8所示。

1-卸壓鉆孔；2-運輸巷道；3-工作面開切眼圖8 鉆孔布置圖Fig.8 Drilling layout

4.3 卸壓鉆孔效果分析

根據卸壓鉆孔參數和布置方式，9207工作面運輸巷進行了現場應用，布置測站對巷道變形進行觀測，如圖9所示。

由圖9(a)中測站的頂板下沉量分別為120 mm，144 mm，153.4 mm，隨著時間的推移，頂板下沉量雖然繼續增加，但增加幅度逐漸減小。由圖9(b)可知，測站處巷道底鼓量分別為38.1 mm，40.4 mm，47.2 mm，底鼓變形較小；圖9(c)中煤幫最大移近量為170 mm，最大、最小移近速率分別為5 mm/d，0.1 mm/d.由此可見，卸壓鉆孔有效改善了巷道應力環境，巷道圍巖變形較小，處于有效控制狀態。

圖9 卸壓后運輸巷位移變化Fig.9 Displacement change of transportation lanes after pressure relief

5 結論

1) 高應力下卸壓鉆孔被壓碎，相連形成破碎區，釋放能量的同時向巷道深部圍巖轉移能量，降低了煤層的脆性和儲存彈性能的能力，減少了局部應力集中，實現了卸壓作用和高應力轉移。

2) 卸壓鉆孔長度為10 m，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔直徑為120 mm時，礦壓顯現緩和，為最優參數。

3) 提出卸壓鉆孔施工工藝，現場驗證卸壓后巷道圍巖變形量較小，實現有效控制，卸壓鉆孔具有良好釋能卸壓作用。