忻州窯礦卸壓鉆孔技術參數研究

張鄭偉

（晉能控股集團同大科技研究院，山西大同037003）

1 引言

我國礦井強礦壓具有頻次高、災害大等特性。近年來，由于開采深度不斷增大，構造應力環境越加復雜，導致深部礦井動力災害發生的強度和頻率逐漸提升，威脅著煤礦的安全高效生產[1-2]。

目前，國內外防治強礦壓的主要技術措施包括煤層注水、煤層松動爆破、鉆孔卸壓、爆破切頂、底板松動爆破和微震監測等解危和預警措施，都已取得了一定的效果，但其防治強礦壓的可靠性及技術參數有待進一步優化。

2 工程概況

忻州窯礦是大同礦區強礦壓顯現礦井，2011年至今，井田在開采西二盤區綜放面時出現多起強礦壓事故，導致頂板下沉，底鼓等嚴重礦井災害。8939工作面位于井田的西側，屬于高集中應力區域，停采后，煤柱仍處于較高應力狀態，同時，采空區覆巖結構被破壞，短時間內不可能形成密實的結構，將繼續緩慢移動，直至覆巖穩定。煤柱應力的升高和能量的積聚，易誘發強礦壓動力災害。

8939工作面停采后，搬遷將維持一個多月的時間，為確保工作面設備安全回撤，需在停采前針對煤柱采取鉆孔卸壓、液態CO2松動爆破等措施進行卸壓解危，使煤柱充分卸壓。

3 鉆孔卸壓措施及參數優化

3.1 卸壓鉆孔的布置

為了確定合理的鉆孔直徑、孔間距、孔深以及最佳打鉆時間，從而使卸壓孔達到最佳的卸壓效果，本次制定了四種實驗方案。選擇8939工作面5939巷，從停采線（1 214 m）至絞車窩(1 254 m)，距離底板1 m高處，沿煤壁垂直打一排卸壓鉆孔和液態CO2爆破孔，總共分為5個不同的區域，Ⅴ區域為探測區，其目的是為了檢驗光纖光纜的正常運行和工作，如圖1所示。

圖1 鉆孔布置平面圖

（1）方案一：孔徑不同時

施工直徑為65 mm、90 mm和108 mm的卸壓鉆孔各3個，一共9個。孔間距1.5 m，孔長度為6.0 m，見1中Ⅰ區域。

（2）方案二：不同孔間距時

施工直徑φ108 mm的卸壓孔兩組，共計6個，孔間距按照0.5 m、0.75 m和1 m布置，孔長6.0 m，組間距1.5 m，見1中Ⅱ區域。

（3）方案三：卸壓鉆孔與爆破鉆孔卸壓效果對比

施工常規卸壓孔（圖1Ⅳ區域）和液態CO2爆破孔（圖1Ⅲ區域），對比不同卸壓措施卸壓效果。常規卸壓孔孔徑φ108 mm、長度8.0 m、孔間距為0.5 m；爆破孔布置兩組，每組直徑50 mm和65 mm，孔間距均為1.5 m。

（4）方案四：卸壓效果與時間的關系

對孔徑φ108 mm，孔間距0.75m的組合卸壓孔進行連續監測，分析卸壓效果隨時間的變化關系。

3.2 監測方法

（1）監測原理

本次采用的是分布式光纖感測技術。該技術主要是將感測光纜和光纖壓力測試管與煤巖固結為一體，能夠實現同步變形，可以測出煤體應力變化大小及其卸壓變形的影響范圍[3-5]。

（2）監測方案

在卸壓鉆孔正上方布設一個監測孔，于孔中安裝一條長度為44 m的光纖光纜，用于監測卸壓效果，監測方案見表1。

表1 鉆孔參數及光纖監測方案設計

3.3 監測數據分析

圖2 傳感光纜應變與卸壓鉆孔的對照圖

圖2 主要反映的是各鉆孔對應的應變大小。正值表示拉應變，負值表示壓應變，圖中顯示以拉應變為主，反映了孔內光纖以受徑向拉伸作用為主。由于鉆孔直徑的差異，應變值大小不同，最高達到180με。另外，隨著孔間距縮小，應變值在增大。隨著監測時間的持續進行，光纖的應變值經歷緩慢變化、快速變化到最后基本穩定的變化過程。

（1）不同直徑卸壓孔數據分析

從單個鉆孔入手，每個鉆孔之間的間距為1.5 m，將監測數據擬合成圖3可知，φ65 mm孔測出最大應變值的平均數為18με，卸壓影響范圍平均為0.73 m；φ 90 mm孔測出最大應變值的平均數為32με，卸壓影響范圍平均為1.34 m；φ108 mm孔測出最大應變值的平均數為68με，卸壓影響范圍平均為1.85 m。由此可知，直徑越大，其周邊最大應變與影響范圍的逐漸增加。就卸壓范圍而言，φ108 mm的鉆孔較φ90 mm和φ 65 mm的鉆孔分別增大38%和150%。可見，選擇φ 108 mm的鉆孔卸壓效果最好。

圖3 不同直徑卸壓鉆孔應變曲線及影響范圍曲線圖

（2）不同孔間距卸壓孔數據分析

將監測數據擬合成圖4。兩個鉆孔時，φ108mm保持不變：當孔間距為1 m的組合孔時，最大應變是94 με，卸壓影響范圍是2.53 m；當孔間距為0.75 m的組合孔時，最大應變是134με，卸壓影響范圍是2.53 m；當孔間距為0.5 m的組合孔時，最大應變是113με，卸壓影響范圍是2.33 m；

與單孔相比，雙孔附近應力集中程度較大，尤其是在雙孔中部位置的應力增長更加顯著，越容易破裂，卸壓的效果更好。因此，建議鉆孔間距不大于0.75 m。

（3）卸壓孔時效性分析

圖4 不同間距卸壓鉆孔應變曲線及影響范圍曲線圖

圖5 反應了鉆孔的卸壓效果隨時間的變化趨勢。大致可以看出：鉆孔卸壓初期應變無明顯變化，基本保持在10με以內；在第2天到第12天時應變值增加速度變快，達到108με；在第12天到第18天時，應變增加變緩，且趨于穩定值134με。綜上，超前18天施工卸壓 鉆孔效果最好。

圖5 孔間距0.75 m組合卸壓孔應變隨時間變化圖

4 結論

針對忻州窯礦8939工作面強礦壓特征，采取了鉆孔缷壓的技術措施。在分析不同直徑、不同孔間距以及隨時間變化時鉆孔周邊應變與卸壓范圍進行分析的基礎上，優化了鉆孔技術參數：超前18天施工孔徑為108 mm，孔間距為0.75 m，長度為8 m的鉆孔卸壓效果最佳。