煤層大直徑鉆孔和頂板預裂孔防沖機理研究及應用

龐立寧，付書俊，蘇 波

（1.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.華陽新材料科技集團有限公司 智能礦山事業部，山西 陽泉 045000）

煤層大直徑鉆孔和頂板預裂孔卸壓技術是沖擊地壓礦井最常用的防沖手段之一[1-3]。國內外學者對卸壓鉆孔防沖機理進行過不少研究，如賈傳洋[4]認為卸壓鉆孔防沖機制在于鉆孔周邊煤巖體裂紋擴展貫通導致應力釋放；李金奎[5]等通過數值模擬發現大直徑卸壓鉆孔使得煤體應力峰值向深部轉移從而達到卸壓效果；蘭永偉[6]通過數值模擬得出鉆孔卸壓作用根本原因是其周圍煤體的弱化；吳鑫等[7]通過3DEC數值模擬手段得出鉆孔卸壓使得巷幫應力峰值向圍巖深部轉移，且在鉆孔末端形成應力集中；閆永敢[8]研究發現，鉆孔周圍非彈性區范圍大小與卸壓效果成正比。但大多都從應力轉移等卸壓機制方面研究，從改變巷道圍巖結構、增大動載荷應力波傳遞耗散角度研究卸壓鉆孔防沖機理的文獻較少，為此，結合葫蘆素煤礦現場實際，進行煤層大直徑鉆孔和頂板預裂鉆孔防沖機理研究，制定煤層大直徑鉆孔和頂板壓裂孔卸壓技術方案，在21103工作面回風巷進行了工業性試驗，取得了好的效果。

1 煤層大直徑鉆孔防沖機理

1.1 巷道圍巖力學模型

巷道開挖前，煤層上覆巖層重力均勻分布在煤體上，即準巷道圍巖均處在原巖應力狀態。

煤層巷道開挖后，巷道圍巖應力重新分布，根據切應力大小，可分為減壓區、增壓區、穩壓區[9]，另外，以支承壓力峰值為界，可分為極限平衡區和彈性區。巷道圍巖不同位置應力不同，但滿足下式：

式中：σx、εx分別為距離巷幫x位置處的垂直應力和應變；E為彈性模量；ρ為上覆巖層的密度；H為埋深；L為距巷幫的距離。

不同深度巷道圍巖的力學性能不同，可由不同特性的力學模型來模擬。根據巖石應力應變全程曲線，巖石峰后區破壞階段呈現出應變軟化特性[10]，即隨著應力增大，應變增長的速率加快，這與巷道圍巖極限平衡區巖體力學性能較類似，可用彈黏體元件串聯模擬。巷道圍巖彈性區可用完全彈性體元件模擬。因此，巷道圍巖力學模型如圖1。

圖1 巷道開挖后圍巖力學模型Fig.1 Mechanical model of surrounding rock after roadway excavation

1.2 大直徑鉆孔對巷道圍巖結構影響

幫部大直徑卸壓鉆孔的實施為頂板巖層的下沉或變形提供了空間，同時幫部大直徑卸壓區的存在也改變了巷道圍巖的力學結構模型。當支承壓力峰值以外人為產生卸壓區后，相當于將該區域完全彈性體元件結構模型變為彈黏體串聯元件模型，大直徑卸壓鉆孔實施后巷道圍巖力學模型如圖2。

圖2 大直徑卸壓鉆孔實施后巷道圍巖力學模型Fig.2 Mechanical model of roadway surrounding rock after large diameter pressure relief drilling

大直徑卸壓鉆孔的存在，使得頂板下沉或變形主要以壓縮卸壓孔空間（黏體元件）方式實現，此時煤體內產生的應變大都被“黏體元件”吸收，因此不會導致應力的增大。當卸壓孔空間被壓實（可理解為黏體元件中阻尼器行程已滿）以后，彈黏體串聯元件中的彈性元件開始發揮作用，隨著卸壓孔圍巖內彈性形變的增加（可理解為完全彈性體彈簧行程增加），垂直應力慢慢恢復，這也是大直徑卸壓鉆孔存在時效性的原因。

2 頂板預裂鉆孔防沖機理

2.1 應力波衰減機制

沖擊地壓啟動理論中煤巖系統集中靜載荷是內因，系統外集中動載荷是外因，主要起到誘發沖擊地壓的作用[11]。集中動載荷的產生主要來源于采場周圍上覆頂板巖層的斷裂或者采掘爆破等人為擾動[12-13]，其通過應力波形式作用于集中靜載荷區。

采場頂板斷裂等產生的應力波在煤巖介質中傳播時會發生衰減，其衰減主導機制[14]主要包含摩擦效應（基質裂隙相對運動時接觸面摩擦生熱消耗應力波攜帶的彈性能）、散射效應（組成煤巖體介質的晶粒對應力波散射）、流動效應（孔隙介質骨架與流體之間相對運動引發內摩擦耗能）、裂紋擴展效應（應力波攜帶能量轉化為裂紋擴展表面能）。

巖石物理學中Hudson模型描述煤體中摩擦效應導致的應力波衰減系數α，可以用下式表達[15-16]：

式中：V為煤巖體傳播介質總體積（數值與應力波產生點和沖擊啟動點距離正相關）；l、N分別為裂隙長度和數量；cd、cs分別為煤巖體系統中縱波和橫波波速；A、B分別為cd/cs的5次方函數；U1、U3的取值取決于煤體含水情況；ω為角頻率。

2.2 頂板預裂孔防沖機理

通過應力波衰減表達式可以看出，煤巖體系統中裂隙長度和數量與應力波衰減系數正相關。煤巖體中大直徑卸壓鉆孔的施工不僅可以轉移集中靜載荷，還可以增大卸壓區附近裂隙發育情況，在一定程度上衰減了頂板斷裂或采掘爆破等產生的應力波。通過施工頂板孔切縫、壓裂或爆破，可以在頂板內人為制造很多裂縫，這些裂縫的存在耗散了很大一部分應力波攜帶的能量。

在集中動載荷產生位置和靜載荷集中區距離一定的條件下，應力波的作用效果與其持續時間和應力波幅值呈正相關，而其持續時間正比于頂板斷裂尺度，這也是采場堅硬厚頂板條件比松軟薄頂板條件更容易發生沖擊地壓的原因；其應力波幅值正比于頂板或者煤體等傳播介質的強度，這也是采場頂板或煤體強度越高越容易發生沖擊地壓的原因。頂板壓裂孔可以原位改變頂板巖層的物理力學性質，降低頂板巖層的完整性和強度，減小沖擊地壓危險。

頂板預裂孔除了可以衰減頂板破斷產生的動載荷應力波外，還可以切斷采空區側向懸頂，減少懸露頂板作用在煤柱上的靜荷載；這2個方面均是頂板預裂孔可防治沖擊地壓的原因。

3 現場案例

3.1 工程概況

21103工作面為葫蘆素煤礦首采區第2個回采工作面，煤層厚度平均2.54 m，鑒定結果表明，葫蘆素煤礦2-1煤具有強沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性，底板無沖擊傾向性。頂板巖性多以粉砂巖、砂質泥巖為主，底板巖性多為砂質泥巖及粉砂巖。煤層頂底板特征見表1。

表1 煤層頂底板特征表Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

21103工作面回采過程中發生過4次沖擊地壓顯現，分別于2017年11月18日、2018年2月6日、2018年2月15日、2018年3月8日。其中2017年11月18日沖擊顯現最為嚴重，“11.18”沖擊位置如圖3。21103回風巷沖擊顯現長度60 m，沖擊瞬間造成煤柱側幫鼓起，最大變形為0.7 m，導致機尾無安全出口，電纜落地，共破壞錨桿30根，錨索15根，損壞單體10根。

圖3“11.18”沖擊位置Fig.3“11.18”rock burst position

3.2 21103工作面回風巷沖擊地壓發生機理

21103工作面回風巷圍巖不同位置靜載荷集中可以用函數J（σx，εx）表示，不同位置動載荷集中可以用函數D（σx，εx）表示，構建一個范函數F：

式中：a為靜載荷集中對沖擊地壓啟動的影響因子；b為動載荷對沖擊地壓啟動的影響因子。

當b＝0時，式（3）代表沖擊地壓類型為純靜載型沖擊地壓；式（3）的表達適用于不同的沖擊地壓理論：當采用強度理論時，函數J（σx，εx）和函數D（σx，εx）即為σx和εx的強度函數；當采用能量理論時，函數J（σx，εx）和函數D（σx，εx）即為σx和εx的能量函數。總之，在諸多靜載荷集中和動載荷集中函數組成的范函數集合中，定然存在若干種不同的組合使得沖擊啟動發生。

沖擊地壓啟動理論指出[2]，煤巖系統內集中靜載荷達到臨界狀態是沖擊地壓發生的必要條件。同時，沖擊地壓和突出的統一失穩理論[17]指出沖擊地壓和突出發生的先決條件是煤巖體局部進入峰值強度后的變形區，即沖擊地壓和突出都是發生在煤巖體內的高應力區。據此，可認為沖擊地壓啟動地點為煤巖體內最高靜載集中應力區。

葫蘆素煤礦埋深大、煤體堅硬，這使得21103工作面回風巷兩幫容易積聚大量彈性能，這是沖擊啟動發生的靜荷載來源，且煤體具有強沖擊傾向性，在煤巖體系統內已形成了沖擊啟動體；臨空煤柱及采空區上方的厚硬砂巖頂板密度大且不易垮落，在工作面回采過程中，其大面積突然斷裂或上覆高位堅硬頂板瞬間破斷是沖擊啟動的動荷載來源，臨空巷道動靜載誘發沖擊啟動示意圖如圖4。

圖4 臨空巷道動靜載誘發沖擊啟動示意圖Fig.4 Shock start induced by dynamic and static load of free entry

最高靜載集中區的靜應力和動載荷應力波產生的動態應力疊加形成的應變能超過煤巖體動力破壞所消耗的能量時，發生沖擊地壓啟動。即滿足：

式中：EJΩ為最高靜載集中區的靜應力；EDΩ為動載荷應力波產生的動態應力；Efmin為煤巖體動力破壞所消耗的能量。

煤巖體發生沖擊地壓等動力破壞時釋放的能量往往遠大于誘發能量，根據巖體破壞的最小能量原理[18]，無論煤巖體是在三向受力雙向受力還是單向受力狀態下破壞，其破壞真正消耗的能量總是一定的，即巖體破壞最小能量EC：

式中：σC為單軸抗拉強度；τC為抗剪切強度；E為彈性模量；G為剪切模量。

根據能量守恒，在煤巖體破壞消耗能量一定的條件下，煤巖體自身積聚的彈性能越大，沖擊地壓時伴隨的動能就越大，該動能來源于煤巖體破壞彈性余能WC：

式中：Ei為i維受力狀態下煤巖體中儲存的彈性能，由源于靜載荷集中彈性能EJΩ和動應力彈性能EDΩ構成。

根據縱波衰減Hudson模型中應力波衰減系數和動態應力關系式[14]可推導出動態應力表達式：

式中：σ（t）為動態應力；K、M為煤巖體本身物理力學性質有關的常數；α為應力波衰減系數；φ為煤巖體動力破壞所消耗的能量；c為材料常數。

動載荷應力波傳遞至最高靜載集中應力區時，單位體積內動態應變能Vε為：

最高靜載應力集中區單位體積內積聚的彈性應變能[19]VJε為：

式中：σ1、σ2、σ3均為主應力；μ為泊松比。

由式（6）、式（8）、式（9）沖擊地壓發生時，沖擊啟動區煤巖體破壞后彈性余能為：

該部分彈性余能以波的形式向周圍傳播[20-21]，除去耗散在21103工作面回風巷圍巖介質中的部分能量外，剩下的轉化成動能釋放到巷道空間，造成煤柱側瞬間幫鼓、錨桿錨索崩落等沖擊顯現。

3.3 頂板壓裂孔和大直徑鉆孔卸壓技術

21103工作面回風巷"鉆、切、壓"施工布置圖如圖5。

圖5 21103工作面回風巷“鉆、切、壓”施工布置圖Fig.5“Drilling,cutting and pressing”construction layout of return air roadway in 21103 working face

針對堅硬煤體，在21103工作面回風巷兩幫施工了大直徑鉆孔，鉆孔直徑150 mm，孔間距1 m。

針對堅硬頂板，采用高壓水泵配合專用高壓切縫鉆桿、高壓封隔器，進行超前預裂，預裂孔每組2孔。煤柱幫側鉆孔方位角270°、仰角60°、孔徑56 mm、孔間距15 m、孔深24 m；回采幫側鉆孔方位角135°、仰角45°、孔徑56 mm、孔間距15 m、孔深30 m。

3.4 大直徑鉆孔和頂板壓裂孔防沖效果監測

3.4.1 大直徑鉆孔防沖效果監測

21103工作面回風巷幫部大直徑卸壓前后微震及沖擊事件的時間序列如圖6。

圖6 21103工作面回風巷幫部大直徑卸壓前后微震及沖擊事件的時間序列Fig.6 Time series of microseismic and shock events before and after large diameter pressure relief in return air side of 21103 working face

回風巷幫部大直徑卸壓鉆孔實施前，21103工作面回風巷104J以上能量事件共計發生過4次，其中2月6日和2月15日的2起4次方能量事件誘發了沖擊地壓，誘發沖擊比例達到50%，巷道最大破壞長度達48 m。實施煤層大直徑卸壓鉆孔后，共發生104J以上能量事件9次，僅有1起4次方能量事件誘發了輕微沖擊，誘沖比例為11%。上述分析表明，煤層大直徑卸壓鉆孔的施工雖然沒有遏制高能量事件頻發態勢，但可以明顯的降低高能量事件的誘發沖擊地壓比例，其原因是幫部煤層大直徑卸壓鉆孔不僅使得集中應力向圍巖深部轉移，而且增加了鉆孔附近裂隙發育情況，在巷道兩幫形成一定范圍的卸壓保護帶，一定程度上衰減了頂板斷裂引發的動態應力波，耗散了應力波攜帶的彈性應變能量，從而避免了沖擊地壓的啟動和顯現。

3.4.2 頂板壓裂孔防沖效果監測

利用頂板壓裂孔不同施工階段的微震數據來宏觀分析工作面總體預裂效果，第1階段21103綜采工作面從距離切眼753～1 322 m段回風巷頂板采取頂板水力壓裂斷頂技術；第2階段從距離切眼1 322～1 912 m段回風巷頂板均未采取頂板水力壓裂斷頂技術。

在第1階段21103工作面共監測到有效微震事件7 740次，1次方以下、1～2次方、2～3次方、3～4次方、4次方及5次方能級事件所占比例分別為74.32%、19.53%、4.63%、1.37%及0.16%；在第2階段21103工作面共監測到有效微震事件6 631次，1次方以下、1次方、2次方、3次方、4次方及5次方能級事件所占比例分別為59.60%、28.50%、9.24%、2.37%及0.27%；2個階段微震事件統計表見表2。

表2 2個階段微震事件統計表Table 2 Statistical table of microseismic events in two stages

為避免傳感器挪移或故障等情況造成小能量微震事件數量波動，僅對2次方（即100 J）以上微震事件進行統計對比分析，可見第2階段的微震事件在各能量級區間內均顯著高于第1階段。結果表明：工作面在未進行水力壓裂區域推采時，易引起能量的集中釋放，引發大能量事件發生；工作面在回風巷均進行了水力壓裂的區域推采時，工作面的安全性，明顯高于未進行水力壓裂施工的區域。

4 結語

1）構建了巷道圍巖力學結構模型，圍巖深部彈性區用完全彈性體元件模擬，圍巖極限平衡區可用彈黏體元件串聯模擬。

2）大直徑鉆孔改變了巷道圍巖的力學結構模型，支承壓力峰值以外人為產生卸壓區使得完全彈性體元件結構模型變為彈黏體串聯元件模型，黏體元件可以吸收部分應變，而應力不增加，相當于在巷道周圍形成卸壓保護帶，該保護帶也可以衰減動荷載應力波的傳播。

3）動荷載應力波在預裂后頂板內傳播時會以摩擦效應、散射效應、流動效應、裂紋擴展效應等機制發生衰減；頂板壓裂孔可以原位改變頂板巖層的物理力學性質，降低頂板巖層的完整性和強度，減小沖擊地壓危險。

4）對比葫蘆素煤礦21103工作面回風巷煤層大直徑鉆孔和頂板壓裂孔施工前后的沖擊地壓顯現情況和微震能量事件，發現21103工作面回風巷卸壓工程方案取得了好的效果，有效地減少了沖擊地壓顯現的發生。