高應力巷幫階梯型卸壓孔合理參數研究

宋代福，馬志濤，崔永強，盧可玉

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590； 2.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

沖擊地壓是煤巖采動誘發高強度彈性能瞬間釋放，引起相應采動空間煤巖強烈震動和沖擊擠出的動力現象，是我國煤礦常見的重大災害事故[1]。眾多學者已對沖擊地壓發生機理、沖擊地壓預測及防治方法等開展了系統研究[2-4]。目前，鉆孔卸壓是我國防治礦井沖擊地壓最常用、最有效的方法之一，對于鉆孔卸壓機理，馬斌文等[5]基于沖擊地壓應力控制理論，推導了鉆孔卸壓區的邊界方程，分析了煤體性質、鉆孔直徑及應力環境對鉆孔卸壓區分布的影響；袁紅輝等[6]從圍巖破裂面與主應力夾角、圍巖峰值強度和彈性模量變化角度，分析了卸壓孔對圍巖整體力學性能的影響；李生舟[7]通過理論分析和FLAC3D數值模擬獲得了擴孔卸壓后煤體破壞形態、塑性區范圍及應力分布規律；譚云亮等[8]研究了深部煤巷幫部不同破壞類型的能量釋放特征，揭示了深部煤巷幫部“卸-固”協同控制機理，研發了深部煤巷幫部失穩“卸-固”協同控制技術；宋希賢等[9]采用RFPA2D-Dynamic數值軟件研究動力擾動下深部巷道卸壓孔與錨桿聯合支護作用機理；趙振華等[10]對含卸壓孔的輝長巖試樣進行應力松弛試驗，獲得了其峰前應力松弛特性、松弛模型和超聲波變化規律，揭示了應力松弛過程的卸壓孔作用機制。卸壓孔參數研究方面，李東印等[11]用FLAC3D模擬分析了高應力煤巷卸壓孔的形狀參數對其卸壓效果的影響，發現卸壓區范圍隨卸壓孔孔徑的增大而增大，隨鉆孔深度的增加而減小；王俊銘等[12]借助COMSOL 模擬軟件分析了擴孔卸壓后煤體所受應力變化和滲透率變化情況，發現擴孔挖出煤量越大，擴孔孔洞周邊煤體的徑向位移形變量也越大；耿敏敏等[13]采用數值模擬法對不同卸壓孔布置方式的卸壓效果進行計算和對比分析，發現卸壓孔五花布置時卸壓效果最為明顯；齊燕軍等[14]通過含預制卸壓孔的煤柱模型相似試驗，分析了卸壓孔直徑對煤柱破壞特征、強度特征及聲發射特性的影響，確定了卸壓孔直徑的合理取值范圍；高永格等[15]利用數值模擬和現場試驗對不同孔徑周圍應力分布規律進行研究，發現相同地質條件下適當增大鉆孔直徑可有效增加鉆孔周圍塑性區半徑，從而提高鉆孔卸壓效果。

上述研究表明，鉆孔卸壓法非常有效，鉆孔參數對卸壓效果影響較大，孔徑越大、孔間距越小，卸壓效果越明顯。但也有研究表明，大直徑鉆孔會弱化巷道圍巖力學性能，對破碎圍巖造成較大擾動，使巷道圍巖變形過大，降低巷道穩定性支護控制。如黃文等[16]采用ABAQUS有限元模擬，對擴孔段的成孔效果和最大擴孔直徑進行分析，發現擴孔段直徑與圍巖強度和圍壓均呈負相關關系；顧士坦等[17]也發現在鉆孔卸壓施工過程中，為保證卸壓效果，經常會出現卸壓過度的現象，對巷道淺部圍巖承載結構造成破壞，圍巖變形劇烈，使開挖擾動后已發生破碎的巷道淺部圍巖更加破碎，大大增加了后期支護難度和支護成本。因此，如何既能保證鉆孔卸壓效果，又能降低卸壓孔對巷道淺部圍巖擾動是鉆孔卸壓法亟待解決的問題。

本研究利用ABAQUS有限元軟件建立數值仿真模型，對階梯型鉆孔卸壓技術進行模擬，比較分析卸壓效果和對圍巖擾動的影響，探討鉆孔長度、直徑和鉆孔間距等參數的影響。

1 鉆孔卸壓機理分析

如圖1所示，鉆孔卸壓是在高應力煤體內施工大直徑鉆孔，使周圍煤體破裂變形，釋放煤體內彈性應變能，降低煤體應力。圖中，σ、L、s分別為應力、鉆孔長度、鉆孔與巷幫距離。當卸壓孔布置合理，卸壓孔周圍破碎區相互連通，便可形成大范圍的卸壓區，使得巷道煤壁附近的高應力集中區向煤體深部轉移，從而起到防治沖擊地壓的目的[18]。

圖1 鉆孔卸壓機理示意圖Fig. 1 Mechanism of drilling pressure relief

鉆孔卸壓效果主要取決于鉆孔周邊煤體破壞程度，煤體破壞范圍越大，卸壓效果越明顯。假定煤巖為彈塑性體，卸壓孔周邊彈塑性區及圍巖單元體受力狀態如圖2所示。其中，r0為鉆孔半徑，Rp為塑性區半徑，Re為彈性區半徑且趨于無窮遠，p0為圍巖地應力，σr、σθ分別為單元體徑向和環向正應力，τrθ=τθr為單元體切向應力。根據巖體彈塑性理論[19]，由軸對稱應力問題，可得鉆孔周邊彈性區應力和位移如式(1)所示：

圖2 卸壓孔周邊巖體單元受力模型

(1)

對于鉆孔周圍塑性區，聯合平衡微分方程和Mhor-Coulomb準則，可得塑性區應力為：

(2)

根據彈性區和塑性區完全接觸邊界條件，有：

(3)

聯立式(1)、(2)和(3)，可得塑性區半徑Rp、彈性區邊界徑向位移ue分別為：

(4)

(5)

由式(4)和(5)可知，當原巖應力和圍巖力學參數一定時，卸壓孔圍巖塑性區半徑Rp與卸壓孔大小r0成正比，卸壓孔越大，卸壓效果越明顯，但也導致孔周圍彈性區徑向位移ue增大。因此，實際工程中，卸壓孔過大會導致巷道圍巖產生較大的豎向變形，不利于巷道穩定性控制，為解決上述問題提出階梯型擴孔卸壓技術。

2 階梯型鉆孔卸壓分析

2.1 數值模型

根據某礦開采實際情況，煤巖體物理力學參數如表1所示，利用ABAQUS有限元軟件，建立數值模型如圖3所示。模型尺寸(長×寬×高)為60 m×10 m×39 m，巷道寬4 m，高3.2 m，采用Mhor-Coulomb準則，模型周邊法向位移約束，底部固支。設煤層埋深800 m，頂部施加均布荷載20 MPa。

圖3 階梯型鉆孔卸壓數值模型

表1 巖層物理力學參數表

模擬步驟：首先進行初始地應力平衡計算，再進行巷道開挖，并進行第二次靜態平衡計算；然后，在巷道右側距巷道底板1.5 m處，模擬不同工況卸壓孔開挖，計算圍巖垂直應力和變形，分析比較卸壓效果。

2.2 卸壓效果比較

取常規大直徑卸壓孔的孔徑為0.3 m，鉆孔長度為20 m；階梯型卸壓孔在巷幫淺部為小直徑鉆孔，孔徑0.1 m，長度2.5 m，深部采用大直徑鉆孔，孔徑0.3 m，長度17.5 m。著重比較卸壓孔范圍內煤巖體垂直應力和巷道圍巖變形情況，結果如圖4、圖5所示。比較可知，在鉆孔范圍內，兩種形式鉆孔均能有效降低圍巖垂直應力，將應力峰值向煤體深部轉移，起到卸壓作用。由于階梯型卸壓孔在巷幫圍巖淺部采用0.1 m小直徑鉆孔，相比常規大直徑鉆孔，巷道頂板和兩幫的最大位移量分別降低了約70%和63%，有效降低了圍巖變形量，更有利于巷道穩定性控制。

圖4 不同卸壓方式圍巖垂直應力變化Fig. 4 Vertical stress variations ofdifferent pressure relief methods

圖5 不同卸壓方式圍巖變形量 Fig. 5 Surrounding rock deformation of different pressure relief methods

3 階梯型鉆孔卸壓合理參數分析

3.1 卸壓孔直徑

取孔徑分別為0.1、0.2和0.3 m三種常規卸壓孔，單排布置，孔間距0.6 m，孔長度20 m。圖6為鉆孔卸壓后圍巖垂直應力分布。從圖中可以看出，當孔徑為0.1 m時，圍巖應力沒有降低，應力峰值幾乎沒有向深處轉移，無卸壓效果；當孔徑為0.2 m時，垂直應力開始降低，應力峰值轉移不明顯，卸壓效果微弱；孔徑增至0.3 m時，垂直應力顯著降低，比原巖應力降低約22%，應力峰值向圍巖深部轉移明顯，卸壓效果顯著。因此，對于階梯型卸壓孔，靠近巷幫小直徑段的孔徑不宜大于0.1 m，而深部大直徑段的孔徑宜大于0.2 m，大于0.3 m時卸壓效果顯著。

圖6 不同孔徑卸壓孔圍巖垂直應力比較

3.2 卸壓孔長度

階梯型卸壓孔長度L由小直徑段長度L1和大直徑段長度L2組成。一般情況，L1不大于巷幫應力降低區的寬度，L2則應大于應力集中影響區域寬度，如圖7所示。以埋深800 m，寬4.0 m，高3.2 m的巷道為例，不考慮巷道支護阻力，模擬開挖后巷道圍巖支承壓力及原巖應力如圖8，可見距巷幫0～3 m范圍為應力降低區，3～20 m為應力集中區，應力峰值距巷幫約5 m，故取階梯型卸壓孔總長度L=20 m，其中L1和L2長度按表2取值；取卸壓孔小直徑段的孔徑為0.10 m，大直徑段孔徑為0.30 m，鉆孔間距0.60 m，單排布置。則卸壓效果如圖9和圖10所示。

圖7 鉆孔長度確定示意圖

圖8 巷道圍巖支承壓力及原巖應力

表2 階梯型卸壓孔長度組合方案

圖9 不同長度組合階梯型卸壓孔垂直應力云圖

圖10 不同長度組合階梯型卸壓孔垂直應力分布

圖9、圖10分別為巷道圍巖垂直應力云圖和沿卸壓孔軸線方向的變化曲線。可看出，當淺部小直徑段鉆孔長度L1≤3 m時(方案1～3)，在鉆孔總長度20 m范圍內圍巖垂直應力明顯降低，鉆孔底部應力峰值向深部轉移，整體卸壓效果明顯；當L1=4 m或5 m時(方案4、方案5)，雖然巷道右側7～20 m區域內卸壓明顯，但3～6 m范圍內仍存在較高應力集中現象，卸壓效果不理想。結果表明上述階梯型卸壓孔小直徑段長度L1和大直徑段長度L2的確定原則較為合理。

3.3 卸壓孔間距

設巷道埋深800 m，取階梯型卸壓孔小直徑段的孔徑為0.10 m，長度L1=2.50 m，大直徑段的孔徑為0.30 m，長度L2=17.50 m；卸壓孔單排布置，孔間距分別為0.60、0.80、1.00和1.50 m。模擬所得鉆孔圍巖塑性破壞和垂直應力變化分別如圖11和圖12所示。

圖11 不同間距卸壓孔圍巖塑性破壞

由圖11可以看出，當孔間距小于1.00 m時，孔間巖體的塑性破壞貫通，有利于提高鉆孔整體卸壓效果；而隨孔間距增大，孔間巖體存在未破壞彈性區，則會降低卸壓效果。由圖12也可以看出，當孔間距大于1.00 m時，沿鉆孔長度方向，圍巖垂直應力的降低和應力峰值向深部轉移都不明顯，表明卸壓效果不理想。但當孔間距小于1.00 m時，應力降低和轉移效果非常明顯。由此可見，對于階梯型單排卸壓孔，孔間距小于1.00 m較為合適。

圖12 不同間距卸壓孔圍巖垂直應力分布

4 結論

1) 階梯型鉆孔具有良好卸壓效果，可有效降低鉆孔對巷幫圍巖擾動。對比0.30 m常規大直徑鉆孔，當巷幫淺部采用0.10 m小直徑階梯型鉆孔時，巷道頂板最大下沉量減少約70%，鉆孔側巷幫水平位移量減少約63%，更有利于控制巷道穩定性。

2) 對于階梯型卸壓孔，巷幫淺部小直徑段的孔徑不宜大于0.10 m，鉆孔長度應小于巷幫圍巖應力降低區的寬度；巷幫深部大直徑段的孔徑宜大于0.30 m，鉆孔長度應大于圍巖應力集中影響區寬度。

3) 對于單排布置卸壓孔，以0.30 m孔徑為例，當孔間距小于1.00 m時，孔間巖體塑性破壞能完全貫通，整體卸壓效果明顯。