水平應力影響下底抽巷道抽采孔布設位置研究

李朋宇

（鄭煤集團工程技術研究院，河南 鄭州 450042）

煤礦瓦斯抽采不僅能減少瓦斯涌出、預防瓦斯超限，還能降低煤層中存儲的瓦斯能量，起到防治煤與瓦斯突出的作用，因此采用井下鉆孔預抽瓦斯是防治煤與瓦斯動力災害的主要措施[1-3]。但同一底抽巷道因受垂直應力和不同水平應力影響導致抽采孔出現不同程度的擠壓變形、坍塌，這極大降低了瓦斯抽采效率，嚴重限制了礦井瓦斯抽采達標進程[4-5]。所以開展不同水平應力影響下底抽巷道圍巖變形破壞規律研究，對明晰底抽巷道圍巖破碎情況，尋求最佳打鉆施工位置，從而有效提高瓦斯抽采孔使用壽命和瓦斯抽采量具有重要現實意義。

諸多學者針對巷道圍巖所處不同地應力環境下變形破壞規律開展了大量研究[6-7]，根據不同的地應力環境提出了圍巖控制方法，為研究奠定了一定基礎。在瓦斯抽采孔穩定性研究方面，部分學者對鉆孔失穩破壞機理進行分析[8-9]，并提出了相應的孔壁穩定技術措施[10]，但較少學者從底抽巷道所處不同水平應力入手，探究抽采孔打鉆較優位置的選取，從而提高抽采孔穩定性，保障瓦斯高效抽采。

該文以鄭州煤業集團告成煤礦底抽巷道為研究對象，通過建立FLAC3D模型對不同水平應力影響下底抽巷道圍巖變形破壞特征進行分析，獲得了巷道圍巖不同位置的破壞程度，通過對現場不同位置鉆孔開展的變形監測與裂紋分布監測，驗證了數值模擬的試驗結果，并基于以上研究提出了最佳鉆孔位置選取的建議對策。研究結果可為類似地質條件的工程現場提供一定借鑒。

1 數值模擬模型與步驟

1.1 數值模擬模型

根據對稱性原則，以巷道中心線為對稱軸建立FLAC3D底抽巷道數值模型，模型如圖1 所示。模型長60 m，寬60 m，高40 m，在模型中心位置開挖巷道，巷道長60 m，寬4.8 m，高3.2 m，上覆巖層單位體積質量為0.025 MN/m3，采用應變軟化力學模型并在模型的四周與底部邊界設定位移限定邊界。在模型頂部施加垂直應力，在模型四周施加水平應力以模擬不同的地應力環境。為了保證實驗模擬時巖石力學參數的真實性、模擬結果的準確性和研究的嚴謹性，采用基于Hoek-Brown 強度準則的巖體強度分析軟件Roclab，以告成煤礦巖體力學參數為基礎數據，對文中全部數值模擬部分的分析以及理論計算所涉及的巖體力學參數進行確定。模型自上而下所施加的巖體力學參數見表1。

表1 模型巖體力學參數

圖1 數值模型示意圖（m）

在現場工程中，由于同一底抽巷道所處的埋深基本保持一致，因此對于同一底抽巷道而言其受垂直應力的影響基本相同，而同一巷道所處不同位置的地質構造差異，導致水平應力對巷道圍巖的影響顯著不同。為了較好地模擬這一工程應力環境，通過對模型施加相同大小的垂直應力以及不同大小的水平應力開展底抽巷道圍巖穩定性分析。施加的垂直應力大小為15 MPa，設置的4 組水平應力大小分別為12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa。

1.2 數值模擬步驟

數值模擬具體步驟：1）根據現場工程條件建立相應尺寸和層位的數值模擬模型；2）對模型不同層位賦予不同的巖體力學參數，并在模型頂部施加上覆巖層質量，使數值模型達到自重應力作用下的平衡狀態，并得到原巖應力場；3）設置邊界條件，根據研究目的，對模型施加一定的垂直應力及不同的水平應力；4）開挖底抽巷道，平衡后得到圍巖應力重分布狀態。5）根據試驗需要提取相關巷道變形、塑性破壞等數據。

2 不同水平應力下巷道圍巖變形破壞規律

巷道圍巖變形量和破壞程度是反映巷道圍巖穩定性的重要指標，因此在數值模擬試驗后，為了實現對底抽巷道圍巖變形的監測分析，在巷道頂板從左至右均勻設置了9 個變形監測點。巷道圍巖塑性破壞程度分析主要從破壞范圍和破壞比率兩個參數進行比對，從而實現對不同水平應力下巷道圍巖變形破壞規律的定量分析。

2.1 不同水平應力下巷道圍巖變形規律

不同水平應力影響下底抽巷道頂、底板變形規律如圖2 所示。由圖2 可知，巷道頂板變形量與水平應力大小呈正相關關系，巷道頂板中心位置的變形量明顯大于兩側的變形量。當水平應力由12 MPa增長至21 MPa 的過程中，巷道頂板最大下沉量由7.17 mm 增長到29.68 mm，增加了3.14 倍。這表明在高水平應力區域下巷道圍巖破壞嚴重，因此在底抽巷道布設抽采鉆孔時，需盡可能避開高水平應力區域，以降低因圍巖破碎導致抽采鉆孔失穩破壞的風險。

圖2 不同水平應力下底抽巷道頂板變形規律

2.2 不同水平應力下巷道圍巖破壞規律

為了探究水平應力對底抽巷道圍巖破壞范圍的影響，通過提取4 個不同水平應力條件下的塑性破壞進行分析。不同水平應力下底抽巷道塑性破壞分布特征如圖3 所示。

圖3 不同水平應力下底抽巷道塑性破壞分布特征

由圖3 可知，在該工況環境下水平應力對底抽巷道圍巖塑性破壞的影響顯著，尤其是對頂板的影響十分強烈。巷道頂板的塑性破壞范圍由水平應力12 MPa時的1.54 m擴大到水平應力21 MPa時的5.91 m，破壞范圍擴大了4.37 m。

圍巖的塑性破壞比率是表明圍巖破壞程度的另一個重要因素，因此以數值模型中心位置x方向16 m 范圍、y方向10 m 范圍、z方向14 m 范圍劃定為塑性破壞比率監測區域，分析不同水平應力影響下底抽巷道的破壞規律。分析表明，在水平應力分別為12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa 時，其塑性破壞比率為14.66 %、32.44 %、38.02 %、43.75 %，在對散點進行線性擬合后獲得不同水平應力與監測區域塑性破壞比率擬合曲線（如圖4 所示），根據擬合相關系數為0.907 可以充分說明水平應力與底抽巷道塑性破壞比率呈正相關關系。

圖4 不同水平應力影響下監測區域塑性破壞比率

根據對底抽巷道圍巖變形量、塑性破壞范圍及塑性破壞比率的分析可知，水平應力是巷道圍巖變形破壞的重要影響因素之一，在同一底抽巷道中水平應力越大的區域，其圍巖變形破壞程度越大。由于垂直應力的影響，巷道頂板中心位置的變形相對較大，但水平應力的影響加劇了巷道圍巖非均勻變形破壞的程度，這致使巷道頂板中心位置的破碎程度明顯大于其兩側的圍巖。

綜上所述，在底抽巷道布設抽采孔時，需要充分考慮布孔位置，應當盡量避開同一底抽巷道水平應力較大的區域，以及與底抽巷道中心位置相鄰近的區域，這樣才能夠實現從抽采孔布孔位置的角度盡可能使得抽采孔布設在圍巖相對完整堅固的區域，保證抽采孔的相對穩定，以提高瓦斯抽采效率，延長抽采孔的使用壽命。

3 底抽巷道鉆孔變形破壞監測

為了探究不同水平應力對巷道圍巖裂紋發展規律以及穩定性的影響，采用可實現全孔壁成像的ZKXG100 礦用鉆孔成像軌跡檢測裝置對告成煤礦23031底抽巷道頂板3個不同位置的鉆孔進行窺視。

根據鉆孔距巷道頂板中心位置由遠到近的原則，分別以與水平方向呈90°、60°、45°的夾角進行鉆孔，3 個鉆孔的編號分別為R-1、R-2、R-3。為了明確鉆孔孔壁內部裂隙的發育情況，選取距離巷道表面2～3 m 范圍開展鉆孔窺視，以實現對其孔壁裂隙的分析。鉆孔窺視情況如圖5 所示。

圖5 告成煤礦23031 底抽巷道鉆孔變形窺視圖

由如圖5 可知，鉆孔R-3 的孔壁存在大量密集分布的裂隙，且裂隙寬度較大，說明巷道頂板中心位置的鉆孔周圍巖體非常破碎，且裂隙發育程度極高。鉆孔R-2 的孔壁同樣能夠明顯發現較多裂隙，其裂隙寬度相對于鉆孔R-3 而言有明顯的縮小。鉆孔R-1 的孔壁上分布著多條寬度較窄的裂隙，其他位置的鉆孔表面光滑且相對完整，說明該鉆孔的圍巖完整度較高，穩定性較好，其孔壁完整度高，僅可見少量寬度極窄的微裂隙。R-1 鉆孔是3 個觀測鉆孔中穩定性最高的一個，說明相對于其他兩個鉆孔，這一鉆孔的圍巖裂隙發育程度最低，完整度最好。因此，總結以上3 個鉆孔的窺視情況可以發現，距離巷道頂板中心位置越近的鉆孔圍巖，其裂隙發育程度越高，圍巖破碎程度越大，其穩定性就越弱。這與不同水平應力作用下巷道圍巖變形破壞規律相印證。

在瓦斯抽采作業過程中，鉆孔孔壁變形與其所在圍巖裂隙發育程度緊密相關。根據對不同水平應力條件下的圍巖變形破壞規律分析以及現場同一斷面不同位置鉆孔孔壁的變形監測，充分說明了在底抽巷道低水平應力區域及離巷道頂板中心位置稍遠部位布設抽采孔能夠保證抽采孔孔壁的相對完整、變形量相比較小、裂隙發育程度較低，是確保抽采孔高效使用、減少塌孔風險的較優布設位置。

4 結論

1）底抽巷道圍巖變形量、塑性破壞程度與水平應力大小呈正相關關系。巷道頂中心位置的變形量明顯大于兩側的變形量。

2）距離巷道頂板中心位置越近的鉆孔，其圍巖裂隙發育程度越高，破碎程度越大，穩定性越弱，其孔壁存在大量密集分布的裂隙，且裂隙寬度較大。隨著距離巷道頂板中心位置越遠，鉆孔內部裂隙分布數量、裂隙寬度皆有明顯減少。

3）在底抽巷道布設抽采孔時，應當盡可能布設在低水平應力區域及離巷道頂板中心位置稍遠部位。此處孔壁相對完整、變形量較小、裂隙發育程度較低，是確保抽采孔高效使用、減小鉆孔塌孔風險的較優布設位置。