郭忠華

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

孤島工作面是指準(zhǔn)備回采的工作面周圍均為采空區(qū)或工作面順槽兩側(cè)均為采空區(qū)的工作面，由于煤體周圍頂板失去支撐，具有應(yīng)力高度集中的特點(diǎn)[1]。布置巷道進(jìn)行孤島煤柱的開采時(shí)，普遍出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道難以維護(hù)的特征，而單純加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度不能從根本上解決巷道大變形問題且會(huì)使支護(hù)成本高昂[2]。近年來，許多學(xué)者對孤島工作面開采覆巖破斷、應(yīng)力演化和降載減沖進(jìn)行了大量研究，提出分層開采和加強(qiáng)監(jiān)測等防治沖擊技術(shù)，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(yīng)力環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，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(yīng)力環(huán)境，釋放或轉(zhuǎn)移巷道應(yīng)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(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，研究了鉆孔卸壓機(jī)理和鉆孔參數(shù)，提出孤島工作面巷道鉆孔卸壓技術(shù)，為高應(yīng)力條件下巷道圍巖控制提供參考。

1 生產(chǎn)地質(zhì)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(yùn)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?shù)装鍘r性見表1.

表1 煤層頂?shù)装鍘r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(shù)值模型，得到如圖1所示的垂直應(yīng)力分布曲線。殘留煤體在兩側(cè)回采后，煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力整體呈“馬鞍形”，兩側(cè)大致對稱分布。從煤柱一側(cè)分析，回收煤柱邊緣距采空區(qū)0～5 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，峰值位置距采空區(qū)邊界11 m，峰值的大小為24 MPa，應(yīng)力增高區(qū)為5～50 m，原巖應(yīng)力區(qū)為50～150 m.

圖1 孤島工作面垂直應(yīng)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(nèi)形成應(yīng)力升高區(qū)，布置的回采巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中，出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大變形失穩(wěn)，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度不能從根本上解決支護(hù)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(yīng)力環(huán)境。

2 高應(yīng)力巷道鉆孔卸壓機(jī)理

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

數(shù)值模擬對卸壓鉆孔布置前后，工作面前方應(yīng)力分布研究，如圖2所示。

圖2 順槽巷道卸壓鉆孔對煤體應(yīng)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(jìn)行受力分析，由彈塑性理論可計(jì)算出孔周邊的應(yīng)力分布和塑性區(qū)半徑R[7-8]：

(1)

(2)

式中：σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為切向應(yīng)力，MPa；τrθ為剪應(yīng)力，MPa；q為原巖應(yīng)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(nèi)聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，°.

由式(1)，式(2)可知，在煤體內(nèi)布置鉆孔后，鉆孔周圍的切向應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為2～3，而鉆孔周邊的煤體徑向應(yīng)力為0，為單向壓縮狀態(tài)。當(dāng)煤體所受的應(yīng)力達(dá)到煤體的極限強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生破壞，這時(shí)鉆孔周邊的圍巖處于塑性狀態(tài)；隨著距孔距離的增加，煤體逐漸變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，煤體的抗壓強(qiáng)度逐漸增加；在半徑R處，煤體又處于彈性狀態(tài)。

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

3 卸壓孔徑參數(shù)的優(yōu)化研究

采用FLAC3D數(shù)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(yīng)力分布和變形特征，得到最優(yōu)卸壓鉆孔參數(shù)。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(zhǔn)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(yīng)力分布進(jìn)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(jìn)運(yùn)輸巷道，巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中，無卸壓鉆孔時(shí)，巷道圍巖0～3 m內(nèi)垂直應(yīng)力達(dá)到20 MPa；在巷道兩幫布置卸壓鉆孔時(shí)，圍巖應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，淺部圍巖普遍處于低應(yīng)力區(qū)，垂直應(yīng)力為5 MPa；鉆孔長度越大，卸壓后應(yīng)力峰值點(diǎn)距巷幫越遠(yuǎn)，但鉆孔長度達(dá)到12 m后，巷道淺部圍巖應(yīng)力變化不大。

圖3 不同卸壓鉆孔長度下巷道垂直應(yīng)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(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢。當(dāng)鉆孔長度為5～6 m時(shí)，達(dá)到最大值360 mm和510 mm；在長度10 m時(shí)，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(xiàn)先減小后增大的趨勢；在鉆孔長度8 m時(shí)，達(dá)到最小值330 mm.由上述分析可知，卸壓鉆孔長度為8～10 m時(shí)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(yīng)力的影響

當(dāng)卸壓鉆孔長度為10 m時(shí)，分析單排鉆孔、間距1.2 m和0.6 m時(shí)的巷道圍巖垂直應(yīng)力和變形情況，如圖5所示。隨著卸壓鉆孔數(shù)量的增多、鉆孔間距的減小，巷道淺部圍巖垂直應(yīng)力明顯減小，應(yīng)力降低區(qū)范圍明顯增大，巷道處于較好應(yīng)力環(huán)境。這是因?yàn)殂@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(yīng)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(guān)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(shí)，底鼓量達(dá)到最小250 mm；巷幫變形量隨鉆孔間距的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在鉆孔間距1.2 m時(shí)，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(shí)，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(yīng)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(yīng)力峰值及峰值點(diǎn)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(yīng)力峰值及峰值點(diǎn)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(shí)，垂直應(yīng)力為45 MPa，峰值點(diǎn)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(shù)模擬結(jié)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(yīng)用效果實(shí)測

4.1 鉆機(jī)及鉆具

選用ZY-150型鉆機(jī)，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(gè)鉆孔，呈三花型布置[15]?？咨畈恍∮?0 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(yùn)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(jù)卸壓鉆孔參數(shù)和布置方式，9207工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，布置測站對巷道變形進(jìn)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(shí)間的推移，頂板下沉量雖然繼續(xù)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??；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(yīng)力環(huán)境，巷道圍巖變形較小，處于有效控制狀態(tài)。

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

5 結(jié)論

1) 高應(yīng)力下卸壓鉆孔被壓碎，相連形成破碎區(qū)，釋放能量的同時(shí)向巷道深部圍巖轉(zhuǎn)移能量，降低了煤層的脆性和儲(chǔ)存彈性能的能力，減少了局部應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)了卸壓作用和高應(yīng)力轉(zhuǎn)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(shí)，礦壓顯現(xiàn)緩和，為最優(yōu)參數(shù)。

3) 提出卸壓鉆孔施工工藝，現(xiàn)場驗(yàn)證卸壓后巷道圍巖變形量較小，實(shí)現(xiàn)有效控制，卸壓鉆孔具有良好釋能卸壓作用。