潘俊鋒，閆耀東，馬宏源，鄔 迪，劉少虹

( 1. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；4. 煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013 )

隨著我國煤炭資源開采深度和強度不斷加大，沖擊地壓災(zāi)害時有發(fā)生，其防治工作十分重要[1-5]。由于煤層大直徑鉆孔卸壓防治沖擊地壓的方法具有眾多優(yōu)勢，因此在我國煤礦應(yīng)用十分廣泛，而在同一礦井防沖方法中大直徑卸壓鉆孔工程量占比達70%以上[6-11]。

國內(nèi)學(xué)者對大直徑鉆孔卸壓技術(shù)的研究很多，朱斯陶[12]等在新巨龍煤礦的實際應(yīng)用中為獲取合理的鉆孔卸壓參數(shù)，提出采用能量耗散指數(shù)法進行計算；蘭永偉[13]等利用數(shù)值模擬的方法分析了鉆孔孔徑、間距以及煤巖體應(yīng)力對卸壓效果的影響；史慶穩(wěn)[14]等結(jié)合孟村煤礦的具體條件，論證了最優(yōu)施工參數(shù)下的鉆孔卸壓防沖效果；李金奎[15]等用ADINA模擬了小煤柱應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓效果，得出了鉆孔周圍位移與應(yīng)力分布變化規(guī)律；李國宏[16]等提出了卸壓鉆孔技術(shù)，并在實際應(yīng)用中證明了采用此種方法能夠彌補高壓注水和震動爆破措施的缺陷；王猛[17]等分析了深部巷道鉆孔卸壓機理，提出以應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果及圍巖變形控制效果作為卸壓效果的直接評價指標(biāo)，初步將卸壓程度分為非充分卸壓、充分卸壓和過度卸壓3類；馬振乾[18]等研究了鎖腿錨桿與卸壓鉆孔實施前后U型鋼支架的載荷分布規(guī)律及巷道變形特征；李永和[19]應(yīng)用光彈試驗對圓形與梯形巷道進行了大量的孔群卸壓自承圍巖結(jié)構(gòu)體系的模擬試驗研究；劉紅崗[20]等研究認為合理布置的卸壓孔可以導(dǎo)致巷幫圍巖的結(jié)構(gòu)性預(yù)裂破壞，從而使圍巖高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

以上研究在指導(dǎo)沖擊地壓礦井安全生產(chǎn)方面具有重大意義，但受制于技術(shù)水平的發(fā)展，大直徑鉆孔一次成孔孔徑普遍不超過150 mm，其在卸壓方面仍存在不足：卸壓半徑小、應(yīng)力恢復(fù)快、中硬及以上煤層不塌孔起不到卸壓作用等，致使對沖擊地壓的高效防控難以實現(xiàn)。為了實現(xiàn)誘發(fā)沖擊啟動的煤層基礎(chǔ)靜載荷的消除，筆者在煤層大直徑鉆孔卸壓作用機制研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了一次成孔300 mm直徑鉆進技術(shù)裝備，并在耿村煤礦開展了一次成孔300 mm直徑鉆孔防沖效能試驗研究，試驗結(jié)果表明，防沖效果提升顯著。

1 煤層大直徑鉆孔卸壓作用機制

1.1 大直徑鉆孔卸壓防沖理論基礎(chǔ)

如圖1所示，煤層巷道開挖后，在巷道兩幫煤體形成側(cè)向應(yīng)力集中，以右?guī)蜑槔涀匀恍纬蓱?yīng)力曲線為σg，其峰值為σgmax；記煤層大直徑鉆孔施工后形成的應(yīng)力曲線為σxg，其峰值為σxgmax?，F(xiàn)場實測驗證表明，σxgmax＜σgmax。

圖1 巷幫大直徑鉆孔卸壓前后應(yīng)力曲線示意Fig. 1 Schematic diagram of stress curves before and after pressure relief of large diameter borehole in roadway side

如圖2所示，沿巷道走向，即工作面推進方向可將煤體中應(yīng)力狀態(tài)分為3種情況，自左至右分為3個區(qū)：① 卸壓區(qū)：煤層采取了大直徑鉆孔卸壓，由于相鄰鉆孔的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致鉆孔施工區(qū)域應(yīng)力向煤層深部轉(zhuǎn)移，此處形成卸壓區(qū)，最大應(yīng)力為σxgmax；② 原壓區(qū)：緊鄰卸壓區(qū)，由于沒有采取任何卸壓措施，該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)為巷道開挖后自然形成的應(yīng)力集中曲線，最大應(yīng)力σgmax=σxgmax，這兩個應(yīng)力峰值處于相等狀態(tài)；③ 增壓區(qū)：此區(qū)域為工作面回采擾動區(qū)域，由于工作面采空區(qū)頂板懸頂，在工作面煤壁前方形成較高的彎曲彈性能，形成應(yīng)力集中曲線，并且隨著工作面推進，不斷向前移動，因此把該曲線記作σy，最大應(yīng)力為σymax。在工作面推進過程中，移動的增壓區(qū)分別與固定的原壓區(qū)、卸壓區(qū)應(yīng)力疊加。

圖2 工作面推進方向煤層卸壓前后應(yīng)力曲線示意Fig. 2 Stress curve of coal seam before and after pressure relief in the advancing direction of working face

如果僅僅關(guān)注最大應(yīng)力值，由于σxgmax＜σgmax，因此σxgmax+σymax＜σgmax+σymax，因此大直徑鉆孔卸壓區(qū)域起到了降低應(yīng)力疊加強度，從而防治沖擊地壓的目的。

1.2 鉆孔直徑卸壓作用機制

在煤體中打鉆孔后會在鉆孔圍巖中發(fā)生應(yīng)力重新分布并在巷道圍巖淺部出現(xiàn)塑性破壞區(qū)( 圖3[21])，巷道兩側(cè)切向應(yīng)力增高所導(dǎo)致的支承壓力區(qū)即為沖擊危險區(qū)域。

圖3 圓形巷道圍巖彈塑性應(yīng)力分布[21]Fig. 3 Elastoplastic stress distribution of surrounding rock of circular roadway[21]

圖3中，P0為煤體的初始應(yīng)力；σθp為鉆孔周圍塑性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力；σθe為彈性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力；σrp為鉆孔周圍塑性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力；σre為鉆孔周圍彈性區(qū)內(nèi)的徑向應(yīng)力。

在平面應(yīng)變條件下，由彈塑性力學(xué)理論分析，巷道圍巖塑性區(qū)半徑Rph的計算式[14]為

鉆進鉆孔后，將在鉆孔孔壁周邊形成彈塑性分區(qū)，形成的塑性區(qū)半徑計算式[14]為

式中，zr為鉆孔半徑；pr為鉆進后鉆孔側(cè)向垂直應(yīng)力。

由此可知，沿鉆孔的鉆進方向鉆孔周圍塑性區(qū)半徑的變化規(guī)律[14]為

式中，r為該點至巷道圓心的距離。

由式( 3 )可以發(fā)現(xiàn)，沿鉆孔的鉆進方向鉆孔周圍塑性區(qū)半徑Rpz與鉆孔半徑zr呈正相關(guān)，即鉆孔半徑越大，鉆孔周圍塑性區(qū)半徑越大。前文卸壓區(qū)能起到防沖功能的特征主要表現(xiàn)在卸壓鉆孔產(chǎn)生了大量的塑性區(qū)，因此，增大鉆孔直徑可以增大塑性區(qū)范圍，從而增強防沖卸壓效果。

2 一次成孔300 mm直徑鉆進技術(shù)裝備研發(fā)

由前文可知，煤層鉆孔直徑越大，防沖效果越好，然而受現(xiàn)有設(shè)備能力及作業(yè)風(fēng)險制約，我國大直徑鉆孔直徑不超過150 mm，對于陜、蒙等省(自治區(qū) )較硬煤層難以做到及時卸壓，沖擊地壓隱患極大。為此，筆者課題組在國家重點研發(fā)計劃資助下，首創(chuàng)研制一次成孔300 mm煤層大直徑遠控鉆機及其配套鉆進工藝。要求回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不小于20 kN·m、一次成孔直徑不小于300 mm、成孔深度不小于80 m、自動裝卸鉆桿時間不超過60 s、井下遙控距離不小于800 m，其目前適用于煤層單軸抗壓強度大于20 MPa，常規(guī)直徑150 mm鉆孔不易塌孔的堅硬煤層卸壓。

研發(fā)關(guān)鍵點包括解決同時滿足20 kN·m鉆機超大轉(zhuǎn)矩、160 kW大功率與1.4 m履帶車體小寬度、小體積之間的矛盾；同時滿足鉆機液壓操縱臺控制( 近控 )、遙控器無線遙控( 近距離遙控 )與煤礦井下800 m遠程控制( 遠距離線控 )3種鉆機操作方式；每種控制方式均具備緊急停機按鈕，鉆機操作安全性高。

2.1 大轉(zhuǎn)矩窄機身

針對以上研究目標(biāo)，開發(fā)了ZDY20000LK超大扭矩鉆車，如圖4所示，采用整體式結(jié)構(gòu)，由主機、動力泵站、電磁啟動器、履帶車體、穩(wěn)固裝置、防爆電控箱等組成。主機、動力泵站、操縱臺之間通過高壓膠管連接，形成鉆機液壓系統(tǒng)主要回路，鉆車各部分通過螺栓安裝在履帶車體上，結(jié)構(gòu)緊湊，便于井下搬遷運輸。鉆機行走時的寬度尺寸在1.4 m以內(nèi)，仰俯角可在0°～20°范圍內(nèi)自動調(diào)整，滿足全斷面鉆孔施工要求；鉆機主機給進行程達到1.4 m，在施工卸壓鉆孔時，可使用長度為1 m的鉆桿進行中間自動加桿。

圖4 鉆車結(jié)構(gòu)示意Fig. 4 Structure diagram of drilling rig

2.2 自動裝卸機械手

上桿裝置由機械手和推移裝置兩大部分組成，上裝鉆桿時，機械手處于210°位置，機械手活動抓手張開，吊裝裝置將螺旋鉆桿吊裝在推移裝置上，推移油缸缸桿伸出將鉆桿軸向頂齊，然后抓手油缸缸桿縮回，活動抓手抓緊鉆桿逆時針行走210°至水平位置，夾持器夾緊鉆桿，回轉(zhuǎn)器主動鉆桿向鉆進方向移動至鉆桿母扣連接，插緊U型銷，然后機械手活動抓手松開，順時針旋轉(zhuǎn)210°至起始位置，等待下次抓取鉆桿，至此完成一次鉆桿的自動上裝，卸桿與上桿順序正好相反。上桿裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動裝卸鉆桿裝置Fig. 5 Automatic drill pipe loading and unloading device

2.3 一次成孔300 mm大直徑鉆桿、鉆頭

配合鉆進工藝，研發(fā)了大直徑高螺旋鉆桿，螺旋鉆桿在鉆進過程中，除傳遞扭矩外，還要刮切、排出鉆孔內(nèi)的巖煤粉，使鉆進得以正常進行。因此，對超大直徑螺旋鉆桿的要求是：要有足夠的抗扭強度，插接方便，且連接部分不妨礙巖煤粉的排出。鉆桿螺旋翼片外圓直徑為260 mm，鉆桿芯桿直徑為114 mm，鉆桿有效長度1 000 mm，通過六方插接，可傳遞正反兩個方向的轉(zhuǎn)矩，處理塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故( 圖6 )。

圖6 φ 260/114 mm窄葉片插接式螺旋鉆桿Fig. 6 φ 260/114 mm narrow blade plug-in spiral drill pipe

為了實現(xiàn)一次成孔300 mm大直徑鉆孔，如圖7所示，鉆頭采用3/6翼PDC塔式結(jié)構(gòu)，鉆頭一級直徑為160 mm，布置了3組翼片，主要作用為先導(dǎo)孔的施工；鉆頭二級直徑為300 mm，布置了6組翼片，在先導(dǎo)孔基礎(chǔ)上實現(xiàn)300 mm直徑鉆孔鉆進。

圖7 φ 300 mm PDC3/6翼鉆頭Fig. 7 φ 300 mm PDC3/6 wing bit

2.4 遠程遙控系統(tǒng)

為了實現(xiàn)煤幫大直徑卸壓鉆孔遠距離控制與施工，提高鉆機的自動化程度與鉆場操作人員的安全性，研制了基于煤礦井下鉆機800 m遠程控制系統(tǒng)( 以下簡稱控制系統(tǒng) )。控制系統(tǒng)是由主控系統(tǒng)、音/視頻系統(tǒng)和遠程通信系統(tǒng)3部分構(gòu)成，其中主控系統(tǒng)與音/視頻系統(tǒng)共用一個遠程通信系統(tǒng)。主控系統(tǒng)是由傳感檢測和運動控制兩部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，傳感檢測單元可以實現(xiàn)鉆機位置、位移、壓力、溫度以及液位等狀態(tài)參數(shù)的實時檢測，可以為司鉆人員提供實時可靠的數(shù)據(jù)；運動控制部分可以通過遙控器實現(xiàn)鉆機穩(wěn)固、調(diào)角、行走以及打鉆等執(zhí)行動作的控制，同時還可以實現(xiàn)手動打鉆、自動上卸桿、點動打鉆以及自動打鉆等功能，滿足鉆機在井下多種工況條件下的施工。音/視頻系統(tǒng)提供控制系統(tǒng)圖像和對講功能，遠程通信系統(tǒng)為主控和音視頻系統(tǒng)提供遠程通信，便于實現(xiàn)800 m遠程操作。

鉆機操作人員坐在變電站硐室一邊觀察計算機上的四畫面鉆機視頻圖像一邊進行打鉆作業(yè)，如圖8所示。

圖8 鉆機遠控操縱臺Fig. 8 Remote control console of drilling rig

根據(jù)現(xiàn)場測試和使用情況來看，1 000 m遠程司鉆遙控器與鉆機通信順暢，無掉線情況；鉆機工作過程流暢，視頻圖像也運行平穩(wěn)，無卡頓和閃屏的情況發(fā)生，圖9為鉆機四畫面的工作照片。

圖9 遠控操縱臺四畫面顯示Fig. 9 Four screen display of remote control console

3 一次成孔300 mm直徑鉆孔防沖效能試驗

3.1 試驗區(qū)域概況

耿村煤礦位于義馬礦區(qū)的中西部，為沖擊地壓礦井。300 mm大直徑卸壓鉆孔試驗地點位于耿村煤礦13采區(qū)最南部，膠帶下山與五通道交叉口處，如圖10所示。該區(qū)域煤厚平均16.5 m，傾角平均10°，采深650 m，頂板存在約335 m厚礫巖。由于埋深大、頂板堅硬，與F16-1斷層相鄰，沖擊危險性評價結(jié)果為具有強沖擊危險性。

圖10 大直徑卸壓鉆孔試驗地點平面Fig. 10 Plan of large diameter pressure relief drilling test site

3.2 試驗方案

3.2.1鉆孔方案

現(xiàn)場試驗位于13采區(qū)膠帶下山與五通道交叉口的東側(cè)煤幫。計劃在此分兩區(qū)域共實施鉆孔6個，偏南側(cè)區(qū)域間距0.6 m施工3個，偏北側(cè)區(qū)域間距1.0 m施工3個，其施工設(shè)計平面如圖11所示。

圖11 卸壓鉆孔及探測孔布置Fig. 11 Layout of pressure relief drilling and detection holes

試驗鉆孔最大孔深81 m，有效總進尺207 m，開孔位置為幫部距底板1.5 m處，孔徑300 mm，傾角為0°～-3°，方位角為0°( 正東方向 )、孔間距為0.6～1.0 m。鉆孔采用干式大螺旋排粉的施工方式。

3.2.2效果探測方案

鉆孔卸壓后周圍煤巖體破裂產(chǎn)生裂隙，當(dāng)電磁波在煤體傳播過程中通過結(jié)構(gòu)面及破裂帶后產(chǎn)生衰減，煤巖體破壞程度越高對電磁波的吸收系數(shù)越高，進而電磁波衰減越顯著。文獻[22]中對電磁波CT探測評價沖擊危險性的原則進行了總結(jié)：在支護區(qū)內(nèi)，巷道圍巖完整性越好，其抵抗沖擊能力越強，沖擊危險性越低；在支護區(qū)外，深處圍巖完整性越差，表明其卸壓越充分，沖擊危險性越低。

300 mm大直徑鉆孔卸壓電磁波CT探測區(qū)域如圖11所示，北側(cè)①號測區(qū)卸壓鉆孔間距1.0 m，探測孔間距8.3 m；南側(cè)②號測區(qū)卸壓鉆孔間距0.6 m，探測孔間距7.1 m。此次探測為獲取大直徑鉆孔的卸壓效果與其孔徑及孔間距的關(guān)系，在上述試驗區(qū)域之外又設(shè)置一組間距1.0 m，孔徑150 mm的卸壓鉆孔作為③號測區(qū)與此試驗進行對比，其中探測孔間距為15 m。以上3個探測區(qū)域共設(shè)置5個探測鉆孔，探測孔方位角、傾角與各自對應(yīng)卸壓鉆孔相應(yīng)參數(shù)保持一致，以①號、②號測區(qū)為例，探測孔具體施工參數(shù)詳見表1。

表1 ①～②號測區(qū)探測孔具體參數(shù)Table 1 Nos. ①～② area probe hole specific parameters

3.3 鉆孔卸壓效果分析

現(xiàn)場試驗于2021年6月16至29日進行。由于煤層硬度系數(shù)較大，卸壓鉆孔施工過程中轉(zhuǎn)速控制在80 r/min，給進壓力控制在2 MPa以內(nèi)，回轉(zhuǎn)壓力為8～14 MPa，平均鉆進速度約為10 min/m。

圖12～13分別為煤幫300 mm大直徑鉆孔井下試驗和孔徑照片。

圖12 煤幫300 mm大直徑鉆孔井下試驗Fig. 12 Coal sidewall 300 mm large diameter downhole test

圖13 鉆孔孔徑照片F(xiàn)ig. 13 Borehole diameter photos

在施工過程中伴隨有聲音較為洪亮的煤炮聲，證明應(yīng)力釋放明顯，同時在粉末狀鉆屑中夾雜有大顆粒煤塊，局部鉆孔出現(xiàn)塌孔跡象。由于采用大螺旋插接式鉆桿和大直徑鉆頭鉆進技術(shù)及裝備，充分發(fā)揮了大螺旋插接式鉆桿的排渣和處理孔內(nèi)事故的能力。圖14為鉆孔內(nèi)排出的大顆粒煤塊。

圖14 鉆孔排出的大顆粒煤塊Fig. 14 Large granular coal discharged from borehole

利用電磁波CT探測結(jié)果可對煤幫沖擊危險性進行定量化分級[23-25]：① 危險指數(shù)＜0.25，無沖擊危險；② 危險指數(shù)0.25～0.50，弱沖擊危險；③ 危險指數(shù)0.50～0.75，中等沖擊危險；④ 危險指數(shù)＞0.75，強沖擊危險。

3.3.1300 mm大直徑鉆孔卸壓效果分析

由300 mm大直徑鉆孔卸壓前的CT探測結(jié)果( 圖15 )可知，( 1 ) 在煤幫支護區(qū)內(nèi)( ＜3 m )，①號測區(qū)中有接近5.25 m2的中等沖擊危險區(qū)域及2.25 m2的強沖擊危險區(qū)域，其位置在探測區(qū)域水平方向1.5～4.8 m，豎直方向0～3 m范圍內(nèi)；②號測區(qū)中有接近1 m2的中等沖擊危險區(qū)域，其位置在探測區(qū)域水平方向2.5～3.5 m，豎直方向0.5～2.0 m范圍內(nèi)，表明巷道幫部支護區(qū)3 m范圍內(nèi)圍巖完整性較差，與掘巷完成后巷幫支承壓力轉(zhuǎn)移過程中破碎區(qū)的形成密切相關(guān)。( 2 ) 非支護區(qū)( ＞3 m )范圍內(nèi)兩測區(qū)均存在一定面積的中等沖擊危險區(qū)域，表明此處圍巖完整性較好，在巷幫應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中形成了應(yīng)力集中區(qū)。( 3 ) ②號測區(qū)相對于①號測區(qū)支護區(qū)外其整體的沖擊危險性略高，支護區(qū)內(nèi)其整體的沖擊危險性稍低，表明兩個相鄰區(qū)域在卸壓前沖擊危險性差別不大。

圖15 300 mm鉆孔卸壓前后電磁波CT對照Fig. 15 Comparison of electromagnetic wave CT before and after pressure relief in 300 mm borehole

由300 mm大直徑鉆孔卸壓后的CT探測結(jié)果可知，①號測區(qū)支護區(qū)外的3處約2.4 m2的中等沖擊危險性區(qū)域減小至約0.5 m2的面積，下降79.2%；②號測區(qū)支護區(qū)外8～12 m范圍內(nèi)4處約5.8 m2的中等沖擊危險性區(qū)域減小至約0.8 m2，下降86.2%。在①號測區(qū)支護區(qū)內(nèi)1處中等沖擊危險區(qū)域及1處高沖擊危險區(qū)域轉(zhuǎn)化為弱沖擊危險；在②號測區(qū)內(nèi)1處中等沖擊危險轉(zhuǎn)化為弱沖擊危險。

由此表明：( 1 ) 支護區(qū)外圍巖，300 mm大直徑鉆孔的施工能夠快速有效地對該范圍的煤體進行弱化，充分有效地釋放煤體內(nèi)蘊藏的彈性能，降低其沖擊危險性。而針對支護區(qū)內(nèi)圍巖，300 mm大直徑鉆孔實施后立即采取封孔措施，封孔質(zhì)量較好，有效地保護了巷道支護，加固了圍巖松動圈，使得支護區(qū)內(nèi)圍巖的沖擊危險性有所降低；( 2 ) 間距0.6 m的300 mm大直徑鉆孔的卸壓效果要優(yōu)于間距1.0 m的卸壓效果，說明縮小鉆孔間距能夠有效提升大直徑鉆孔的卸壓效果。

3.3.2150 mm大直徑鉆孔卸壓效果分析

150 mm大直徑鉆孔卸壓的電磁波CT探測結(jié)果如圖16所示。150 mm大直徑鉆孔施工前，巷幫圍巖支護區(qū)3 m范圍內(nèi)有3處中等沖擊危險性區(qū)域約5.6 m2，表明巷道圍巖支護區(qū)內(nèi)圍巖完整性差，在支護區(qū)外6～15 m范圍內(nèi)無中等沖擊危險性區(qū)域，多數(shù)為弱沖擊危險區(qū)域，及小部分無沖擊危險性區(qū)域。150 mm大直徑鉆孔施工后，巷幫圍巖支護區(qū)3 m范圍內(nèi)仍有2處中等沖擊危險性區(qū)域約2.2 m2，150 mm大直徑鉆孔卸壓前后沖擊危險性區(qū)域面積下降60.7%；支護區(qū)范圍內(nèi)外無沖擊傾向性的區(qū)域面積均有所增大，表明實施150 mm大直徑鉆孔后具有一定弱化煤巖體的效果，但其弱化能力遠不及300 mm大直徑鉆孔，支護區(qū)外的煤巖體卸壓前后弱化程度相差相對較小，故卸壓后仍具有一定的沖擊危險性。

圖16 150 mm鉆孔卸壓前后電磁波CT對照Fig. 16 Comparison of electromagnetic wave CT before and after pressure relief in 150 mm borehole

3.3.3300 mm大直徑鉆孔實施1周后卸壓效果分析

圖17為實施300 mm大直徑鉆孔卸壓1周后的電磁波CT探測結(jié)果，與圖15對比可以得出300 mm大直徑鉆孔卸壓的時效性特征。從圖17和圖15的對比可以看出卸壓1周后，①號、②號測區(qū)巷幫圍巖支護區(qū)外的中等沖擊危險性區(qū)域基本消失，此時在支護區(qū)外①號測區(qū)弱沖擊危險性區(qū)域所占面積較卸壓1周前的40.1 m2減小至4.1 m2，下降89.7%；②號測區(qū)弱沖擊危險性區(qū)域所占面積較卸壓1周前的63.7 m2減小至4.4 m2，下降93.1%；在支護區(qū)內(nèi)①號、②號測區(qū)的弱沖擊危險性區(qū)域面積分別由10.6 m2下降至1.5 m2、11.3 m2下降至1.0 m2，分別 下降85.8%、91.2%。

圖17 300 mm大直徑鉆孔施工1周后卸壓效果電磁波CT探測結(jié)果Fig. 17 Pressure relief effect of 300 mm large diameter borehole one week after construction electromagnetic wave CT detection results

由此表明：( 1 ) 在探測范圍非支護區(qū)當(dāng)實施300 mm大直徑鉆孔1周后，基本可消除其中的中等沖擊危險區(qū)域，此時②號測區(qū)間距0.6 m卸壓孔的卸壓效果比①號測區(qū)間距1.0 m卸壓效果提高3.4%；( 2 ) 在探測范圍支護區(qū)內(nèi)實施300 mm大直徑鉆孔1周時間內(nèi)②號測區(qū)間距0.6 m卸壓孔的卸壓效果比①號測區(qū)間距1.0 m卸壓效果提高5.4%。

綜合上述探測結(jié)果可知，300 mm大直徑鉆孔實施后的卸壓效果具有一定時效性。在探測范圍支護區(qū)內(nèi)外，立即實施300 mm大直徑鉆孔與實施1周后，①號、②號兩測區(qū)整體的卸壓效果一直增加，同時孔間距0.6 m的卸壓效率總是更快，體現(xiàn)在兩者在同一卸壓時間內(nèi)，鉆孔間距小的其所能弱化煤巖體的范圍總是更大。這是因為300 mm一次成孔大直徑鉆孔的成孔空間較大，當(dāng)鉆孔塌孔后，能夠在煤體內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，更為有效地弱化煤體，進而達到更高的卸壓效果。

4 結(jié) 論

( 1 ) 研制了ZDY20000LK型煤幫大直徑鉆孔卸載防沖技術(shù)與自動化裝備，試驗表明鉆機具有施工一次成孔300 mm大直徑鉆孔的能力，利用鉆機扭矩大的特點，有效避免了鉆孔事故的發(fā)生；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)可進行遠程操作，大幅提高鉆機施工自動化水平，保證了作業(yè)人員安全。

( 2 ) 大直徑鉆孔卸壓防沖效果顯著，通過電磁波CT探測技術(shù)進行效果檢驗，發(fā)現(xiàn)300 mm大直徑卸壓鉆孔的卸壓效果較好。間距1.0 m的300 mm大直徑鉆孔構(gòu)成的卸壓區(qū)其可弱化的煤巖體比例為79.2%，間距0.6 m的300 mm大直徑鉆孔構(gòu)成的卸壓區(qū)其可弱化的煤巖體比例為86.2%；間距1.0 m的150 mm大直徑鉆孔構(gòu)成的卸壓區(qū)其可弱化的煤巖體比例為60.7%。

( 3 ) 從孔徑角度來看，300 mm大直徑卸壓鉆孔弱化煤巖體的效果比150 mm大直徑卸壓鉆孔弱化煤巖體的效果提高18.5%；從孔間距角度來看，0.6 m的孔間距弱化煤巖體的效果比1.0 m的孔間距弱化煤巖體的效果提高7%，可見提高孔徑能夠更大程度地提高鉆孔卸壓的能力。

( 4 ) 從時間角度來看，施工300 mm大直徑鉆孔卸壓1周后，巷幫圍巖支護區(qū)外的中等沖擊危險性區(qū)域基本消失，弱沖擊危險性區(qū)域所占面積下降89.7%；在支護區(qū)內(nèi)2個弱沖擊危險性區(qū)域面積分別下降85.8%，91.2%?？梢?00 mm大直徑卸壓鉆孔實施1周內(nèi)卸壓效果不斷增強。