济三矿大直径钻孔卸压措施的研究与应用.pdf

2 0 0 7 年 第5 期 东 瞧差 斜技 6 7 济三矿大直径钻孔卸压措施 的研究与应用 陈本华 兖矿集团公 司济宁三号煤矿， 山东 济宁2 7 2 0 6 9 摘 要2 0 0 5年7月 1 0日开始按照2 m一组、 一组两个 6 9 1 1 5 m m钻孔的要求进行大直径钻孔卸压施工， 在工作面轨顺共施工 钻孔3 2个。在使用大钻孔卸压施工后， 于2 0 0 5 年 7月 1 9日中班， 开始对轨顺进行钻屑法检测， 测得煤粉量的较大值出现在煤 体深部 ， 减缓 了冲击危 险。 关键词 大直径钻孔 煤层压 力 卸压 措施 研 究应用 1 钻子 L 卸压半径的数值模拟研究 采用煤体钻孔可以释放煤体中聚集的弹性能， 消除应力 升高区。应用 R P A软件计算分析不同煤层强度、 不同煤层 压力 垂压 、 不同孔径条件下钻孔破坏半径的变化规律。通 过回归分析得出了钻孔破坏半径与煤层强度、 煤层压力 垂 压 和钻孔直径之间的关 系。 1 ． i 不 同条件下开孔 的数值模 拟 应力 条件 选取在 5～2 5 M P a ， 钻孔直径 选取 1 2 0 m m、 2 0 0 m m、 3 2 0 m m、 4 0 0 m m四种， 煤体强度为 3 ～1 7 M P a 。单元的 尺寸为2 0 2 0 m m， 选取煤体的力学参数如表 1 。 表 1 模型基本参数 岩体 弹性模量 抗压强度 泊松 比 压拉 t 性 质 均值度 平均值 数{ 直 指标 M P a 均值度 均值度 平均值 C ／ T I M P a I 煤体 l O 4 0 0 0 l O 3 ～l 7 l 0 0 0 ． 3 1 0 1 0 ． 3 钻孔开孔后， 孔径两边应力集中， 孔周围破坏， 在不同条 件下出现不同的破坏范围， 用破坏半径来衡量。煤层强度 5 M P a ， 垂压 I O M P a ， 钻孔孔径不同的横向破坏半径、 声发射示 意图如 图 1 。 通过以上数值模拟可知在煤层强度和煤层垂压一定的 条件下 ， 钻孔破坏半径随着孔径 的增大而增大 。 a 煤 层强度 5 M P ； ，垂压 I O g P a 孔径1 2 0 m m ，加裁步7 ／ 1 3 b 煤层强度5 M P a ，垂压l o N P a 孔径2 13 o m，加栽步7 ／ 1 3 圈 c 煤层强度5 M P a ，垂压 I O M P a 孔径 3 2 O眦 ，加栽步7 ／ l 3 d 攫层强度5 g P a ，垂压1 P a 孔径4 0 0 m m．加载步7 ／ l 3 图1 钻孔孔径不同的横向破坏半径声发射示意图 1 ． 2 卸压钻孔破坏半径模拟总结 经分析得 出如下规律 1 钻孔周 围破 坏半径随着垂 压 的增大而增大； 2 随着煤层强度的提高， 钻孔破坏半径呈减 小趋势； 3 钻孔直径越大， 卸压效果越好。 2 卸压钻孔合理间距的数值模拟 以 2 0 o m m的成孔直径作为模拟的基础，在检测出有冲 击危险的高应力区实施卸压钻孔时， 相当于煤体垂直应力为 3 0 M P a ， 这里以3 0 MP a 为标准计算， 因为在应力更高时， 同样 能取得更好的对煤体的软化效果。 0． 7 0． 6 0． 5 饪0 ． 2 0 ． 1 O 图4 巷道底板破坏接近程度曲线 通过计算， 巷道两帮内移比较严重， 底鼓次之， 而顶板下 沉量最小， 两帮内移量为 4 9 6 m m， 底鼓量为 1 6 4 m i l l ， 顶板下沉 量为 1 0 6 n m a ， 这一计算结果与巷道实际变形观测一致。巷道 易破坏的部位主要是在两帮煤层处， 这是由于煤层强度较 低， 在高应力作用下， 易产生塑性破坏， 造成鼓出变形。 4结论 1 在破碎区中进行锚喷支护， 增强了围岩强度， 保证了 围岩的整体性 ； 但是， 一旦改变原有三维平衡 ， 在临空面的影 响下， 处于破碎硬岩间的胶结体由于较弱的抗拉强度而首先 破坏。 2 从观测数据结果可以看出， 加固后的巷道围岩强度 有明显提高， 并且作为一种复合材料， 与原岩相 比， 其变形破 坏规律也有所不同。 作者简介董希武男， 1 9 6 4一 ， 毕业于山东电视大学 工业与民用建筑专业， 专科， 现任职于济南市英雄山建筑安 装工程有 限公司。 维普资讯 6 8 童 撼差 舛技 2 0 0 7 年 第5 期 2 ． 1 在煤体中的垂直应力为3 0 M P a时 图2 1 为煤体高度为3 m， 模型宽为6 m， 在模型上形成 直径为 2 0 0 ra m的两个钻孔 ， 钻孔问距为 3 m， 垂直应力 为 3 0 M P a 时钻孔后不再加载煤体中的破坏情况。 图2 2为煤体高度为3 m， 模型宽为 8 m， 在模型上形成 直径为 2 0 0 ra m的两个钻孔， 钻孔 间距为 4 m， 垂直应力为 3 0 M P a 时钻孔后煤体中的破坏情况。从图上可以看出， 当钻 孔间距为 4 m时， 在每个钻孔一侧形成了 1 m多的破碎区， 但 在两个钻孔中间出现了煤体未破坏的区域， 说明卸压区未能 贯通， 因而不能达到卸压的要求， 所以不能采用 4 m及 4 m以 上的钻孔间距。 一 一 图2 - 1 图2 - 2 主 善匦噩一 l l 1 2 1 31 4l 5l 6 171 8 1 9 l1 0 l l 】 l 控l Bl H1 l 5 l l 6 l l 7 l 1 8 l l 9 l 1 2 l 2 l I 丑1 西l 2 4 1 2 5 l 2 6 1 2 7 l 拐l l 单元号 图 23 图 2 3为钻孔前后煤体中部剖面上的应力变化情况， 从图中可以看出， 在钻孔前煤体中的平均应力为 3 0 MP a ， 钻 孔后应力瞬间下降到平均 1 2 ． 0 3 MP a 。从破坏形态及应力变 化可得出 每一个钻孔周围形成一个比钻孔直径大得多的破 碎区， 这些破碎区互相连通后， 使岩体钻进剖面全部破裂起 到了卸压作用 。 2 ． 2 在煤体中的垂直应力为2 0 M P a时 图2 4为煤体高度为 3 m， 模型宽为5 m， 在模型上形成 直径为 2 0 0 ra m的三个钻孔， 钻孔间距为 2 m， 垂直应 力为 2 0 M P a 时钻孔 。 一一 图2 - 4 图2 - 5 此时模拟的是在较低应力条件下施工卸压钻孔， 在受到 不断升高应力作用时钻孔周围的破裂情况。及在钻孔后对 模型继续加载， 情况下煤体中的破坏情况。 图2 5为煤体高度为3 m ， 模型宽为 6 m， 在模型上形成直 径为 2 0 0 1 ／ lm的两 个钻孔 ， 钻孔间距为 3 m， 垂直 应力为 2 0 M P a 时钻孔， 然后对模型继续加载情况下煤体中的破坏情况。 从图2 6应力变化情况看， 在 2 0 M P a 钻孔时模型应力 稍微下降， 当继续加载时应力有所升高， 但很快模型发生破 坏， 应力下降到 1 1 M P a 。从破坏形态上来看， 在钻进剖面上形 成了贯通的破坏区， 可满足卸压的要求。 3 O _2 0 1 0 O 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 21 2 3 2 5 2 7 2 9 31 3 3 35 3 7 3 9 iI 加载步 图 26 综合以上对大直径卸压钻孔参数的理论研究及数值模 拟， 可以确定如下参数 钻头直径为 9 5 n ma l l 5 m m， 在高应力 区解危时， 钻孔间距为3 m； 对预测可能出现危险的地点预先 施工钻孔卸压时， 钻孔间距为 2 m。 3 钻孑 L 卸压措施的应用 i 5 0 卜。 。 F ， 断层 F ，‘ 断层 _I ～ 十 图 3 轨顺断层附近 卸压钻孔布置示意 图 3 ． 1 在 1 6 3 0 2综放面轨顺煤帮卸压中的应用 在工作面内的断层区域， 对 6 5 ． O m范围内的危险区域实 施大直径 1 1 5 n ma 钻孔卸压 图 3 ， 钻孔距离底板 1 ． 2一 1 ． 3 m， 钻孔深度 1 8 ． O m， 仰角03 。 。对于断层上盘钻孔间距 取 1 ． 2 ～1 ． 3 m； 对于断层下盘， 钻孔间距取 5 ． O m。在工作面 推进到距离断层 8 O ． O m前进行 ， 取得了较好的效果。 3 ． 2 在 6 3 T o 3综放面轨顺卸压中的应用 2 0 0 5年 7月 1 0日开 始按 照 2 m一组 、 一组两 个 1 1 5 m m 钻孔的要求进行大直径钻孔卸压施工， 在工作面轨顺共施工 钻孔3 2个。在使用大钻孔卸压施工后， 于2 0 0 5年7月 1 9日 中班， 开始对轨顺进行钻屑法检测 ， 测得煤粉量的较大值出 现在煤体深部， 减缓了冲击危险。 3 ． 3 根据巷道掘进期间钻屑量超标而出现冲击危险的情况 为了避免 6 3 0 4 综放面初 采阶段因采动应力叠加 而出 现更大的冲击危险， 在 6 3 T o 4 安装工作面之前， 于2 0 0 6年 8 月 1 0日至9月 1 6日对 6 3 _F o 4轨顺 4 7 0 m范围内， 按照 5 m一 个 西 l 1 5 n m a 钻孔的要求进行卸压施工， 共施工钻孔 9 6 个。工 作面初采期间经严格检测未再发现冲击危险。 4 钻子 L 卸压措施的评价 钻孔卸压能把钻孔深入到高压带， 卸压效果好， 而且压 力愈高， 卸压效果越好。该方法适用于各种煤层及恶劣的开 采条件 ， 此外钻孔排出的煤粉量还可作为评价危险程度和卸 压效果的指标。在应用综放开采的条件下 ， 防治冲击需要在 巷帮形成宽度较大的保护带， 钻孔卸压措施可深入煤体 l O m 以上， 满足卸压需求。 缺点是对专用卸压钻机要求较高， 卸压孔施工耗费工时 大， 有时出现煤粉量异常增加， 卡死钻杆， 不能钻进等问题。 作者简介陈本华i 1 9 6 8 一 男， 山东省曹县人， 现在济宁三号 煤矿， 长期从事矿压与冲击地压技术工作， 发表学术论文多篇。 维普资讯