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钻孔卸压参数研究及应用 贾传洋，韩宇超，王海龙，刘珂铭，于献彬 临沂大学 土建学院，山东 临沂 276000 ［ 摘 要］为了研究钻孔卸压效果影响因素，采用室内试验与 FLAC3D数值模拟软件，分析了钻 孔直径、钻孔间距等对卸压效果的影响。研究结果表明 裂纹扩展贯通导致的应力释放是钻孔产生卸 压作用的根本原因; 同时，在其他因素一定的条件下，卸压效果随钻孔直径的增大而提高，钻孔间距 越小卸压效果越显著。 ［ 关键词］钻孔卸压; 钻孔直径; 钻孔间距; 数值模拟 ［ 中图分类号］ TD402［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201801- 0065- 04 Studying and Application of Drilling Hole Loading Relief Parameters JIA Chuan- yang，HAN Yu- chao，WANG Hai- long，LIU Ke- ming，YU Xian- bin Civil ＆ Construction Eenineering Institute，Linyi University，Linyi 276000，China Abstract In order to study influence effects of loadine relief by drilling hole，and test indoor and FLAC3Dnumerical simulation soft- ware was applied，the influence that drilling diameter and spacing to loading relief was studied. The results showed that stress relief was the primary cause of loading relief by drilling hole，which is induced by crack propagation and cut- through，at the same time under the condition that other factors unchanged，loading relief effect improved with drilling hole diameter increasing and drilling spacing decrea- sing. Key words loading relief by drilling; drilling hole diameter; drilling hole spacing; numerical simulation ［收稿日期］ 2017－08－21［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 01. 016 ［基金项目］ 山东省自然科学基金资助项目 ZR2017PEE018，ZR2017BEE001 ;大学生创新创业训练计划项目 201710452094 ;临沂大 学博士研究基金 LYDX2016BS117 ［作者简介］ 贾传洋 1988－ ，男，山东济宁人，讲师，主要研究方向为冲击地压防治、沿空留巷、矿山压力与岩层控制等。 ［引用格式］ 贾传洋，韩宇超，王海龙，等 . 钻孔卸压参数研究及应用 ［J］． 煤矿开采，2018，23 1 65－68，103. 冲击地压是矿井的一大自然灾害。冲击地压发 生时，围岩迅速释放能量，煤岩突然被破坏，造成 冒顶片帮、支架折断和人员伤亡 ［1－2 ］。目前，深部 矿井的开采条件日趋复杂，发生冲击灾害的事故数 量显著增加，防治任务十分艰巨 ［3 ］。当前我国冲 击地压治理技术 ［4－5 ］主要有卸压爆破、煤层注水和 大直径钻孔卸压等。其中，钻孔卸压作为防治冲击 地压的积极措施，具有施工方便、不影响施工工期 等优点 ［6 ］，正逐渐得到普遍应用。本文为了研究 钻孔卸压参数 钻孔直径、钻孔间距对高应力 巷道卸压效果的影响，采用室内试验和数值模拟相 结合的方式对不同参数条件下钻孔卸压效果进行研 究，这对于有效防治冲击地压有实际应用价值。 1钻孔卸压原理 钻孔卸压是利用施工钻孔的方法消除或减小巷 道围岩变形破坏危险的防治措施 ［7－10 ］。当在高应力 煤体内施工钻孔时，钻孔周围的煤体内部产生裂纹 扩展，钻孔周围形成破碎区，多个钻孔周围的破碎 区相互贯通，形成大范围的卸压区，煤体内部应力 峰值降低，改变煤层的受力性质，降低煤层储存弹 性能的能力，冲击地压发生概率降低。煤体大直径 钻孔卸压原理如图 1 所示，图中 L 表示煤层钻孔深 度。 图 1煤体钻孔卸压原理 2含孔洞试样室内试验 本节借助室内试验手段研究孔洞参数影响下试 样破坏强度变化情况，从而更全面地了解钻孔卸压 机理。 2. 1试样制作 本次室内试验选择采用水泥、细砂制作试块， 56 第 23 卷 第 1 期 总第 140 期 2018 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 1 Series No. 140 February2018 ChaoXing 运用正交设计确定水泥 ∶ 细砂 ∶ 水比例为 1 ∶ 1 ∶ 0. 34; 其中，水泥选择标号 32. 5 的白色水泥，砂 子由直径为 2mm 的筛子筛取，水采用温水即可。 试样尺寸为 200mm100mm100mm。 2. 2试验结果分析 本试验研究采用万能材料试验机，可以同时显 示试验力、位移变形等试验测量参数以及多种试验 曲线。图 2、图 3 为单轴压缩条件下含不同孔径、 孔间距的试样的轴向应力－应变曲线。由图 2 可 知，完整试样单轴抗压强度达25MPa，采用不同孔 径钻孔后，试样强度随着孔径的增大 孔半径分 别为 4，5，6mm 分 别 降 低 至 21. 9，20. 0， 17. 8MPa，可以明显看出试样强度随着钻孔孔径的 增大而明显降低，降低百分比 即卸压幅度相 对于 完 整 试 样 单 轴 抗 压 强 度 25MPa分 别 为 12. 4，20. 0，28. 8，可见孔径越大卸压幅度 越大。 图 2不同孔径条件下试样应力－应变曲线 图 3不同孔间距条件下试样应力－应变曲线 由图 3 可 知，完 整 试 样 单 轴 抗 压 强 度 达 25MPa，采用不同孔间距钻孔后，试样强度随孔间 距的增大 孔间距分别为 20，30，40mm分别降 低至 17. 5，18. 8，19. 3MPa，同时可以明显看出试 样强度随着钻孔孔间距的增大而增大，降低百分比 即卸压幅度相对于完整试样单轴抗压强度 25MPa分别为 30，24. 8，22. 8，可见孔间 距越小卸压幅度越大。 图 4 揭示了含孔洞试样单轴加载过程中裂纹首 先出现在钻孔周围，随着加载继续，裂纹以钻孔为 中心扩展，最终形成一条贯穿钻孔的主裂纹，加剧 了试样破坏，可见，裂纹扩展贯通导致的应力释放 是钻孔产生卸压作用的根本原因 ［11 ］。 图 4含孔洞试样破坏 3钻孔卸压影响参数数值模拟 3. 1数值计算模型建立 本节选用 FLAC3D数值软件，进一步研究钻孔 直径、间距对卸压效果的影响，模型前、后、左、 右均施加水平约束，底部施加垂直约束，模型上部 边界施加垂直方向上的等效载荷，以模拟模型上覆 岩层的自重。模拟过程中采用莫尔－库伦屈服准 则，模型物理力学参数如表 1 所示。 表 1模型参数取值 岩性 容重 d/ kgm －3 泊松比 弹性模 量/GPa 内摩擦 角/ 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 中砂岩24800. 355. 6334. 76. 245 粉砂岩24700. 211. 4334. 56. 133 细砂岩24000. 222. 8033. 38. 206 煤14800. 161. 0030. 06. 318 3. 2钻孔直径对卸压效果的影响 本次模拟开采深度为 800m，钻孔间距 3m，钻 孔深度20m，在采场一定范围内布置多个钻孔 沿 同一水平布置 ，钻孔直径分别选取 100，200 及 300mm。图 5～7，图 8～10 分别表示不同钻孔直径 时应力与塑性区分布图。 由图 5～7 可知，在一定钻孔间距条件下，钻 孔卸压后，钻孔之间应力连接成一个整体; 钻孔对 煤体应力状态影响较大，布置钻孔后应力集中区向 深部转移，钻孔孔径越大，应力降低幅度越明显; 同时，孔径越大，卸压后在煤体中重新形成的应力 高峰分布范围越小，卸压效果越好，有效地降低了 工作面发生冲击危险的可能性。 由图 8～10 可知，钻孔周围形成塑性破坏区， 66 总第 140 期煤矿开采2018 年第 1 期 ChaoXing 图 5钻孔直径 100mm 应力分布 图 6钻孔直径 200mm 应力分布 图 7钻孔直径 300mm 应力分布 图 8钻孔直径 100mm 塑性区分布 且钻孔直径对卸压效果影响较大，钻孔直径越大， 孔周围的裂纹扩展数量越多，塑性区分布范围越 广，使得煤岩体破坏程度越大，卸压效果越明显。 3. 3钻孔间距对卸压效果的影响 本次模拟开采深度为 800m，孔径 100mm，钻 孔深度 20m， 钻孔间距分别选取 1， 3 及 5m。图 11～ 13，图 14～16 表示不同钻孔间距时应力与塑性区 图 9钻孔直径 200mm 塑性区分布 图 10钻孔直径 300mm 塑性区分布 图 11钻孔间距 1m 时应力分布 图 12钻孔间距 3m 时应力分布 分布。 由图 11～13 可知实施钻孔卸压后，钻孔周 围形成明显的应力降低区; 不同的钻孔间距，卸压 效果差别明显，当孔间距为 1m 时，应力降低区全 面连接，形成一个连续、闭合的降压区域，卸压效 果较好，随着钻孔间距增加，降压区域逐渐丧失连 续性，直至形成相互独立的非连续区域，卸压效果 76 贾传洋等 钻孔卸压参数研究及应用2018 年第 1 期 ChaoXing 图 13钻孔间距 5m 时应力分布 逐渐降低。 图 14钻孔间距 1m 时塑性区分布 图 15钻孔间距 3m 时塑性区分布 图 16钻孔间距 5m 时塑性区分布 由图 14～16 可知，钻孔间距对卸压效果极为 敏感，当钻孔间距为 1m 时，钻孔之间形成贯通型 裂纹，沿大直径钻孔轴向，孔周围煤体全部处于塑 性状态，各钻孔造成的塑性破坏区相互连接，裂纹 扩展充分，形成大范围破坏区，使煤体储存弹性能 的能力大大降低，钻孔效果好;钻孔间距为 3m 时，卸压范围有所减少;当钻孔间距为 5m 时，卸 压效果明显降低。 4钻孔卸压技术现场施工 某矿冲击地压防治过程中大直径卸压钻孔采用 ZQJ－300/6 型气动架柱式钻机，孔径 110mm，钻 孔布置之前，应对应力进行监测，了解应力分布范 围及应力大小。根据实际工作面的开采条件以及冲 击地压危险区域分布情况，实施大直径钻孔卸压施 工方案，具体方案如表 2 所示。 表 2大直径钻孔参数方案 危险程度孔深/m钻孔直径/mm孔间距/m 一般危险区15100～1203 中度危险区15100～1202 高度危险区15100～1201 在工作面两巷的内帮靠煤壁侧的底板施行大直 径钻孔卸压，沿垂直巷帮的方位施工一排卸压钻 孔，钻孔仰角 5～8，钻孔水平间距视区域危险程 度布置，孔深 15m，大直径钻孔布置平面示意如图 17 所示。除了表 2 划定的危险区以外，停采线周 围 300m 范围全煤巷道全部按 3m 间距施工卸压孔; 采放厚度 5～8m 时，孔深 22m。对于大孔径钻孔卸 压方式，若卸压效果不明显，可加密钻孔、增大钻 孔深度，这和数值模拟结果相对应。 图 17大直径钻孔布置示意 5结论 1室内试验与数值模拟结果表明钻孔对 煤体应力状态影响大，钻孔直径越大，孔周围的裂 纹扩展数量越多，试样破坏强度下降越明显，应力 降低区范围越广，塑性区分布范围越广，卸压效果 越明显。 2钻孔间距对卸压效果影响较大，随着钻 孔间距降低，试样破坏强度下降明显，煤层主应力 降低，钻孔间距越小，钻孔之间易形成贯通型裂 纹，卸压效果显著。 下转 103 页 86 总第 140 期煤矿开采2018 年第 1 期 ChaoXing 工示意见图 2。 图 2松动圈声波透射探测孔施工 2. 6. 3深部大断面软弱巷道支护技术 一矿三水平下延戊一回风上山标高－800 ～ － 950m，埋深 950～1080m。布置在戊 8 煤顶板的砂 质泥岩中，为半圆拱形断面，净宽 6. 0m，净高 4. 8m。根据测试情况，矿井深部地应力数据较浅 部增加明显，局部巷道有严重变形失修现象，针对 高地应力、软岩等地质条件，采用了锚网索喷注 浆锚杆注浆组合锚索支护，一次支护采用锚网喷 和普通锚索，二次支护采用注浆锚杆加组合锚索， 若达不到支护效果，增加中空注浆锚索加强支护， 有效控制了周围岩体变形，降低巷道翻修率 ［4 ］。 1一次支护锚索 3 套/排 围岩条件较差时 5 套/排 。 2二次支护锚杆为 25mm3000mm 的中空 注浆锚杆，间排距 1500mm，9 根/排，配 Z2850 型 树脂 药 卷，1 卷/根;锚 杆 螺 母 预 紧 力 不 低 于 30kN。注浆浆液水灰比 1 ∶ 2 ～ 2. 5，加水泥重量 8的 ACZ－1 注浆添加剂，注浆压力＞5MPa。喷厚 150mm。注浆组合锚索由 3 根 22mm16000mm 的 钢绞线组合而成，间排距 3000mm［5 ］。 3加强支护 采用 29mm8300mm 中空注 浆锚索，间排距 1500mm，配 Z2850 型树脂药卷 2 卷; 张拉预紧力不低于 120kN。注浆浆液添加水泥 8的 ACZ－1 型添加剂，注浆压力＞7MPa。 3结束语 一矿属于典型的中部矿区老矿井，开采时间 长、系统复杂、生产效率较低。利用探巷、钻探、 地质分析等多种手段对资源进行勘查分析，实施了 深部资源开发，为矿井长远发展提供了战场。通过 优化布局不断集中生产，减少了生产区域，采区数 量由 7 个减为 4 个，保证了矿井生产接替正常。大 储量工作面为集中生产、单产提高创造了条件，系 统优化和机械化、自动化进一步提高了采掘装备水 平、减少了人员投入，提高了采掘工作效率。确定 多煤层区域瓦斯治理技术路线，采用沿空留巷、Y 型通风、多种抽放模式相结合等技术治理瓦斯，解 放了生产力、矿井年度安全煤量均在 6. 0Mt 以上， 为矿井 4. 0Mt 产能和安全开采奠定了坚实基础，保 持了矿井的持续稳定发展。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 白锦胜 . 沙曲矿井设计优化实践 ［J］． 煤炭工程，2008 3 5－7. ［ 2］ 何宗礼 . 十一矿主要通风机改造及通风系统优化研究 ［J］． 煤炭技术，2009 2 12－15. ［ 3］ 聂政 . 淮北煤田区域性防治煤与瓦斯突出对策 ［J］． 煤炭 科学技术，2008，36 4 54－57. ［ 4］ 刘泉声，张华，林涛 . 煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对 策 ［J］． 岩石力学与工程学报，2004 21 3732－3737. ［ 5］ 袁亮，薛俊华，刘泉声，等 . 煤矿深部岩巷围岩控制理论 与支护技术 ［J］． 煤炭学报，2011，36 4 535－543. ［ 6］ 万军 . 多水平多采区突出矿井安全高效模式研究与实践 ［J］ . 中州煤炭，2016 6 44－48. ［ 7］ 柯鸿斌 . 煤炭企业推动安全效益型矿井发展的探索 ［J］ . 煤 炭经济研究，2014 6 80－82. ［责任编辑 邹正立］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 68 页 ［ 参考文献］ ［ 1］ 何满潮，谢和平，彭苏萍，等 . 深部开采岩体力学及工程灾 害控制研究 ［J］． 煤矿支护，2007 3 1－14. ［ 2］ 窦林名，赵从国，杨思光，等 . 煤矿开采冲击矿压灾害防治 ［M］． 徐州 中国矿业大学出版社，2006. ［ 3］ 李德忠，夏新川，韩家根，等 . 深部矿井开采技术 ［M］． 徐 州 中国矿业大学出版社，2005. ［ 4］ 李希勇，张修峰 . 典型深部重大冲击地压事故原因分析及防 治对策 ［J］． 煤炭科学技术，2003，31 2 15－17. ［ 5］ 李国宏，杨发武，吴元良 . 利用卸压钻孔防治冲击地压的实 践 ［J］． 煤矿安全，2004，35 11 8－10. ［ 6］ 吕渊，徐颖 . 深井软岩大巷深孔爆破卸压机理及工程应 用 ［J］． 煤矿爆破，2005 4 30 －33. ［ 7］ 李金奎，熊振华，刘东生，等 . 钻孔卸压防治巷道冲击地压 的数值模拟 ［J］． 西安科技大学学报，2009，29 4 424－ 426. ［ 8］ 易恩兵，牟宗龙，窦林名，等 . 软及硬煤层钻孔卸压效果对 比分析研究 ［J］． 煤炭科学技术，2011，39 6 1－4. ［ 9］ 兰永伟，张永吉，高红梅 . 卸压钻孔数值模拟研究 ［J］． 辽 宁工程技术大学学报，2005，24 S1 275－277. ［ 10］ 朱斯陶，姜福兴，史先锋，等 . 防冲钻孔参数确定的能量耗 散指数法 ［J］． 岩土力学，2015，36 8 2270－2276. ［ 11］ 贾传洋，蒋宇静，张学朋，等 . 大直径钻孔卸压机理室内及 数值试验研究 ［J］． 岩土工程学报，2017，39 6 1115－ 1122. ［ 12］ 周龙寿，丁立丰，郭啟良 . 不同压裂介质影响下绝对应力测 值的试验研究 ［J］． 岩土力学，2013，34 10 2869 － 2876.［责任编辑 潘俊锋］ 301 韩春晓等 中部复杂矿区老矿井持续安全开采谋划与实践2018 年第 1 期 ChaoXing