深井突出煤层孤岛工作面钻孔卸压与应力转移规律研究＊

2014-04-20岳崇光黄炳香孙开龙

中国煤炭 2014年2期

岳崇光黄炳香孙开龙

（1.中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116；2.中天合创能源有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000）

随着煤矿开采深度加深，同时受地质条件和人为因素的影响，会出现深井孤岛工作面，深井孤岛工作面开采时由于应力集中而加剧回采巷道的矿压显现程度，并且容易出现冲击矿压。薛湖煤矿属于突出矿井，同时煤层具有冲击倾向性，工作面采用顺层长钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的区域防突措施。与常规孤岛工作面相比，深井突出煤层孤岛工作面受瓦斯抽采钻孔布置和瓦斯抽采等因素的影响，采动应力分布规律有所不同。本文使用钻孔应力计对孤岛工作面支承压力进行观测，用Sufer数据处理软件对钻孔周围应力进行模拟分析，掌握钻孔卸压与应力转移规律，为深井突出煤层孤岛工作面的安全开采提供理论依据。

1 工作面概况

1.1 工作面条件

薛湖煤矿二2煤层破坏类型属于Ⅲ～Ⅳ类煤，相对瓦斯压力1.12～1.7MPa，煤层单轴抗压强度为4.52～9.23 MPa，煤层的瓦斯放散初速度为12.957～14.000mL／s，软分层煤样的初始释放瓦斯膨胀能为65.62～84.3334mJ／g，大于弱突出的临界值42.98mJ／g，属于有突出危险的矿井。

薛湖煤矿煤层埋深为680～788 m，煤层结构简单。2103 工作面煤层厚0.8～3.1 m，平均2.68m，平均采高2.68m；煤层倾角0°～18°，平均7°；走向长142m，倾斜长845m，为倾斜长壁开采。工作面东邻2102 工作面（已采），西接2104工作面（已采），南到F121断层煤柱，北为胶运大巷，为深井突出煤层孤岛工作面。

孤岛工作面两巷沿煤层留4 m 窄煤柱沿空掘巷，巷道断面为三心拱型，断面尺寸为4800 mm×3400mm。

1.2 钻孔预抽措施

由于2103工作面采用顺层长钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的区域防突措施，在2103风巷和机巷掘进期间和工作面切眼完成后，从停采线以北20m处施工本煤层钻孔，孔口距巷道底板1.2m，孔深不低于80m，孔间距4～6m。2103工作面区域消突钻孔分布如图1，抽采一定时间经区域验证有效后，本工作面方可进行回采。

图1 工作面区域消突钻孔分布

2103工作面局部消突钻孔分布如图2 所示，工作面回采期间局部可能具有突出危险性，工作面局部消突钻孔主要用于抽采工作面局部瓦斯，经局部检验有效后方可进行采掘工作。在工作面共布置两排三花眼，由工作面两帮5 m 处开始施工，下排距煤层底板0.8m，排距0.6m，孔间距1.5m，共约190个，孔深不低于11m，钻孔与煤壁成85°夹角，顺煤层施工，钻头直径为ø89mm，成孔直径为94mm。

图2 工作面局部消突钻孔分布

2 超前支承压力实测方案

在2103机巷超前工作面煤壁150m 处布置超前支承压力观测站。根据工作面长度、应力叠加程度以及钻孔施工和钻孔应力计安装条件，确定在2103工作面测站安装7个钻孔应力计，钻孔应力计布置平面图见图3。

采用自制钻孔应力计对支承压力进行观测，该钻孔应力计是由压力传感器和数字显示仪组成的分离型钢铉振动式测频数字仪器，压力传感器的钻孔压力枕采用充油膨胀的特殊结构，用于煤矿井下煤岩体内相对应力测量。用ø42mm 钻头形成ø45～50mm 的钻孔，孔深应满足测量要求，清除孔内碎渣。超前工作面150 m 安装钻孔应力计，此后工作面进行回采过程中记录钻孔应力计数值。

图3 钻孔应力计布置平面图

3 孤岛工作面的支承压力

3.1 支承压力的动态演变

根据工作面推进情况安排测量次数，对2103工作面安设的支承压力测站进行了31d的井下观测，对观测的数据进行处理，得到测站支承压力随工作面推进的动态变化曲线，见图4。1＃测压孔（深2m）距工作面煤壁61.6m 时出现第一次峰值9.9 MPa，距工作面煤壁48 m 时压力逐渐上升，距工作面煤壁32 m 时第二次达到峰值9.7 MPa。2＃测压孔（深4m）距工作面94.4m 时损坏，其值达到25.4 MPa。3＃测压孔（深6m）距工作面煤壁48 m 时达到峰值26 MPa。4＃测压孔（深8m）自有记录起压力持续下降未出现峰值。5＃测压孔（深10m）距工作面煤壁104m 时达到峰值20.8 MPa，距工作面煤壁88m 时出现损坏。6＃测压孔（深12m）距工作面煤壁101.6m 时达到峰值18.3MPa。7＃测压孔（深15m）距工作面煤壁68m 时达到峰值17.8 MPa。

图4 支承压力与超前煤壁距离的关系

3.2 支承压力的分布规律

将测站内各测点测得的支承压力用Surfer数据分析软件进行处理，得2103工作面支承压力的分布如图5所示。

图5 孤岛工作面支承压力分布

本煤层原岩应力值为15.7MPa。由图5可知，2103工作面超前支承压力影响范围为超前工作面煤壁约120 m。工作面煤壁前方42 m 为破裂区，垂直方向上应力低于原岩应力；工作面煤壁前方42～70 m 处为塑性区。工作面煤壁前方70～120m为弹性应力增高区；超前工作面煤壁120m以上为原岩应力区。工作面煤壁前方70m 处为超前支承压力峰值处，峰值压力为17.8 MPa，应力集中系数为1.134。未受超前支承压力影响的侧向支承压力峰值为22.3 MPa，超前和侧向支承压力叠加峰值为26 MPa，应力集中系数为1.656。

2103工作面超前支承压力分布与常规孤岛工作面支承压力分布差别较大：支承压力影响范围较大，破裂区、塑性区及弹性应力升高区均较大；支承压力峰值相对较小，应力集中程度较小；整体表现为大而缓和的特征。

2103工作面超前支承压力分布特征受以下两方面的影响：

（1）2103工作面给定的超前支承载荷较大，从而引起煤体整体影响范围相对较大，即破裂区、塑性区及弹性应力升高区范围均增大。

（2）密集布置的瓦斯抽采钻孔对超前支承压力分布具有重要影响，钻孔卸压半径大，使支承压力向煤层深部转移；此外瓦斯抽采也降低了瓦斯压力，整体改变了煤体的物理力学性质。

4 钻孔卸压及应力转移规律

将至工作面煤壁距离分别为115.2m、104m、94.4m、88m、68m、48m、38m 的侧向支承压力进行整理，得出侧向支承压力的分布如图6所示。

图6 侧向支承压力分布

图6显示，侧向支承压力影响范围为距巷帮15m以内区域，距巷帮15 m 以外为原岩应力区，原岩应力为15.7 MPa。在刚进入超前支承压力影响范围即超前工作面煤壁距离120 m 时，距巷帮小于3m 为应力降低区，3～4 m 为塑性区，4 m处为侧向支承压力峰值，峰值压力为22.3 MPa，应力集中系数为1.420；在距离巷道煤壁10 m 处存在第二峰值，正好验证了 “破裂圈-完整圈-破裂圈-完整圈”理论，即在距离巷道煤壁8 m 左右存在一个应力降低的破裂圈。随着工作面的推进，侧向支承压力受超前支承压力的影响，支承压力峰值最大为26 MPa，应力集中系数为1.656，且向煤体深部转移，破碎区和塑性区范围也随之扩大。超前煤壁距离94.4m 时，侧向支承压力峰值在至巷帮4.3m 处。从超前煤壁90m 时侧向支承压力明显开始向煤体深部转移。超前煤壁距离88m时，侧向支承压力峰值转移至距巷帮6m 处。侧向支承压力在超前工作面煤壁115.2 m 时已经出现峰值压力升高现象，说明超前支承压力影响范围超过115.2m。

随工作面推进，侧向支承压力受超前支承压力的影响，使得采动应力叠加，煤体原有的极限承载平衡被打破，煤体部分弹性区变成塑性区，形成新的力学平衡。极限承载的动态平衡过程是引起侧向支承压力峰值缓慢向煤体深部转移的根本原因。

钻孔对煤体具有卸压作用。对于同一煤层，钻孔直径越大，钻孔间距越小，卸压范围和影响程度越大。根据2103工作面超前支承压力的实测结果，该工作面和巷道布置的密集、大直径瓦斯抽采钻孔已经对整个工作面煤体起到了明显的卸压作用，使煤体的弹性能降低、塑性能增加、强度降低，煤体整体表现出 “变软”的特性，引起煤体应力集中程度降低，影响范围增大，使支承压力分布更加大而平缓。