唐口煤矿大直径钻孔防治冲击地压的研究与应用

张惟昭 李杨杨

（山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

作为当前冲击地压防治的主要措施之一，大直径钻孔卸压技术成为唐口煤矿防治冲击地压的重要手段。大直径钻孔卸压技术能够降低巷道围岩应力值峰值及应力集中区范围，同时能够将应力集中区向巷帮深处转移，使巷道围岩原应力集中区变为应力降低区，起到卸压的效果。

1 大直径钻孔卸压机理研究

1.1 大直径钻孔周边应力分布

现场监测表明，当钻孔深度大于其半径20倍时，钻孔应力受孔周煤岩体自重的影响微乎其微。假设钻孔处围岩性质相同，且原岩应力为静水等压状态即原岩应力为各向等压。此时在煤体中施工一半径为ra的钻孔，根据弹性力学公式可得钻孔周围的应力分布如图1所示。

由图1得出，钻孔围岩为受压缩状态，围岩的泊松比及弹性常数对其受压程度没有影响。钻孔围岩切向应力为最大主应力，轴向应力为最小主应力，其分布方向不受角度影响。钻孔周边最大应力的集中程度不受孔径影响。假如初始地应力大小超过钻孔围岩的弹性极限，围岩即由弹性状态进入塑性状态。钻孔任意处围岩切向应力与轴向应力之和为一定值，大小为两倍初始地应力。

图1 钻孔在双向等压应力场中周围应力分布

1.2 大直径钻孔围岩破坏过程

煤层在实施大直径钻孔之后，钻孔围岩的变形破坏过程可以分为两个阶段。

根据现场观察，大直径钻孔施工后围岩开始变形破坏，进入第一阶段。如图2所示，此阶段孔周围岩由内而外可依次划分为破裂区、塑性区及弹性区。起到卸压效果的主要区域为破裂区。

图2 钻孔围岩破坏状态分区

随着时间的推移，钻孔周围塑性区和破碎区变形量增加，其强度进一步减小，当其承载力小于围岩应力后，钻孔处出现坍塌现象，原破碎区煤体掉落并逐渐填满自由空间，同时对新破碎区边界产生一定的支撑力。当塌落区支撑力同破裂区压力相等时，钻孔区域受力平衡，进入第二阶段，如图2所示。

1.3 大直径钻孔防冲机理分析

为了定量评价大直径钻孔卸压效果，采用钻孔耗能率指标进行表征，即施工单位长度钻孔的耗散能量与其施工前弹性应变能的比值。对于相同条件煤岩体，钻孔耗能率越高，钻孔消耗能量占之前弹性积聚能比例越大，剩余弹性能越小，达到减小冲击地压发生概率或冲击能量的目的。

采用FLAC3D软件研究煤层中钻孔前后围岩弹性应变能的变化。定义模型钻孔直径200mm，煤层垂直应力18MPa，侧压力系数1.5，采用应变软化型本构。记录围岩水平、垂直方向应力及弹性应变能如图3所示。

大直径钻孔开挖后，无论水平方向还是垂直方向，应变能分布趋势同相应方向水平应力分布相同，即水平方向上不存在集中现象而在垂直方向上出现集中；水平方向上应变能较开挖之前有所减小，且其差值随与钻孔距离的增大而减小。

根据数值模拟结果分析得出：（1）钻孔围岩应力调整过程中，最大主应力（水平应力）对围岩弹性应变能的影响起主导作用。（2）以钻孔耗能率为评价指标，对比Φ100mm钻孔直径，Φ150mm钻孔耗能效果将近其3倍左右，Φ200mm钻孔耗能效果超过其6倍。

图3 围岩应力及弹性应变能分布

2 大直径钻孔施工效果分析

2.1 钻孔煤粉量变化分析

现场施工大孔径钻孔频繁遇到吸钻、卡钻、丢钻杆的问题，而钻孔深度对其排粉量有巨大的影响。在煤帮低应力区处的大直径钻孔排屑主要是钻孔孔径范围空间的煤粉，在煤帮内部高应力集中处由于卡钻等问题会造成排粉困难，因此，低排粉说明煤体应力释放效果差。

于唐口矿3313工作面轨道顺槽两顺槽超前120m范围施工20m深度的大直径卸压钻孔，钻孔孔径为Φ150mm，钻孔间距为0.8m，单排布置。根据其煤粉量及吸、卡、跳钻等动力现象，来测定采空区侧向支撑压力影响范围。

图4 工作面大直径钻孔实测情况图

由图4可见，大直径钻孔平均9～20m深度上出现动力异常现象，主要表现为煤粉量异常、煤炮声响及卡钻、吸钻现象。根据上述反映可以判断，大直径钻孔施工过程中，对高应力区的煤体产生了扰动破坏，使其集中弹性能以煤粉增加、声响等方式释放，有助于降低煤体内冲击地压危险。另外，由众多大直径钻孔煤粉及动力现象的统计数据来看，在沿空侧巷道煤体内，距巷帮9m之后，应力明显增高，该区域应为受侧向采空区影响，应力分布较为集中，可见对于留设小煤柱的沿空巷道，在实体煤侧的巷道帮其冲击危险相对较高。

2.2 钻孔卸压区域应力演化分析

由冲击地压启动理论知，无论是巷道冲击地压还是采场冲击地压，围岩极限平衡区集中静载荷是冲击地压发生的内因，是根源。因此对于冲击地压解危来说核心是探索到采动围岩的集中静载荷区。为此，在大范围区域防范措施的前提下，针对局部危险区域进行大直径钻孔卸压，并安装钻孔应力监测设备对大直径钻孔施工之后的应力分布进行研究。

图5 皮顺第13组应力计

如图5为第13组深孔应力计，10月26日距面88m应力呈升高趋势，11月10日应力达到峰值18.5MPa，共增幅9.5MPa，平均增幅0.6MPa/d。应力在线报警之后，立刻进行了大直径钻孔卸压，应力下降非常明显，卸压施工5d后，应力开始回升，深部应力计恢复到10MPa左右。

从唐口煤矿大直径钻孔的实施效果来看，煤体的卸压效果比较明显，尤其是在应力在线监测预警之后，应力能够迅速降低，之后会有所反弹，但仍然低于应力最高值。说明大直径钻孔在卸压后，存在一定的时效性，因此当应力反弹后，应当进行二轮卸压或多轮卸压。

2.3 大直径钻孔破坏情况分析

根据大直径钻孔的卸压时机，可以将钻孔施工分为两类：一类是在已形成的静态超前支承压力区或应力集中区施工钻孔，即“先来压，后钻孔”，钻孔是在静态的集中应力作用下发生变形；一类是在巷道掘进初期，进行大直径钻孔施工，钻孔将先后经历原岩应力和采动应力作用，即“先钻孔，后来压”，钻孔是在动态的超前支承压力作用下发生变形。唐口矿目前施工的大直径钻孔以第二类为主，因此，针对后者的钻孔变形机制研究更加具有实用价值。

使用钻孔变形监测装置对唐口矿6307工作面轨道巷巷帮的大直径卸压钻孔进行了4个月的变形监测。

根据监测结果可以发现，当钻孔在实体煤中钻进完成后，其变形可分为三个阶段：钻孔塑性区形成阶段、钻孔弹塑性区调整阶段和变形稳定阶段，且巷道围岩塑性区内的钻孔具有典型的“三阶段”特征，如图6所示。

图6 三阶段变形曲线

第一阶段（钻孔塑性区形成阶段）：即大直径钻孔的表面变形破坏的形成过程。当钻孔完成开挖时，钻孔围岩浅表将经历由弹性应力状态转变为塑性应力状态的过程，由图6可见，该过程持续约3～4d，变形曲线的斜率相对较大，且深部围岩（10m左右）变形速率明显高于浅部围岩（4m左右）的变形速率。说明钻孔塑性区形成阶段具有持续时间短、围岩径向变形快、深部快于浅部的特点，钻孔收缩率可在数日之内达到5%～10%。

第二阶段（钻孔弹塑性区调整阶段）：钻孔围岩形成弹塑性分区之后将进行一定时间的应力分布调整，该阶段钻孔缓慢变形、缩孔，钻孔周围裂隙不断发育，2～3个月后钻孔收缩率基本稳定在10%～30%之间。可见，第二阶段相对第一阶段持续时间更长，钻孔收缩量更大，收缩速度则相对较小。

第三阶段（变形稳定阶段）：在钻孔围岩经历了第一和第二两个阶段的演化和调整后钻孔收缩基本停止，钻孔围岩进入稳定平衡状态。

上述钻孔变形的监测均是在巷道掘进完成后一段时期的监测结果，并未受到其他采动影响。可见，大直径卸压钻孔在施工完成后并非恒处于收缩过程，而是经历一定的时间和过程后即进入稳定状态，在不受外界扰动的情况下该稳定状态具有可持续性。根据唐口煤矿地质条件，钻孔收缩变形的时间约为2～3个月，变形量最大为钻孔空间的30%，当周边存在采掘活动时，采动应力的叠加将进一步使得钻孔发生变形破坏，从而耗散煤体内积聚的弹性能，起到卸压的效果。

3 结论

从能量角度来看，钻孔施工过程中，钻孔周边发生塑性破坏，起到了耗散煤体中弹性应变能的作用，使得卸压区域的弹性应变能降低，从而降低了该区域的冲击危险。

根据现场数据分析，大直径钻孔在施工过程中，其煤粉量变化、吸钻、卡钻现象及煤炮声响都反映了煤体内的应力变化，因此，通过分析其施工过程中的表现情况，确定沿空巷道的应力峰值在9m深。该研究结论可以作为类似存在冲击危险性煤层开采的参考依据。