煤层大直径钻孔和顶板预裂孔防冲机理研究及应用

2021-10-17庞立宁付书俊

煤矿安全 2021年9期

庞立宁，付书俊，苏波

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.华阳新材料科技集团有限公司智能矿山事业部，山西阳泉 045000）

煤层大直径钻孔和顶板预裂孔卸压技术是冲击地压矿井最常用的防冲手段之一[1-3]。国内外学者对卸压钻孔防冲机理进行过不少研究，如贾传洋[4]认为卸压钻孔防冲机制在于钻孔周边煤岩体裂纹扩展贯通导致应力释放；李金奎[5]等通过数值模拟发现大直径卸压钻孔使得煤体应力峰值向深部转移从而达到卸压效果；兰永伟[6]通过数值模拟得出钻孔卸压作用根本原因是其周围煤体的弱化；吴鑫等[7]通过3DEC数值模拟手段得出钻孔卸压使得巷帮应力峰值向围岩深部转移，且在钻孔末端形成应力集中；闫永敢[8]研究发现，钻孔周围非弹性区范围大小与卸压效果成正比。但大多都从应力转移等卸压机制方面研究，从改变巷道围岩结构、增大动载荷应力波传递耗散角度研究卸压钻孔防冲机理的文献较少，为此，结合葫芦素煤矿现场实际，进行煤层大直径钻孔和顶板预裂钻孔防冲机理研究，制定煤层大直径钻孔和顶板压裂孔卸压技术方案，在21103工作面回风巷进行了工业性试验，取得了好的效果。

1 煤层大直径钻孔防冲机理

1.1 巷道围岩力学模型

巷道开挖前，煤层上覆岩层重力均匀分布在煤体上，即准巷道围岩均处在原岩应力状态。

煤层巷道开挖后，巷道围岩应力重新分布，根据切应力大小，可分为减压区、增压区、稳压区[9]，另外，以支承压力峰值为界，可分为极限平衡区和弹性区。巷道围岩不同位置应力不同，但满足下式：

式中：σx、εx分别为距离巷帮x位置处的垂直应力和应变；E为弹性模量；ρ为上覆岩层的密度；H为埋深；L为距巷帮的距离。

不同深度巷道围岩的力学性能不同，可由不同特性的力学模型来模拟。根据岩石应力应变全程曲线，岩石峰后区破坏阶段呈现出应变软化特性[10]，即随着应力增大，应变增长的速率加快，这与巷道围岩极限平衡区岩体力学性能较类似，可用弹黏体元件串联模拟。巷道围岩弹性区可用完全弹性体元件模拟。因此，巷道围岩力学模型如图1。

图1 巷道开挖后围岩力学模型Fig.1 Mechanical model of surrounding rock after roadway excavation

1.2 大直径钻孔对巷道围岩结构影响

帮部大直径卸压钻孔的实施为顶板岩层的下沉或变形提供了空间，同时帮部大直径卸压区的存在也改变了巷道围岩的力学结构模型。当支承压力峰值以外人为产生卸压区后，相当于将该区域完全弹性体元件结构模型变为弹黏体串联元件模型，大直径卸压钻孔实施后巷道围岩力学模型如图2。

图2 大直径卸压钻孔实施后巷道围岩力学模型Fig.2 Mechanical model of roadway surrounding rock after large diameter pressure relief drilling

大直径卸压钻孔的存在，使得顶板下沉或变形主要以压缩卸压孔空间（黏体元件）方式实现，此时煤体内产生的应变大都被“黏体元件”吸收，因此不会导致应力的增大。当卸压孔空间被压实（可理解为黏体元件中阻尼器行程已满）以后，弹黏体串联元件中的弹性元件开始发挥作用，随着卸压孔围岩内弹性形变的增加（可理解为完全弹性体弹簧行程增加），垂直应力慢慢恢复，这也是大直径卸压钻孔存在时效性的原因。

2 顶板预裂钻孔防冲机理

2.1 应力波衰减机制

冲击地压启动理论中煤岩系统集中静载荷是内因，系统外集中动载荷是外因，主要起到诱发冲击地压的作用[11]。集中动载荷的产生主要来源于采场周围上覆顶板岩层的断裂或者采掘爆破等人为扰动[12-13]，其通过应力波形式作用于集中静载荷区。

采场顶板断裂等产生的应力波在煤岩介质中传播时会发生衰减，其衰减主导机制[14]主要包含摩擦效应（基质裂隙相对运动时接触面摩擦生热消耗应力波携带的弹性能）、散射效应（组成煤岩体介质的晶粒对应力波散射）、流动效应（孔隙介质骨架与流体之间相对运动引发内摩擦耗能）、裂纹扩展效应（应力波携带能量转化为裂纹扩展表面能）。

岩石物理学中Hudson模型描述煤体中摩擦效应导致的应力波衰减系数α，可以用下式表达[15-16]：

式中：V为煤岩体传播介质总体积（数值与应力波产生点和冲击启动点距离正相关）；l、N分别为裂隙长度和数量；cd、cs分别为煤岩体系统中纵波和横波波速；A、B分别为cd/cs的5次方函数；U1、U3的取值取决于煤体含水情况；ω为角频率。

2.2 顶板预裂孔防冲机理

通过应力波衰减表达式可以看出，煤岩体系统中裂隙长度和数量与应力波衰减系数正相关。煤岩体中大直径卸压钻孔的施工不仅可以转移集中静载荷，还可以增大卸压区附近裂隙发育情况，在一定程度上衰减了顶板断裂或采掘爆破等产生的应力波。通过施工顶板孔切缝、压裂或爆破，可以在顶板内人为制造很多裂缝，这些裂缝的存在耗散了很大一部分应力波携带的能量。

在集中动载荷产生位置和静载荷集中区距离一定的条件下，应力波的作用效果与其持续时间和应力波幅值呈正相关，而其持续时间正比于顶板断裂尺度，这也是采场坚硬厚顶板条件比松软薄顶板条件更容易发生冲击地压的原因；其应力波幅值正比于顶板或者煤体等传播介质的强度，这也是采场顶板或煤体强度越高越容易发生冲击地压的原因。顶板压裂孔可以原位改变顶板岩层的物理力学性质，降低顶板岩层的完整性和强度，减小冲击地压危险。

顶板预裂孔除了可以衰减顶板破断产生的动载荷应力波外，还可以切断采空区侧向悬顶，减少悬露顶板作用在煤柱上的静荷载；这2个方面均是顶板预裂孔可防治冲击地压的原因。

3 现场案例

3.1 工程概况

21103工作面为葫芦素煤矿首采区第2个回采工作面，煤层厚度平均2.54 m，鉴定结果表明，葫芦素煤矿2-1煤具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性。顶板岩性多以粉砂岩、砂质泥岩为主，底板岩性多为砂质泥岩及粉砂岩。煤层顶底板特征见表1。

表1 煤层顶底板特征表Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

21103工作面回采过程中发生过4次冲击地压显现，分别于2017年11月18日、2018年2月6日、2018年2月15日、2018年3月8日。其中2017年11月18日冲击显现最为严重，“11.18”冲击位置如图3。21103回风巷冲击显现长度60 m，冲击瞬间造成煤柱侧帮鼓起，最大变形为0.7 m，导致机尾无安全出口，电缆落地，共破坏锚杆30根，锚索15根，损坏单体10根。

图3“11.18”冲击位置Fig.3“11.18”rock burst position

3.2 21103工作面回风巷冲击地压发生机理

21103工作面回风巷围岩不同位置静载荷集中可以用函数J（σx，εx）表示，不同位置动载荷集中可以用函数D（σx，εx）表示，构建一个范函数F：

式中：a为静载荷集中对冲击地压启动的影响因子；b为动载荷对冲击地压启动的影响因子。

当b＝0时，式（3）代表冲击地压类型为纯静载型冲击地压；式（3）的表达适用于不同的冲击地压理论：当采用强度理论时，函数J（σx，εx）和函数D（σx，εx）即为σx和εx的强度函数；当采用能量理论时，函数J（σx，εx）和函数D（σx，εx）即为σx和εx的能量函数。总之，在诸多静载荷集中和动载荷集中函数组成的范函数集合中，定然存在若干种不同的组合使得冲击启动发生。

冲击地压启动理论指出[2]，煤岩系统内集中静载荷达到临界状态是冲击地压发生的必要条件。同时，冲击地压和突出的统一失稳理论[17]指出冲击地压和突出发生的先决条件是煤岩体局部进入峰值强度后的变形区，即冲击地压和突出都是发生在煤岩体内的高应力区。据此，可认为冲击地压启动地点为煤岩体内最高静载集中应力区。

葫芦素煤矿埋深大、煤体坚硬，这使得21103工作面回风巷两帮容易积聚大量弹性能，这是冲击启动发生的静荷载来源，且煤体具有强冲击倾向性，在煤岩体系统内已形成了冲击启动体；临空煤柱及采空区上方的厚硬砂岩顶板密度大且不易垮落，在工作面回采过程中，其大面积突然断裂或上覆高位坚硬顶板瞬间破断是冲击启动的动荷载来源，临空巷道动静载诱发冲击启动示意图如图4。

图4 临空巷道动静载诱发冲击启动示意图Fig.4 Shock start induced by dynamic and static load of free entry

最高静载集中区的静应力和动载荷应力波产生的动态应力叠加形成的应变能超过煤岩体动力破坏所消耗的能量时，发生冲击地压启动。即满足：

式中：EJΩ为最高静载集中区的静应力；EDΩ为动载荷应力波产生的动态应力；Efmin为煤岩体动力破坏所消耗的能量。

煤岩体发生冲击地压等动力破坏时释放的能量往往远大于诱发能量，根据岩体破坏的最小能量原理[18]，无论煤岩体是在三向受力双向受力还是单向受力状态下破坏，其破坏真正消耗的能量总是一定的，即岩体破坏最小能量EC：

式中：σC为单轴抗拉强度；τC为抗剪切强度；E为弹性模量；G为剪切模量。

根据能量守恒，在煤岩体破坏消耗能量一定的条件下，煤岩体自身积聚的弹性能越大，冲击地压时伴随的动能就越大，该动能来源于煤岩体破坏弹性余能WC：

式中：Ei为i维受力状态下煤岩体中储存的弹性能，由源于静载荷集中弹性能EJΩ和动应力弹性能EDΩ构成。

根据纵波衰减Hudson模型中应力波衰减系数和动态应力关系式[14]可推导出动态应力表达式：

式中：σ（t）为动态应力；K、M为煤岩体本身物理力学性质有关的常数；α为应力波衰减系数；φ为煤岩体动力破坏所消耗的能量；c为材料常数。

动载荷应力波传递至最高静载集中应力区时，单位体积内动态应变能Vε为：

最高静载应力集中区单位体积内积聚的弹性应变能[19]VJε为：

式中：σ1、σ2、σ3均为主应力；μ为泊松比。

由式（6）、式（8）、式（9）冲击地压发生时，冲击启动区煤岩体破坏后弹性余能为：

该部分弹性余能以波的形式向周围传播[20-21]，除去耗散在21103工作面回风巷围岩介质中的部分能量外，剩下的转化成动能释放到巷道空间，造成煤柱侧瞬间帮鼓、锚杆锚索崩落等冲击显现。

3.3 顶板压裂孔和大直径钻孔卸压技术

21103工作面回风巷"钻、切、压"施工布置图如图5。

图5 21103工作面回风巷“钻、切、压”施工布置图Fig.5“Drilling,cutting and pressing”construction layout of return air roadway in 21103 working face

针对坚硬煤体，在21103工作面回风巷两帮施工了大直径钻孔，钻孔直径150 mm，孔间距1 m。

针对坚硬顶板，采用高压水泵配合专用高压切缝钻杆、高压封隔器，进行超前预裂，预裂孔每组2孔。煤柱帮侧钻孔方位角270°、仰角60°、孔径56 mm、孔间距15 m、孔深24 m；回采帮侧钻孔方位角135°、仰角45°、孔径56 mm、孔间距15 m、孔深30 m。

3.4 大直径钻孔和顶板压裂孔防冲效果监测

3.4.1 大直径钻孔防冲效果监测

21103工作面回风巷帮部大直径卸压前后微震及冲击事件的时间序列如图6。

图6 21103工作面回风巷帮部大直径卸压前后微震及冲击事件的时间序列Fig.6 Time series of microseismic and shock events before and after large diameter pressure relief in return air side of 21103 working face

回风巷帮部大直径卸压钻孔实施前，21103工作面回风巷104J以上能量事件共计发生过4次，其中2月6日和2月15日的2起4次方能量事件诱发了冲击地压，诱发冲击比例达到50%，巷道最大破坏长度达48 m。实施煤层大直径卸压钻孔后，共发生104J以上能量事件9次，仅有1起4次方能量事件诱发了轻微冲击，诱冲比例为11%。上述分析表明，煤层大直径卸压钻孔的施工虽然没有遏制高能量事件频发态势，但可以明显的降低高能量事件的诱发冲击地压比例，其原因是帮部煤层大直径卸压钻孔不仅使得集中应力向围岩深部转移，而且增加了钻孔附近裂隙发育情况，在巷道两帮形成一定范围的卸压保护带，一定程度上衰减了顶板断裂引发的动态应力波，耗散了应力波携带的弹性应变能量，从而避免了冲击地压的启动和显现。

3.4.2 顶板压裂孔防冲效果监测

利用顶板压裂孔不同施工阶段的微震数据来宏观分析工作面总体预裂效果，第1阶段21103综采工作面从距离切眼753～1 322 m段回风巷顶板采取顶板水力压裂断顶技术；第2阶段从距离切眼1 322～1 912 m段回风巷顶板均未采取顶板水力压裂断顶技术。

在第1阶段21103工作面共监测到有效微震事件7 740次，1次方以下、1～2次方、2～3次方、3～4次方、4次方及5次方能级事件所占比例分别为74.32%、19.53%、4.63%、1.37%及0.16%；在第2阶段21103工作面共监测到有效微震事件6 631次，1次方以下、1次方、2次方、3次方、4次方及5次方能级事件所占比例分别为59.60%、28.50%、9.24%、2.37%及0.27%；2个阶段微震事件统计表见表2。

表2 2个阶段微震事件统计表Table 2 Statistical table of microseismic events in two stages

为避免传感器挪移或故障等情况造成小能量微震事件数量波动，仅对2次方（即100 J）以上微震事件进行统计对比分析，可见第2阶段的微震事件在各能量级区间内均显著高于第1阶段。结果表明：工作面在未进行水力压裂区域推采时，易引起能量的集中释放，引发大能量事件发生；工作面在回风巷均进行了水力压裂的区域推采时，工作面的安全性，明显高于未进行水力压裂施工的区域。