深部煤巷分段扩孔防冲卸压效果研究

2022-05-16高久国吴延良

山东煤炭科技 2022年4期

高久国杨洋吴延良

（山东唐口煤业有限公司，山东济宁 272055）

冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤（岩）体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤（岩）体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等[1-2]。近年来，由于煤层开采的深度不断增加，煤矿的生产条件越来越复杂，形成的集中应力区导致冲击地压频繁显现，容易发生片帮、冒顶、压架等危险，对煤矿的高效稳定生产形成极大的隐患[3]。

目前，常用的高应力煤体卸压解危技术手段包括爆破卸压、煤层注水和大直径钻孔，其中大直径钻孔卸压解危技术由于具有施工方便的优点，已得到了普遍的应用[4-6]。因此，在保证顺槽支护强度的基础上，使煤体内部应力向顺槽两侧转移，确保“卸-支”平衡，在保证卸压效果的基础上，避免深井地压条件下巷道的大变形，研发了分段扩孔卸压技术，即巷帮浅部区域钻孔直径小于巷帮深部区域，实现“卸-支”平衡，防治卸压不足或过度。

1 分段扩孔卸压模拟研究

1.1 模型建立

选取唐口煤矿6304 工作面3 煤层轨道顺槽为原型，巷道全长1800 m，埋深约1000 m。轨道顺槽设计为净宽5200 mm、净高4000 mm 的矩形断面，沿底板掘进煤巷，两翼均为未采区。地应力测试结果显示，矿井-800 m 以下区域以自重应力为主，垂直方向主应力与上覆岩层自重应力基本一致。

6304 工作面3 煤层煤厚10 m，直接顶为4 m泥岩，直接底为3 m 粉砂岩。其顶底板岩性见表1。

表1 6304 工作面煤层顶底板岩性特征表

建立-1000 m 处3 煤轨道顺槽数值计算模型，尺寸X×Y×Z=40 m×2 m×32 m，模型水平、底边界限制位移，上边界施加25 MPa 载荷，前后限制位移。巷道尺寸与现场一致，通过室内试验获得3 煤顶底板及煤层物理力学参数对模型进行赋参。计算模型如图1。

图1 6304 工作面轨道顺槽分段钻孔模型

本构模型选取摩尔-库伦模型进行计算，岩层及煤体物理参数经室内试验取值见表2。

表2 岩（煤）层物理参数

1.2 不同钻孔直径卸压效果

为对比不同钻孔直径下巷道卸压效果，分别取钻孔直径为90 mm 及230 mm 进行模拟，对比巷道两帮煤体垂直应力降低情况，如图2，曲线表明：

图2 不同钻孔直径下应力分布对比

（1）对比90 mm、230 mm 直径钻孔卸压后全区段煤壁垂直应力，90 mm 直径钻孔与未钻孔相比平均卸压0.5 MPa，230 mm 直径钻孔与未钻孔相比平均卸压2 MPa。

（2）对比钻孔前后煤壁峰值应力可以发现，90 mm 钻孔卸压峰值卸压1 MPa，230 mm 钻孔峰值卸压6.5 MPa。可见，卸压钻孔孔径越大，卸压效果越好。但是，实际工程发现，卸压钻孔孔径过大，会造成巷道煤壁破碎严重，对巷道支护造成困难。

扩孔卸压技术不仅能够有效降低煤体应力，而且钻孔后煤壁未发现大面积破碎，对巷道支护起到了一定的积极作用。为了提高扩孔卸压效果，模拟扩孔比例、非扩孔直径、扩孔直径对卸压效果的影响。

1.3 不同分段长度下卸压效果

通过观察扩孔比例对卸压效果的影响，设计钻孔总长20 m，非扩孔段直径90 mm，扩孔段直径230 mm。分别模拟长度比例为3:17、5:15、8:12、10:10 时卸压情况，结果如图3 所示，曲线表明：对比不同长度比例下煤壁垂直应力，非扩孔段内煤体垂直应力没有发生较大变化，非扩孔段90 mm 钻孔对煤壁未造成扰动。无论钻孔长度比例如何，扩孔段煤体垂直应力均卸压2 MPa。

图3 不同分段长度下应力分布对比

钻孔扩孔后，煤壁垂直应力发生突降，其突降点对应钻孔扩孔点。由此可见，扩孔卸压长度比例的选取应在现场测试煤壁应力峰值位置的基础上，使扩孔点位于应力峰值前，以达到良好卸压效果的同时维护煤壁的完整性。

1.4 不同浅部孔径下卸压效果

通过观察非扩孔段直径对卸压效果的影响，设计钻孔非扩孔段长度5 m，扩孔段长度15 m，扩孔段直径230 mm。分别模拟非扩孔段直径60 mm、90 mm、120 mm 时卸压情况，结果如图4 所示，曲线表明：对比不同非扩孔段直径下卸压效果，非扩孔段垂直应力变化较小，扩孔段卸压效果均可达2 MPa。原因为非扩孔段直径与扩孔段相比仍然较小，能够更好地维护煤壁完整。

图4 不同浅部孔径下应力分布对比

对比不同非扩孔段直径煤壁峰值应力可以发现，直径越大，垂直应力越小，相应的非扩孔段对煤壁的扰动越大，越不利于煤壁的完整。由此可见，为更好地维护煤壁完整，减少钻孔卸压对巷帮的扰动，非扩孔段直径应尽量选取小直径。

1.5 不同深部孔径下卸压效果

通过观察扩孔段直径对卸压效果的影响，设计钻孔非扩孔段长度5 m，非扩孔段直径90 mm，扩孔段长度15 m。分别模拟扩孔段直径170 mm、200 mm、230 mm、260 mm时卸压情况，结果如图5所示，曲线表明：对比不同扩孔段直径卸压效果，非扩孔段垂直应力没有变化。扩孔段煤壁垂直应力随着孔径的增加而降低，扩孔段大直径钻孔能够取得较好的卸压效果，其卸压效果随着孔径的增大而增强。

图5 不同深部孔径下应力分布对比

2 卸压解危效果检验

2.1 解危地点概况

因6304 工作面轨道顺槽日前已完成卸压工作，5306轨道顺槽外段掘进过程中受5305采空区影响，在沿空顺槽侧形成应力集中区，冲击危险程度较高，故选取5306 工作面轨道顺槽外段为卸压效果检验地点。5306 工作面东北侧6.5 m 处为5305 采空区，东面为南部大巷保护煤柱，西部为未开拓的实炭区，南侧为5307 掘进工作面。5306 轨道顺槽外段设计长度703 m，巷道沿煤层顶板掘进，设计断面为矩形，净宽5000 mm，净高4000 mm，净断面面积为20 m2。巷道采用锚网索支护，沿煤层底板掘进。5306 轨道顺槽外段埋深在921～976 m 之间，巷道顶板1.84 m 以上为3.03 m 厚的粉砂岩顶板，单轴抗压强度40 MPa，预计揭露三条断层。

2.2 钻孔卸压参数

（1）钻孔布置

前期成本控制涉及公司各个工作和管理环节，是各部门共同责任，前期成本控制不仅是项目管理者的职责，也是全体员工的共同职责，倡导全员节约资金，提高效益的主动精神，鼓励提出合理化成本控制建议，对降低成本控制方面有突出表现的管理部门和人员进行奖励，推广节约、增效的先进管理经验。其次结合前期预算，将项目成本控制目标层层落实下来，倡导全员成本控制文化。

钻孔布置在巷道生产帮，按1.5～1.8 m水平布置。

（2）钻孔参数

在中等和强冲击危险区域按间距2.4 m 施工大直径卸压钻孔，在弱冲击危险区域按间距3.2 m 施工大直径卸压钻孔，使用掏穴钻头，1～5 m 钻孔直径为90 mm，6～20 m 钻孔直径为90～230 mm，深度为20 m。

（3）钻孔封孔

钻孔施工完毕后，下一班次负责封孔，使用水泥与煤粉按一定配比形成的混凝土进行封孔，封孔深度比锚杆长度长300 mm。