冲击危险煤层膨胀致裂卸压效果的数值模拟试验研究

陈长鹏，王建华

（1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.济宁矿业集团有限公司 霄云煤矿，山东 济宁 272000）

0 引 言

现阶段冲击地压灾害已成为制约我国深部矿井的重要因素之一[1-2]。为此，通过采取卸压解危手段预防和消除冲击地压危险，是提升深部煤矿安全生产和经济效益的保证。当前我国针对冲击地压的治理技术主要有深孔断顶爆破、大直径防冲钻孔卸压、断底爆破、顶板水力压裂等方式[3]。但受限于现场复杂环境和卸压所产生的次生灾害等因素影响，大部分卸压技术适用范围较小。大直径钻孔卸压因其施工简单、卸压成本低、不易造成次生灾害等优点，成为煤矿治理冲击地压灾害的主要途径[4]。

通过在高应力巷道的巷帮施工大直径钻孔卸压，改变巷帮深部煤体的受力状态，使钻孔周围煤体在高应力作用下产生裂隙并发生破碎[5]，在此基础上通过施工多个钻孔，实现钻孔周围裂隙区域的相互贯通，使应力集中峰值向煤体深部转移，降低巷帮浅部围岩的应力集中程度，实现对巷道围岩的卸压作用[6]。同时，张兆民等[5,7]在对钻孔参数对卸压效果影响规律的研究中发现，降低钻孔间距、增加钻孔直径能有效增加卸压钻孔的卸压效果。但受限于现有设备和围岩变形控制的影响，大直径卸压钻孔的钻孔参数选择范围有限，限制了大直径钻孔卸压的卸压效果的提升空间。

化学膨胀剂作为绿色环保材料，凭借其“无振动、无飞石、无噪音、无污染”的特点已经广泛应用于地上无围压状态的破岩、致裂领域[8]。王秋旭等[9]将静态膨胀剂应用于高层框架楼结构的拆除；肖力群等[10-11]将化学膨胀剂应用于复杂环境下的大规模石方开挖工程中。可以看出，化学膨胀剂能有效致裂岩体。但现阶段化学膨胀剂的使用多集中于无围压环境下，对于井下高应力环境下的致裂卸压效果并未进行深入研究。

鉴于此，本文以霄云煤矿1318工作面为工程背景，在分析现有常规大直径钻孔卸压能力不足的基础上，改善大直径卸压技术，提出膨胀致裂卸压方法，将化学膨胀剂与钻孔卸压结合，提高卸压能力。

1 现场监测数据分析

1318工作面轨道顺槽在完成冲击地压危险区域预卸压后，煤体内将形成弱化带，弱化带的形成使煤体内能量积聚降低，弹性能峰值位置向围岩深部转移，改善了巷道围岩应力环境，使煤岩体冲击危险性得以解除[6]。从图1对霄云煤矿1318工作面2022年1月份回采期间的钻屑法监测数据可以看出，在钻孔深度4~5 m，单米煤粉增长量出现一定程度的激增，单米煤粉增长量由0~5 m深度的0.2增长至0.57，增幅为185 %；在5~10 m，单米煤粉增长量出现先增长后平缓的变化趋势。可以得出，常规大直径钻孔卸压能一定范围内改变煤岩体的应力环境，但对于围岩深度5~10 m，常规大直径卸压能力有限，煤体内应力集中显现依旧明显，说明大直径钻孔卸压已不能满足1318工作面的卸压需求。

图1 现场钻屑法监测数据Fig.1 On-site drilling cuttings monitoring data

2 常规卸压方式与膨胀致裂卸压模拟对比分析

2.1 模拟方案

目前，膨胀材料可选型号较多，膨胀力范围在10~80 MPa。根据kγH竖向应力计算公式，可知现有工作面竖向应力范围在18~30 MPa（埋深600~1 000 m；应力集中系数1.5）。所以本次数值模拟研究膨胀力大小对煤体卸压效果的影响规律时，对数值模拟计算模型上表面施加19.6 MPa（工作面平均埋深523 m）的竖向荷载。分别模拟膨胀力为垂直应力1、2、3、3.3、3.6、4等不同倍数时的塑性区分布及应力差值变化，各方案的具体参数见表1。数值模型如图2所示。数值模拟所需岩层力学参数见表2。

图2 数值模拟计算模型Fig.2 numerical model for simulating

表1 膨胀材料膨胀力模拟方案Table 1 Simulation scheme of expansion force of expansive materials

表2 岩层力学参数Table 2 Rock mechanics parameters

续表

2.2 模拟结果分析

从图3不同膨胀力下，沿钻孔深度方向，巷道围岩煤体σ1~σ3的变化曲线可以看出，膨胀材料全孔充填后，围岩煤体在各个深度的σ1~σ3随膨胀力的增大有明显提升，其中，对于常规大直径钻孔卸压程度较小的5~10 m，充填膨胀材料后σ1~σ3有明显提升，应力差值由未充填时的6.82 MPa增长至16.10 MPa，增幅达到136%。对于钻孔其他深度，充填膨胀材料后，煤体应力差值也有较大程度增长，其中0~5 m，受巷道临空区影响，巷道围岩煤体自由度较大，应力差值增长幅度最大，由未充填时的3.15 MPa增长到78.40 MPa膨胀力时的29.80 MPa。

图3 不同膨胀力下沿钻孔深度方向巷道周围煤体σ1~σ3Fig.3 Coal around roadway along borehole depth under different expansion forces σ1~σ3

从图4不同膨胀力下巷道围岩塑性区分布范围可以看出，随着膨胀力的增长，巷道围岩煤体周边塑性区分布逐步增大，塑性区由深部围岩（距巷帮15~20 m）和浅部围岩（距巷帮0~5 m）向中部围岩发展，当膨胀力为58.80 MPa时，巷道围岩煤体沿钻孔深度方向实现塑性区全段连通，随着膨胀力的逐步增大，即从58.80 MPa增长至78.40 MPa，相邻钻孔间的塑性区不断发展，在膨胀力为78.40 MPa时，实现相邻钻孔间塑性区的贯通。

图4 不同膨胀压下巷道围岩塑性区分布Fig.4 Plastic zone distribution of roadway surrounding rock under different expansion pressures

从图5可以看出，距巷帮10 m位置处煤体σ1~σ3变化曲线表明，膨胀致裂能有效提高巷道深部围岩σ1~σ3，应力差值的增加，加大巷道深部围岩煤体的损伤程度，增大弹性应变能的耗散；膨胀力在40~74 MPa时，σ1~σ3值随膨胀力的增加有较大的增幅变化，在此区间内每增加单位兆帕膨胀力能得到更高的卸压效果。

图5 10 m位置应力差值变化曲线Fig.5 Variation curve of stress difference at 10 m position

3 结 论

（1）常规大直径钻孔卸压虽能改变巷道围岩应力环境，但受钻孔直径、钻孔间距的限制以及地应力大小的影响，卸压效果有限。通过对现场监测数据分析可知，实施常规大直径钻孔卸压后，1318工作面巷道帮部煤体应力集中程度降低，但对巷道围岩深度5~10 m，卸压能力明显不足。

（2）膨胀致裂卸压相较于常规大直径钻孔卸压，卸压效果明显增强，相较于钻孔卸压，实施膨胀致裂卸压后，在巷帮煤体深度5~10 m，应力差值最大提升达136%。同时，膨胀材料膨胀力的大小对卸压效果影响较大，随膨胀力的增加，巷道围岩σ1~σ3增加，围岩塑性区范围在逐步增大。膨胀力大小为78.4 MPa时，卸压效果最好。