卸压钻孔对锚索作用的影响及控制方法研究

陈金宇，王社新，贾金河，付玉凯，孙卓越

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013； 4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；5.黑龙江龙煤双鸭山矿业有限责任公司，黑龙江 双鸭山 155100)

近年来，冲击地压灾害已成为我国煤矿安全高效开采所面临的巨大难题，亦成为采矿行业学者研究的热点问题之一[1-2]。冲击地压影响因素主要包括开采深度、开采强度及工作面布置方式等,目前，众多学者从冲击地压发生机理、预测预报及防控措施等方面进行了大量研究[3-6]。其中，钻孔卸压是防控冲击地压的常用手段，在冲击地压巷道施工钻孔，通过降低钻孔周边一定范围内煤岩体应力集中程度并使高应力向深部转移，从而达到保护巷道的目的[7-8]。然而，卸压钻孔会破坏巷道煤岩体完整程度，降低其强度及稳定性，进而对巷道支护效果产生影响。因此，研究卸压钻孔对巷道支护的影响成为一个亟待解决的问题。

国内很多学者对卸压钻孔周围煤岩的影响进行了研究。马斌文等[9]采用数值模拟、理论分析及工程实践等研究方法，对卸压钻孔周围煤体卸压区分布规律及钻孔布置参数的确定方法进行了系统研究；王猛等[10]研究了卸压钻孔影响巷道围岩蠕变的规律，提出了二次加固巷道围岩的时机及关键参数；吴鑫等[11]采用3DEC数值分析了钻孔周围煤体的变形及破坏情况，得出通过钻孔卸压，使巷道两帮高应力区域转移到巷道围岩深部，并在卸压钻孔孔底形成应力增高区域，控制了浅部围岩的变形；秦子晗[12]分析了大直径钻孔卸压效果的主要影响因素，提出了采用电磁波CT探测卸压前后钻孔周围区域煤体中电磁波吸收系数来检验卸压效果。对于卸压钻孔的布置参数、煤岩体的损伤破坏程度，以及卸压效果，采用数值模拟、理论分析和现场实测的方法进行研究。这些研究已经揭示了卸压钻孔对其周围煤岩体的破坏作用及破坏规律。煤岩体的结构及强度破坏，必将对锚固体支护效果产生影响。

从上述研究成果看，卸压钻孔会对巷道围岩产生较大影响，改变原承载结构，给巷道支护带来一定困难[13-16]。因此，有必要研究如何平衡钻孔卸压与巷道支护间的关系，使巷道卸压既充分又能满足支护强度要求。以义马耿村煤矿东区13210下巷冲击地压巷道卸压钻孔为工程背景，研究卸压钻孔对锚索工作应力的影响及控制方法，以期为解决冲击地压巷道卸—支协同控制巷道安全问题提供依据。

1 工程概况

1.1 矿井概况

耿村煤矿位于河南省义马矿区西部，是我国典型冲击地压矿井。13210工作面位于东三采区胶带下山东侧，北邻13190工作面采空区，南为待开采实体煤。该矿主采2-3煤，平均煤厚10.2 m，煤层倾角为11°～13°，地质构造为单斜构造。13210工作面直接顶为泥岩，平均厚度为31.5 m；直接底为炭质泥岩，平均厚度为1.5 m；老底为砂岩，平均厚度为12.5 m。13210工作面地层综合柱状图如图1所示。

图1 13210工作面地层综合柱状图

1.2 巷道支护情况及卸压钻孔布置

13210工作面两帮采用全锚索支护，每排施工4根锚索，锚索直径为18.9 mm，长度为4 300 mm，锚索间排距均为1 000 mm。卸压钻孔采用单排水平布置，钻孔直径为160 mm，孔深为20 m，钻孔间距为1 000 mm。具体布置方式如图2所示。

图2 巷道支护及卸压钻孔布置图

2 卸压钻孔对锚索受力的影响分析

在图2中1号、3号和5号锚索上安设受力在线监测系统测点，监测随掘进工作面推进卸压钻孔对锚索受力的影响。在距掘进工作面25 m处施工钻孔卸压。上述3根锚索随工作面推进(时间变化)的锚索受力(应力)监测曲线，如图3所示。每10 min提取1次监测点数据。

图3 锚索受力曲线

由图3可以看出：受围岩变形影响，1号锚索应力初始值约为80 kN，在监测初期快速攀升，到32 d左右，锚索应力上升速率趋缓，基本为120～130 kN，锚索受力在监测初期存在局部震荡现象；3号锚索初始应力为59 kN，7 d左右出现持续震荡式攀升，距掘进工作面约37 m(监测时间36 d)，锚索受力基本稳定在74 kN；5号锚索受力在监测初期有较小下降，然后从第8天起持续震荡上升，由最初71 kN上升至81 kN后趋于稳定，此时距掘进工作面约37 m。

3根锚索均符合一般锚索受力特点，基本不受卸压钻孔影响。锚索安装后初期受围岩变形影响，出现短期锯齿震荡增长，距掘进工作面37 m左右，进入缓慢增长阶段。锚索受力初期震荡频率较高，分析其原因主要是受已掘巷道周围应力转移、重新分布影响。此外，卸压钻孔易使围岩表面更加松散，由此造成锚索托盘缓慢压实，也会对锚索初期受力产生一定影响。

3 数值模拟

根据现场条件，采用3DEC数值模拟软件，建立模型，分析锚索随掘进工作面推进，以及卸压钻孔施工时其受力状况的变化。

3.1 模型构建

模型尺寸为60 m(x)×100 m(y)×80 m(z)。巷道轴向与模型长度方向平行，长度方向的坐标轴读数从-40 m 到60 m，巷道埋深600 m，采用逐步开挖模式模拟巷道的实际掘进过程，3DEC数值模拟模型如图4所示。每次最大开挖进度为10 m。锚索和卸压钻孔监测点布置在接近模型中心位置，对应于模型长度方向的坐标范围(0，5)之间。安装3根锚索，位置分布对应巷道轴向坐标y=1，2，3 m。

图4 3DEC数值模拟模型

锚索初始应力分布如图5所示，锚索安装在煤帮中部，锚索预紧力为200 kN。为清楚显示锚索位置，将煤帮上部块体隐藏，隐藏块体长度为20 m。

图5 锚索初始应力分布

3.2 模拟结果分析

巷道开挖后塑性区与锚索应力分布如图6所示。由图6可以看出：掘进工作面前方形成了2 m超前塑性破坏区；煤帮形成了2 m左右的塑性区，紧邻掘进工作面的煤帮塑性区范围较小；掘进端头与两帮结合部仍然为弹性区。

(a)巷道开挖后塑性区分布

安装锚索后继续推进20 m，锚索受力变化如图7所示。

(a)巷道推进20 m塑性区分布

由图7可知，3根锚索受力均有明显增加，越靠近掘进工作面，锚索载荷增加幅度越大。3根锚索的载荷增加幅度分别为20、35、85 kN。

安装锚索后继续推进20 m，然后施工ø160 mm卸压孔，观察卸压孔对锚索受力的影响，如图8所示。由图8可以看出：施工钻孔前后锚索受力变化较小，其中孔口部分略有下降；卸压孔对围岩整体塑性区影响不大，仅在孔壁形成部分零散的塑性屈服点。对同一位置的锚索在施工卸压钻孔后和未施工卸压钻孔2种情况进行受力监测，在掘进工作面都推进20 m时，锚索的受力曲线基本一致。

(a)巷道推进20 m塑性区分布(施工卸压钻孔后)

数值模拟结果显示，锚索受力随着掘进工作面推进的影响，初期增长幅度较快，越靠近掘进工作面，锚索载荷增加幅度越大。当掘进工作面推进到25 m位置时，开始打设大孔径卸压钻孔，锚索应力变化不大，其中孔口部分略有下降；卸压孔对围岩整体塑性区影响不大，仅在孔壁形成部分零散的塑性屈服点。随着工作面的继续推进，锚索距离掘进工作面的影响越来越远，其载荷呈缓慢式增长[17-20]。

4 防控措施

煤层大直径钻孔卸压是有效的冲击地压卸压解危技术，也是最为普遍的冲击地压防治技术。大直径钻孔卸压可使高应力向巷道深部转移，降低了巷道周边的应力集中程度，扩大了塑性区，释放了煤体中积聚的弹性能，从而降低了发生冲击地压的可能性。但卸压孔施工也破坏了巷道表面煤体的完整性，随着钻孔浅部长时间的蠕变坍塌，一定程度上降低了支护体作用，需对卸压孔浅部塑性区进行封孔充填处理[21-22]。

将水泥、煤粉、水按0.6∶0.4∶0.7质量配比形成注浆材料，对卸压孔2 m塑性范围内进行密实充填封孔。采用囊袋式两堵一注封孔器进行注浆，该封孔器包括注浆管、囊袋和压力阀等，如图9所示。

图9 囊袋式封孔器

该封孔器作用原理为将注浆管与注浆泵相连，打开注浆泵，浆液在注浆压力作用下充入2个囊袋，使其体积迅速膨胀，囊袋外层紧贴卸压钻孔内壁，内层紧贴注浆管外壁，形成两端密闭的注浆空间，随着注浆压力达到压力阈值时，阀门打开，浆液进入2个囊袋中间的密闭空间。13210工作面注浆时，将内部囊袋送至卸压钻孔2 m位置，外部囊袋处于孔口位置，将卸压钻孔浅部2 m范围内的空间充满浆液。

卸压钻孔2 m范围内充填与未充填2种情况下锚索受力对比曲线如图10所示。

图10 锚索受力对比曲线

从图10可以看出:开始卸压钻孔2 m范围内充填与未充填时锚索的受力增长趋势基本一致;随着受力的不断增大，卸压孔浅部未充填附近的锚索受力增长速率低于充填附近的锚索受力增长速率，卸压孔充填附近的锚索较早达到受力稳定状态，但最终卸压孔未充填附近的锚索也很快达到稳定状态。这也进一步说明卸压钻孔对锚索支护有一定的影响，但是影响不大。

5 结论

1)通过对现场锚索在卸压钻孔施工前后应力的实测表明，锚索受力初期，随着掘进工作面向前推进，巷道围岩应力不断地产生转移、重新分配，出现锯齿式的震荡增长。卸压钻孔施工初期，锚索受力未见明显降低。

2)采用3DEC数值模拟软件，建立模型，分析锚索随着掘进工作面的推进，以及卸压钻孔的施工，其受力状况的变化。发现安装锚索推进20 m，3根锚索受力均有明显增加，越靠近掘进工作面，锚索载荷增加幅度越大；卸压钻孔施工前后锚索受力变化较小，其中孔口部分略有下降；卸压孔初期对围岩整体塑性区影响不大，仅在孔壁形成部分零散的塑性屈服点。

3)采用囊袋式封孔器两端封孔后，将水泥、煤粉、水按照质量比0.6∶0.4∶0.7配成的注浆材料注入到卸压孔2 m范围内，将其充填密实，能有效地降低卸压钻孔对围岩表面松散区扩散的影响，进一步消除对锚索受力的影响。