水平应力影响下底抽巷道抽采孔布设位置研究

李朋宇

（郑煤集团工程技术研究院，河南 郑州 450042）

煤矿瓦斯抽采不仅能减少瓦斯涌出、预防瓦斯超限，还能降低煤层中存储的瓦斯能量，起到防治煤与瓦斯突出的作用，因此采用井下钻孔预抽瓦斯是防治煤与瓦斯动力灾害的主要措施[1-3]。但同一底抽巷道因受垂直应力和不同水平应力影响导致抽采孔出现不同程度的挤压变形、坍塌，这极大降低了瓦斯抽采效率，严重限制了矿井瓦斯抽采达标进程[4-5]。所以开展不同水平应力影响下底抽巷道围岩变形破坏规律研究，对明晰底抽巷道围岩破碎情况，寻求最佳打钻施工位置，从而有效提高瓦斯抽采孔使用寿命和瓦斯抽采量具有重要现实意义。

诸多学者针对巷道围岩所处不同地应力环境下变形破坏规律开展了大量研究[6-7]，根据不同的地应力环境提出了围岩控制方法，为研究奠定了一定基础。在瓦斯抽采孔稳定性研究方面，部分学者对钻孔失稳破坏机理进行分析[8-9]，并提出了相应的孔壁稳定技术措施[10]，但较少学者从底抽巷道所处不同水平应力入手，探究抽采孔打钻较优位置的选取，从而提高抽采孔稳定性，保障瓦斯高效抽采。

该文以郑州煤业集团告成煤矿底抽巷道为研究对象，通过建立FLAC3D模型对不同水平应力影响下底抽巷道围岩变形破坏特征进行分析，获得了巷道围岩不同位置的破坏程度，通过对现场不同位置钻孔开展的变形监测与裂纹分布监测，验证了数值模拟的试验结果，并基于以上研究提出了最佳钻孔位置选取的建议对策。研究结果可为类似地质条件的工程现场提供一定借鉴。

1 数值模拟模型与步骤

1.1 数值模拟模型

根据对称性原则，以巷道中心线为对称轴建立FLAC3D底抽巷道数值模型，模型如图1 所示。模型长60 m，宽60 m，高40 m，在模型中心位置开挖巷道，巷道长60 m，宽4.8 m，高3.2 m，上覆岩层单位体积质量为0.025 MN/m3，采用应变软化力学模型并在模型的四周与底部边界设定位移限定边界。在模型顶部施加垂直应力，在模型四周施加水平应力以模拟不同的地应力环境。为了保证实验模拟时岩石力学参数的真实性、模拟结果的准确性和研究的严谨性，采用基于Hoek-Brown 强度准则的岩体强度分析软件Roclab，以告成煤矿岩体力学参数为基础数据，对文中全部数值模拟部分的分析以及理论计算所涉及的岩体力学参数进行确定。模型自上而下所施加的岩体力学参数见表1。

表1 模型岩体力学参数

图1 数值模型示意图（m）

在现场工程中，由于同一底抽巷道所处的埋深基本保持一致，因此对于同一底抽巷道而言其受垂直应力的影响基本相同，而同一巷道所处不同位置的地质构造差异，导致水平应力对巷道围岩的影响显著不同。为了较好地模拟这一工程应力环境，通过对模型施加相同大小的垂直应力以及不同大小的水平应力开展底抽巷道围岩稳定性分析。施加的垂直应力大小为15 MPa，设置的4 组水平应力大小分别为12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa。

1.2 数值模拟步骤

数值模拟具体步骤：1）根据现场工程条件建立相应尺寸和层位的数值模拟模型；2）对模型不同层位赋予不同的岩体力学参数，并在模型顶部施加上覆岩层质量，使数值模型达到自重应力作用下的平衡状态，并得到原岩应力场；3）设置边界条件，根据研究目的，对模型施加一定的垂直应力及不同的水平应力；4）开挖底抽巷道，平衡后得到围岩应力重分布状态。5）根据试验需要提取相关巷道变形、塑性破坏等数据。

2 不同水平应力下巷道围岩变形破坏规律

巷道围岩变形量和破坏程度是反映巷道围岩稳定性的重要指标，因此在数值模拟试验后，为了实现对底抽巷道围岩变形的监测分析，在巷道顶板从左至右均匀设置了9 个变形监测点。巷道围岩塑性破坏程度分析主要从破坏范围和破坏比率两个参数进行比对，从而实现对不同水平应力下巷道围岩变形破坏规律的定量分析。

2.1 不同水平应力下巷道围岩变形规律

不同水平应力影响下底抽巷道顶、底板变形规律如图2 所示。由图2 可知，巷道顶板变形量与水平应力大小呈正相关关系，巷道顶板中心位置的变形量明显大于两侧的变形量。当水平应力由12 MPa增长至21 MPa 的过程中，巷道顶板最大下沉量由7.17 mm 增长到29.68 mm，增加了3.14 倍。这表明在高水平应力区域下巷道围岩破坏严重，因此在底抽巷道布设抽采钻孔时，需尽可能避开高水平应力区域，以降低因围岩破碎导致抽采钻孔失稳破坏的风险。

图2 不同水平应力下底抽巷道顶板变形规律

2.2 不同水平应力下巷道围岩破坏规律

为了探究水平应力对底抽巷道围岩破坏范围的影响，通过提取4 个不同水平应力条件下的塑性破坏进行分析。不同水平应力下底抽巷道塑性破坏分布特征如图3 所示。

图3 不同水平应力下底抽巷道塑性破坏分布特征

由图3 可知，在该工况环境下水平应力对底抽巷道围岩塑性破坏的影响显著，尤其是对顶板的影响十分强烈。巷道顶板的塑性破坏范围由水平应力12 MPa时的1.54 m扩大到水平应力21 MPa时的5.91 m，破坏范围扩大了4.37 m。

围岩的塑性破坏比率是表明围岩破坏程度的另一个重要因素，因此以数值模型中心位置x方向16 m 范围、y方向10 m 范围、z方向14 m 范围划定为塑性破坏比率监测区域，分析不同水平应力影响下底抽巷道的破坏规律。分析表明，在水平应力分别为12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 MPa 时，其塑性破坏比率为14.66 %、32.44 %、38.02 %、43.75 %，在对散点进行线性拟合后获得不同水平应力与监测区域塑性破坏比率拟合曲线（如图4 所示），根据拟合相关系数为0.907 可以充分说明水平应力与底抽巷道塑性破坏比率呈正相关关系。

图4 不同水平应力影响下监测区域塑性破坏比率

根据对底抽巷道围岩变形量、塑性破坏范围及塑性破坏比率的分析可知，水平应力是巷道围岩变形破坏的重要影响因素之一，在同一底抽巷道中水平应力越大的区域，其围岩变形破坏程度越大。由于垂直应力的影响，巷道顶板中心位置的变形相对较大，但水平应力的影响加剧了巷道围岩非均匀变形破坏的程度，这致使巷道顶板中心位置的破碎程度明显大于其两侧的围岩。

综上所述，在底抽巷道布设抽采孔时，需要充分考虑布孔位置，应当尽量避开同一底抽巷道水平应力较大的区域，以及与底抽巷道中心位置相邻近的区域，这样才能够实现从抽采孔布孔位置的角度尽可能使得抽采孔布设在围岩相对完整坚固的区域，保证抽采孔的相对稳定，以提高瓦斯抽采效率，延长抽采孔的使用寿命。

3 底抽巷道钻孔变形破坏监测

为了探究不同水平应力对巷道围岩裂纹发展规律以及稳定性的影响，采用可实现全孔壁成像的ZKXG100 矿用钻孔成像轨迹检测装置对告成煤矿23031底抽巷道顶板3个不同位置的钻孔进行窥视。

根据钻孔距巷道顶板中心位置由远到近的原则，分别以与水平方向呈90°、60°、45°的夹角进行钻孔，3 个钻孔的编号分别为R-1、R-2、R-3。为了明确钻孔孔壁内部裂隙的发育情况，选取距离巷道表面2～3 m 范围开展钻孔窥视，以实现对其孔壁裂隙的分析。钻孔窥视情况如图5 所示。

图5 告成煤矿23031 底抽巷道钻孔变形窥视图

由如图5 可知，钻孔R-3 的孔壁存在大量密集分布的裂隙，且裂隙宽度较大，说明巷道顶板中心位置的钻孔周围岩体非常破碎，且裂隙发育程度极高。钻孔R-2 的孔壁同样能够明显发现较多裂隙，其裂隙宽度相对于钻孔R-3 而言有明显的缩小。钻孔R-1 的孔壁上分布着多条宽度较窄的裂隙，其他位置的钻孔表面光滑且相对完整，说明该钻孔的围岩完整度较高，稳定性较好，其孔壁完整度高，仅可见少量宽度极窄的微裂隙。R-1 钻孔是3 个观测钻孔中稳定性最高的一个，说明相对于其他两个钻孔，这一钻孔的围岩裂隙发育程度最低，完整度最好。因此，总结以上3 个钻孔的窥视情况可以发现，距离巷道顶板中心位置越近的钻孔围岩，其裂隙发育程度越高，围岩破碎程度越大，其稳定性就越弱。这与不同水平应力作用下巷道围岩变形破坏规律相印证。

在瓦斯抽采作业过程中，钻孔孔壁变形与其所在围岩裂隙发育程度紧密相关。根据对不同水平应力条件下的围岩变形破坏规律分析以及现场同一断面不同位置钻孔孔壁的变形监测，充分说明了在底抽巷道低水平应力区域及离巷道顶板中心位置稍远部位布设抽采孔能够保证抽采孔孔壁的相对完整、变形量相比较小、裂隙发育程度较低，是确保抽采孔高效使用、减少塌孔风险的较优布设位置。

4 结论

1）底抽巷道围岩变形量、塑性破坏程度与水平应力大小呈正相关关系。巷道顶中心位置的变形量明显大于两侧的变形量。

2）距离巷道顶板中心位置越近的钻孔，其围岩裂隙发育程度越高，破碎程度越大，稳定性越弱，其孔壁存在大量密集分布的裂隙，且裂隙宽度较大。随着距离巷道顶板中心位置越远，钻孔内部裂隙分布数量、裂隙宽度皆有明显减少。

3）在底抽巷道布设抽采孔时，应当尽可能布设在低水平应力区域及离巷道顶板中心位置稍远部位。此处孔壁相对完整、变形量较小、裂隙发育程度较低，是确保抽采孔高效使用、减小钻孔塌孔风险的较优布设位置。