煤巷底板防冲钻孔释能解危原理及参数优化.docx

    煤巷底板防冲钻孔释能解危原理及参数优化    陈 涛（国家开发银行河南省分行, 河南 郑州 450002）0 引 言冲击地压是煤矿开采过程中煤岩体受采动影响发生突然破坏，释放大量能量，并对附近采场和巷道造成严重破坏的强烈动力灾害[1-3]冲击地压类型可根据诱发冲击的主控因素分为顶底板型、煤柱型、断层型与褶曲型[4]其中，我国煤矿发生底板冲击地压的现象十分严重，为煤矿安全生产带来巨大威胁特别是在我国华亭矿区、彬长矿区的底板冲击危险尤为突出，且随着开采规模与开采深度不断增加，底板冲击现象将愈发严重，因此，科学高效的底板型冲击地压防治理论与方法亟待研究底板型冲击地压是在矿井开采或掘进扰动下诱发底板煤岩体变形能瞬时释放，同时底板煤岩体瞬间向上突出，并引起采掘空间围岩失稳及设备破坏的动力灾害大量特厚煤体条件下底板冲击地压事故研究结果表明[5-7]，底板冲击显现多发生于特厚煤层开采上分层或厚煤层开采的巷道，巷道沿顶板布置，导致巷道底板留有底煤，且未采取有效的底板防冲措施和合理支护，进而诱发底板冲击显现，其显现特征以底鼓为主近年来，国内外学者对底板型冲击地压机理进行了研究，取得了一定的成果，其中张晨阳[8]研究结果表明巷道掘进时，底板岩层是主要的冲击动力能贮存体，而底煤是主要的动力释放显现体；龚少坤[9]根据尖点突变理论建立了巷道底板的突变模型，得到了巷道底板冲击的尖点突变判别准则，并分析了突变模型中巷道底板水平应力和位移参量对突变状态的影响规律；芦庆和等[10]理论分析了巷道底板失稳破坏机理，认为水平应力集中系数越高，底板越容易产生滑移变形鼓起；曹安业等[11]提出底板卸压防冲原理，认为可通过改变巷道底板的抗弯强度以降低巷道底板冲击诱发条件；徐学锋[12]在分析巷道底板冲击地压特点的基础上，建立底板冲击地压发生条件与影响因素的力学模型；MU 等[13]提出巷道宽度和水平应力是底板动态断裂的主要控制因素，两者与底板动态断裂危险性呈正相关；LIU 等[14]采用薄板模型研究底板动态破坏的条件，并认为高水平应力和动态扰动导致底板弯曲，弹性能快速大量释放，从而引起动态破坏；CHENG 等[15]提出通过改变底板能量积聚时的应力环境，并减少强动压对巷道底板的冲击，从而消除冲击地压的危险。

由于发生巷道底板型冲击地压的矿井围岩力学性质、应力状态和煤岩地质情况复杂，因此，对底板型冲击地压的发生机理并未形成统一认识此外，为提出切实高效防治底板型冲击地压的防治理论与方法，国内外学者开展了巷道底鼓及冲击危险防范解危技术研究，其中李宝富等[16]研究结果指出增强巷道底板支护强度是控制地板岩层产生动态破裂和强烈底鼓的有效措施；徐学锋[12]提出开挖卸压槽卸压，以破坏底板煤岩层的完整性，形成高应力释放空间；秦子晗[17]从煤体应力、能量和冲击倾向等角度出发，分析了大直径钻孔的卸压原理；孟宪义等[18]通过建立卸压钻孔参数与围岩膨胀变形的表达式分析了钻孔直径、长度等因素对围岩稳定性的作用规律；XIAO 等[19]基于巷道围岩变形破坏特点，提出了一种超挖锚注充填方法，该方法能有效地控制巷道底板变形和冲击地压，用以保证巷道底板的稳定性；ZHANG 等[20]根据阳城煤矿实际地质条件、围岩应力变化特点，确定了卸压钻孔的最佳布置方案，结果表明，钻孔密度越大，钻孔周围岩石裂隙发育程度越大，卸荷效果越明显目前对于底板防冲解危原理的系统研究尚未完善，巷道底板冲击危险防范解危参数的相关研究较为欠缺，底板冲击地压的防治难以达到理想效果，因此，笔者以煤层底板钻孔释能解危原理、卸压参数优化数值模拟研究以及煤层底板钻孔解危防治实践为主要研究内容，为防治底板型冲击地压提供科学依据与实践指导，保障矿井安全高效生产。

1 底板钻孔释能解危原理1.1 巷道底板诱冲机理底板型冲击地压一般发生在煤层厚而坚硬的矿井厚煤层通常采用放顶煤或分层综放开采，巷道底板一般存在较厚底煤，且通常积聚较高弹性能，极易达到诱发冲击地压的临界值大量研究成果表明水平应力对底板型冲击地压有显著的促进作用，掌握巷道底板煤层的水平应力分布规律对研究巷道底板诱冲机理至关重要选取巷道底板内厚度为d的底板单元体进行分析，其剖面图如图1 所示，该图表示巷道底板倾向剖面受力情况，分析其受力失稳情况图1 煤层底板计算力学模型Fig.1 Mechanical calculation model of coal seam floor基于弹性力学理论，弯矩计算公式M=-Nxω，结合弯矩的表达式，得出挠度的微分方程为设巷道的宽度为B1，引入k2=-Nx/EI，同时根据边界条件x=0和x=B1时ω=0，可得k=πB1可得底板两端承受水平作用力Nx的表达式：巷道底板失稳主要由水平作用力决定[21]，最大水平主应力等于自重应力水平分量和构造应力之和：式中：γ为最大水平主应力引起巷道失稳时与垂直应力的比值；σG为水平构造应力；K1为覆岩支承压力影响系数；K2为水平构造应力影响系数；B为煤柱压力承载范围，m；h为巷道高度，m；H为巷道顶板距离地表的高度，m；γr为巷道上覆岩层的平均视密度，N/m3；μ为岩石的泊松比；γm为煤层的视密度，N/m3。

当巷道底板最大水平主应力大于底板承受水平压力时，巷道底板发生破坏变形，则巷道底板的变形破坏条件为引入底板冲击危险性系数Kdp，整理得：由式（2）可见，减小底板宽度B1可有效增大Nx，提高底板破坏条件由式（5）可见，当Kdp≥1时，底板存在冲击危险，Kdp与巷道的宽度B1、煤层埋深H、覆岩支承压力影响系数K1和水平构造应力影响系数K2成正比，与底板厚度d的平方及底板岩层的弹性模量E成反比因此，降低水平构造应力影响系数K2、减小B1可以有效地降低Kdp的值，进而降低巷道底板的冲击危险性1.2 巷道底板钻孔释能解危防冲原理底板钻孔解危的防冲机理是，在不改变巷道断面尺寸条件下，对具有冲击危险的巷道底板实施解危钻孔，从而在巷道底板形成“梯形”结构（如图2 所示，其中 σh为原岩应力），可有效改善巷道底板煤岩体中的水平应力集中情况，并能够使底板中的水平应力发生转移，阻断来自巷道底板两侧的应力向存在自由面的底板传递图2 巷道底板钻孔卸压原理Fig.2 Schematic of drillhole of pressure relife in floor of roadway当在高应力的煤体内施工一系列钻孔时，由于受高应力的作用，钻孔周围的煤体会产生裂缝并发生破裂，进而引起远离钻孔的煤体破裂和松动，所以煤体中形成一个比起始钻孔孔径大很多的破碎区和塑性区。

如果实施多个大直径钻孔，钻孔周围煤体的破碎区或塑性区互相连通，煤体内则会形成范围更大的卸压区，在应力峰值减小的同时应力集中区会向煤体深处转移，起到防冲解危的作用此外，钻孔周围松散的煤体能对矿震产生的震动波起到衰减作用，使到达巷道的震动波能量迅速衰减，即使巷道深部有冲击发生，巷道周围松散煤体也会起到保护巷道的作用2 底板钻孔参数优化的数值模拟底板钻孔解危效果受钻孔布置参数影响，其中主要包括钻孔实施角度、钻孔间距、排距以及钻孔直径等本节以前述释能解危原理为基础，研究主要钻孔参数对煤层巷道底板解危效果的影响，采用FLAC3D数值模拟软件分别对不同的钻孔布置参数进行解危模拟分析2.1 数值模型建立与模拟参数选取以彬长矿区某矿实测数据，建立底板型冲击地压的巷道及顶底板数值模拟计算模型，研究的钻孔参数如图3 所示笔者采用正交实验法研究不同钻孔参数对底板解危效果的影响程度图3 底板钻孔参数示意Fig.3 Schematic of bottom plate drilling parameters本数值模拟建立在开采深度550 m、侧压系数 λ为1.5 的条件下，模型尺寸为24 m×8 m×20 m（X×Y×Z），开挖巷道断面尺寸5 m×4 m（X×Z），沿煤层顶板布置，底板留有厚3 m 底煤，力学模型采用Mohr-Coulomb 模型。

巷道开挖后围岩水平应力分布情况如图4 所示图4 开挖巷道后围岩水平应力分布Fig.4 Stress distribution of surrounding rock after tunnel excavation在未采取钻孔卸压措施时，巷道底板中线位置周围区域存在水平应力峰值区（图4），位于底板下方垂直距离1.25～1.75 m，水平范围约3.0 m，应力为30.15 MPa2.2 钻孔倾角对底板解危效果的影响结合煤矿井下钻孔施工与设备条件，数值模拟钻孔直径取为100 mm；为保证钻孔之间实现一定程度卸压效果，结合现场经验，将钻孔间距设置为3 m，沿巷道走向排距为1 m，深度为3 m；沿巷道中心线两侧对称布置时，钻孔倾角分别选取为30°、45°、60°、75°不同倾角钻孔开挖后底板水平应力分布如图5a—图5d 所示图5 不同倾角钻孔水平应力分布Fig.5 Horizontal stress distribution at different inclined boreholes在底板开挖直径100 mm，不同倾角的钻孔后，在距底板中心线两侧各8.0 m 范围，深度1.5 m 处的底板水平应力随钻孔倾角变化曲线如图6 所示。

图6 底板水平应力随钻孔倾角变化曲线Fig.6 Variation of horizontal stress with the inclination angle of borehole in roadway floor随着钻孔倾角的增加，巷道底板水平应力降低程度不断升高，从5.1%（钻孔倾角30°）逐步升高至15.1%（钻孔倾角75°），且应力集中范围逐步缩小；底板钻孔同时对巷道顶板的水平应力分布也有一定影响，随着钻孔倾角的增大，顶板的水平应力集中程度有所降低，并呈现向上部和远离巷道顶板转移，并能在一定程度上减小应力峰值区的范围以上数值模拟结果表明，当钻孔倾角为30°和45°时，仅对峰值应力在一定程度上有较小幅度的降低，对应力集中区的范围影响不大，解危效果不够理想；当钻孔倾角达到60°和75°时，峰值水平应力明显降低，应力集中区的范围缩小，并能使水平应力在一定程度上向底板深部转移因此，在施工现场条件允许的情况下，实施底板卸压钻孔倾角最好控制在60°～75°以上，可以取得较好的底板卸压解危效果2.3 钻孔间距对底板解危效果的影响解危钻孔间距是影响底板卸压效果的一个重要因素钻孔间距过小可能会导致钻孔施工量过大，虽然降低了底板水平应力集中程度，但同样限制了钻孔解危范围；钻孔间距过大则无法有效降低底板水平应力的集中程度。

为此本节模拟采用的钻孔间距分别为5、4、3、2、1 m，比较钻孔倾角为60°、直径为100 mm、排距为1 m 时卸压效果最为理想的钻孔间距图7a—图7e分别为不同钻孔间距时的水平应力数值模拟结果，图8 为距底板中心线两侧各8.0 m 范围，深度1.5 m处的巷道底板水平应力随钻孔间距的变化曲线图7 不同间距钻孔底板水平应力分布Fig.7 Horizontal stress distribution at different drilling distance in roadway floor图8 底板水平应力随钻孔间距变化曲线Fig.8 Variation of horizontal stress with distance between boreholes in roadway floor钻孔间距为5 m 和4 m 时，水平应力降低程度分别为4.7%和8.0%，水平应力集中范围有所减小，但不明显；钻孔间距为3 m 和2 m 时，水平应力降低程度分别为11.4%和15.6%，并对水平应力集中区的范围均有。