淺談卸壓孔封孔長(zhǎng)度對(duì)卸壓效果及巷道變形的影響

王 鵬

(潞安化工集團(tuán) 調(diào)度指揮部，山西 長(zhǎng)治 046103)

煤礦強(qiáng)礦壓現(xiàn)象通常發(fā)生在工作面前方支撐應(yīng)力區(qū)，受應(yīng)力集中及采動(dòng)影響導(dǎo)致，表現(xiàn)形式一般為表面煤巖體的飛出、拋射及巷道的變形[1-2]。工作面在開(kāi)采過(guò)程中由于煤體和巖層中的應(yīng)力激增而產(chǎn)生礦壓災(zāi)害成為采場(chǎng)主要的安全隱患，已成為亟待解決的工程問(wèn)題[3]。目前，在高應(yīng)力區(qū)施工大口徑卸壓孔是較為有效的解決方法，但是，卸壓孔的封孔長(zhǎng)度對(duì)卸壓效果及巷道變形有著怎樣的影響，需要我們做進(jìn)一步的研究。

1 工作面概況

余吾煤業(yè)公司位于山西省屯留縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)能力為750萬(wàn)t/a，為高瓦斯礦井。礦井主采3號(hào)煤層，埋深500～700 m，煤層厚度5～7.25 m，平均厚度5.99 m，煤體硬度1

N2103回風(fēng)巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，底板留有約2.5 m的底煤；巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)(修巷期間巷道頂板進(jìn)行過(guò)二次加固)，巷道原始斷面(寬×高=4.8 m×3.2 m)，修巷后斷面(寬×高=4.8 m×4.0 m)。N2103工作面位于公司北風(fēng)井東翼采區(qū)，工作面北側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為北風(fēng)井東翼5條大巷，西側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為 N2105工作面(已采)，與 N2103回順之間留設(shè)30 m煤柱，N2103強(qiáng)礦壓區(qū)位置如圖1所示。N2103工作面切眼長(zhǎng)度320 m，走向長(zhǎng)度3 100 m，底板標(biāo)高 +412～+497 m，埋藏深度586～562 m。

截止N2103工作面發(fā)生強(qiáng)礦壓現(xiàn)象時(shí)，工作面已回采1 205 m，回順超前維護(hù)長(zhǎng)度100 m，采用一梁三柱棚架設(shè)大板棚支護(hù)，棚距800 mm。超前棚內(nèi)距切眼20 m范圍，巷道收斂嚴(yán)重，巷高2.5 m，巷寬2.5 m；超前棚內(nèi)巷道底鼓嚴(yán)重。

圖1 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)區(qū)域位置

2 卸壓措施及檢測(cè)措施

2.1 卸壓孔布置

大直徑鉆孔卸壓是利用鉆孔方法消除或減緩強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)的解危措施。此法基于施工鉆屑法鉆孔時(shí)產(chǎn)生的鉆孔沖擊現(xiàn)象。鉆進(jìn)愈接近高應(yīng)力帶，由于煤體積聚能量愈多，鉆孔沖擊頻度越高，強(qiáng)度也越大。盡管鉆孔直徑不大，但鉆孔沖擊時(shí)煤粉量顯著增多。因此每一個(gè)鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū)，當(dāng)這些破碎區(qū)互相接近后，便能使煤層破裂卸壓。鉆孔卸壓的實(shí)質(zhì)是利用高應(yīng)力條件下，煤層中積聚的彈性能來(lái)破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險(xiǎn)[4-6]。

在N2103回風(fēng)巷道煤墻和煤柱側(cè)自切眼20 m往外分別布置卸壓孔，卸壓孔采用具有較大功率的風(fēng)鉆打眼，插接式麻花鉆桿，距底板高1.5 m，垂直煤墻打設(shè)，孔深20 m，孔徑120 mm，間距2 m。每4個(gè)為一組，封孔長(zhǎng)度分別為不封孔、封孔500 mm、1 500 mm和2 000 mm，煤墻和煤柱側(cè)分別布置10組共計(jì)80個(gè)卸壓孔。

2.2 鉆屑檢測(cè)孔布置

為了檢測(cè)不同封孔長(zhǎng)度對(duì)卸壓效果的影響，在N2103回風(fēng)巷道煤墻和煤柱側(cè)分別打一輪鉆屑檢測(cè)孔，觀測(cè)周期為3 d/次。檢測(cè)孔用具有較大扭矩的電鉆打眼，插接式麻花鉆桿，每節(jié)鉆桿長(zhǎng)1.0 m，鉆桿和鉆頭直徑為42 mm，鉆孔深度14 m，鉆孔距離底板高度為1.0～1.2 m。l～3 m鉆屑量舍棄，從4 m開(kāi)始記錄。

鉆屑法檢測(cè)強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)性的指標(biāo)由煤粉量、深度和動(dòng)力效應(yīng)組成。煤粉量是每米鉆孔長(zhǎng)度所排出的煤粉的質(zhì)量，單位為kg；深度是從煤壁至所測(cè)煤粉量位置的鉆孔長(zhǎng)度，可折算成鉆孔地點(diǎn)實(shí)際采高的倍數(shù)，動(dòng)力效應(yīng)是鉆孔產(chǎn)生的卡鉆、孔內(nèi)沖擊、煤粉粒度變化等現(xiàn)象。

確定煤粉量的臨界值，首先需要取標(biāo)準(zhǔn)煤粉量，再結(jié)合鉆粉率指數(shù)確定臨界值。

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉆粉量時(shí)應(yīng)避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造影響帶、超前支承壓力影響帶、殘留煤柱影響帶等典型應(yīng)力異常區(qū)域。用鉆粉率指數(shù)方法判別工作地點(diǎn)強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)性的指標(biāo)[7]，可參照表1的規(guī)定，結(jié)合實(shí)際情況執(zhí)行。實(shí)際鉆粉率達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)或出現(xiàn)鉆桿卡死現(xiàn)象，可判定所測(cè)工作地點(diǎn)有強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)。

表1 判別工作地點(diǎn)強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)性的鉆粉率指數(shù)

表1中，鉆粉率指數(shù)=每米實(shí)際鉆粉量(kg)/每米正常鉆粉量(kg)，正常鉆粉量是在支承壓力影響帶范圍以外測(cè)得的煤粉量。測(cè)定煤層正常鉆粉量時(shí)，鉆孔數(shù)不應(yīng)少于5孔，并取各孔煤粉量的平均值。

2.3 表面位移觀測(cè)站布置

在N2103回風(fēng)巷道打設(shè)卸壓孔之前先測(cè)量1組表面位移作為初始觀測(cè)值，打設(shè)卸壓孔后，在每組卸壓孔上布置1組測(cè)點(diǎn)。每組測(cè)點(diǎn)4個(gè)(頂?shù)装寮皟蓭?，采用“十”字布點(diǎn)法布置，采用皮尺進(jìn)行測(cè)量，所有測(cè)點(diǎn)觀測(cè)周期為5 d/次。

3 回風(fēng)巷卸壓效果分析

3.1 巷道變形情況分析

表面位移觀測(cè)站沿切眼往外依次測(cè)定了10組數(shù)據(jù)，觀測(cè)周期為5 d/次，共觀測(cè)了5次。由于篇幅所限，取其中具有代表性的前三組和后兩組進(jìn)行分析研究，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 表面位移觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 巷道寬和巷道高差值

表面位移共測(cè)定了5次，選取第一、二、三、九、十組的數(shù)據(jù)做比較，圖2為巷道寬和巷道高在4種封孔長(zhǎng)度下的差值。通過(guò)對(duì)比圖中數(shù)據(jù)可知，巷道寬度受卸壓孔封孔長(zhǎng)度影響較大，不封孔時(shí)差值為0.28～0.34 m，隨著封孔長(zhǎng)度的增加，差值變?yōu)?.26～0.31 m，變形量下降2～3 mm，說(shuō)明封孔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，巷道寬差值越小，巷道變形較小。主要原因是隨著封孔長(zhǎng)度的增加，對(duì)巷道原有的支護(hù)破壞變小，所以巷道兩幫變形較小。巷道高整體變形較小，變形量為0.18～0.28 m，各種封孔長(zhǎng)度下，對(duì)巷道高度的變形影響較小。由此可知，封孔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)巷道的變形影響越小，但是需要綜合考慮卸壓效果和材料消耗來(lái)決定封孔長(zhǎng)度。

3.2 鉆屑法驗(yàn)證卸壓效果分析

鉆屑量沿切眼往外依次測(cè)定了10組數(shù)據(jù)，觀測(cè)周期為3 d/次，共觀測(cè)了5次。鉆屑量每1 m記錄1次，1～3 m舍棄，從第4 m開(kāi)始記錄，記錄之后先對(duì)鉆屑量大的地點(diǎn)進(jìn)行分析，然后取每個(gè)點(diǎn)的平均值記錄在表3中。

表3 鉆屑量觀測(cè)數(shù)據(jù)

注：當(dāng)鉆孔深度≤9 m時(shí)，臨界值=標(biāo)準(zhǔn)值×1.5；當(dāng)鉆孔深度>9 m時(shí)，臨界值=標(biāo)準(zhǔn)值×2.5

由表3中可知，隨著封孔長(zhǎng)度的增加，鉆屑量有了一定量的增加，但是增加較??；主要是受到兩方面的影響，其一是隨著卸壓孔往外延伸，受工作面的擾動(dòng)影響變小，所以鉆屑量有一定程度的減??；其二是封孔長(zhǎng)度的增加，使得卸壓孔內(nèi)的卸壓效果有一定程度的降低。但是卸壓效果整體較好，在標(biāo)準(zhǔn)值上下浮動(dòng)，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)用鉆屑法和表面位移監(jiān)測(cè)兩種方法驗(yàn)證，可知隨著封孔長(zhǎng)度的增加，巷道的變形在減小，鉆屑量有一定程度的增加，但是兩者都在可控范圍內(nèi)。綜合考慮，如果從節(jié)省材料、卸壓效果及巷道變形綜合分析來(lái)看，卸壓孔封孔長(zhǎng)度采用2 m，效果較好，我們也會(huì)在日后的應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)。