沖擊危險(xiǎn)煤層膨脹致裂卸壓效果的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究

陳長鵬，王建華

（1.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司 霄云煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引 言

現(xiàn)階段沖擊地壓災(zāi)害已成為制約我國深部礦井的重要因素之一[1-2]。為此，通過采取卸壓解危手段預(yù)防和消除沖擊地壓危險(xiǎn)，是提升深部煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的保證。當(dāng)前我國針對(duì)沖擊地壓的治理技術(shù)主要有深孔斷頂爆破、大直徑防沖鉆孔卸壓、斷底爆破、頂板水力壓裂等方式[3]。但受限于現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境和卸壓所產(chǎn)生的次生災(zāi)害等因素影響，大部分卸壓技術(shù)適用范圍較小。大直徑鉆孔卸壓因其施工簡單、卸壓成本低、不易造成次生災(zāi)害等優(yōu)點(diǎn)，成為煤礦治理沖擊地壓災(zāi)害的主要途徑[4]。

通過在高應(yīng)力巷道的巷幫施工大直徑鉆孔卸壓，改變巷幫深部煤體的受力狀態(tài)，使鉆孔周圍煤體在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙并發(fā)生破碎[5]，在此基礎(chǔ)上通過施工多個(gè)鉆孔，實(shí)現(xiàn)鉆孔周圍裂隙區(qū)域的相互貫通，使應(yīng)力集中峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，降低巷幫淺部圍巖的應(yīng)力集中程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的卸壓作用[6]。同時(shí)，張兆民等[5,7]在對(duì)鉆孔參數(shù)對(duì)卸壓效果影響規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，降低鉆孔間距、增加鉆孔直徑能有效增加卸壓鉆孔的卸壓效果。但受限于現(xiàn)有設(shè)備和圍巖變形控制的影響，大直徑卸壓鉆孔的鉆孔參數(shù)選擇范圍有限，限制了大直徑鉆孔卸壓的卸壓效果的提升空間。

化學(xué)膨脹劑作為綠色環(huán)保材料，憑借其“無振動(dòng)、無飛石、無噪音、無污染”的特點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地上無圍壓狀態(tài)的破巖、致裂領(lǐng)域[8]。王秋旭等[9]將靜態(tài)膨脹劑應(yīng)用于高層框架樓結(jié)構(gòu)的拆除；肖力群等[10-11]將化學(xué)膨脹劑應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的大規(guī)模石方開挖工程中。可以看出，化學(xué)膨脹劑能有效致裂巖體。但現(xiàn)階段化學(xué)膨脹劑的使用多集中于無圍壓環(huán)境下，對(duì)于井下高應(yīng)力環(huán)境下的致裂卸壓效果并未進(jìn)行深入研究。

鑒于此，本文以霄云煤礦1318工作面為工程背景，在分析現(xiàn)有常規(guī)大直徑鉆孔卸壓能力不足的基礎(chǔ)上，改善大直徑卸壓技術(shù)，提出膨脹致裂卸壓方法，將化學(xué)膨脹劑與鉆孔卸壓結(jié)合，提高卸壓能力。

1 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1318工作面軌道順槽在完成沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)卸壓后，煤體內(nèi)將形成弱化帶，弱化帶的形成使煤體內(nèi)能量積聚降低，彈性能峰值位置向圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善了巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，使煤巖體沖擊危險(xiǎn)性得以解除[6]。從圖1對(duì)霄云煤礦1318工作面2022年1月份回采期間的鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在鉆孔深度4~5 m，單米煤粉增長量出現(xiàn)一定程度的激增，單米煤粉增長量由0~5 m深度的0.2增長至0.57，增幅為185 %；在5~10 m，單米煤粉增長量出現(xiàn)先增長后平緩的變化趨勢(shì)?？梢缘贸觯Ｒ?guī)大直徑鉆孔卸壓能一定范圍內(nèi)改變煤巖體的應(yīng)力環(huán)境，但對(duì)于圍巖深度5~10 m，常規(guī)大直徑卸壓能力有限，煤體內(nèi)應(yīng)力集中顯現(xiàn)依舊明顯，說明大直徑鉆孔卸壓已不能滿足1318工作面的卸壓需求。

圖1 現(xiàn)場鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 On-site drilling cuttings monitoring data

2 常規(guī)卸壓方式與膨脹致裂卸壓模擬對(duì)比分析

2.1 模擬方案

目前，膨脹材料可選型號(hào)較多，膨脹力范圍在10~80 MPa。根據(jù)kγH豎向應(yīng)力計(jì)算公式，可知現(xiàn)有工作面豎向應(yīng)力范圍在18~30 MPa（埋深600~1 000 m；應(yīng)力集中系數(shù)1.5）。所以本次數(shù)值模擬研究膨脹力大小對(duì)煤體卸壓效果的影響規(guī)律時(shí)，對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算模型上表面施加19.6 MPa（工作面平均埋深523 m）的豎向荷載。分別模擬膨脹力為垂直應(yīng)力1、2、3、3.3、3.6、4等不同倍數(shù)時(shí)的塑性區(qū)分布及應(yīng)力差值變化，各方案的具體參數(shù)見表1。數(shù)值模型如圖2所示。數(shù)值模擬所需巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.2 numerical model for simulating

表1 膨脹材料膨脹力模擬方案Table 1 Simulation scheme of expansion force of expansive materials

表2 巖層力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters

續(xù)表

2.2 模擬結(jié)果分析

從圖3不同膨脹力下，沿鉆孔深度方向，巷道圍巖煤體σ1~σ3的變化曲線可以看出，膨脹材料全孔充填后，圍巖煤體在各個(gè)深度的σ1~σ3隨膨脹力的增大有明顯提升，其中，對(duì)于常規(guī)大直徑鉆孔卸壓程度較小的5~10 m，充填膨脹材料后σ1~σ3有明顯提升，應(yīng)力差值由未充填時(shí)的6.82 MPa增長至16.10 MPa，增幅達(dá)到136%。對(duì)于鉆孔其他深度，充填膨脹材料后，煤體應(yīng)力差值也有較大程度增長，其中0~5 m，受巷道臨空區(qū)影響，巷道圍巖煤體自由度較大，應(yīng)力差值增長幅度最大，由未充填時(shí)的3.15 MPa增長到78.40 MPa膨脹力時(shí)的29.80 MPa。

圖3 不同膨脹力下沿鉆孔深度方向巷道周圍煤體σ1~σ3Fig.3 Coal around roadway along borehole depth under different expansion forces σ1~σ3

從圖4不同膨脹力下巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍可以看出，隨著膨脹力的增長，巷道圍巖煤體周邊塑性區(qū)分布逐步增大，塑性區(qū)由深部圍巖（距巷幫15~20 m）和淺部圍巖（距巷幫0~5 m）向中部圍巖發(fā)展，當(dāng)膨脹力為58.80 MPa時(shí)，巷道圍巖煤體沿鉆孔深度方向?qū)崿F(xiàn)塑性區(qū)全段連通，隨著膨脹力的逐步增大，即從58.80 MPa增長至78.40 MPa，相鄰鉆孔間的塑性區(qū)不斷發(fā)展，在膨脹力為78.40 MPa時(shí)，實(shí)現(xiàn)相鄰鉆孔間塑性區(qū)的貫通。

圖4 不同膨脹壓下巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution of roadway surrounding rock under different expansion pressures

從圖5可以看出，距巷幫10 m位置處煤體σ1~σ3變化曲線表明，膨脹致裂能有效提高巷道深部圍巖σ1~σ3，應(yīng)力差值的增加，加大巷道深部圍巖煤體的損傷程度，增大彈性應(yīng)變能的耗散；膨脹力在40~74 MPa時(shí)，σ1~σ3值隨膨脹力的增加有較大的增幅變化，在此區(qū)間內(nèi)每增加單位兆帕膨脹力能得到更高的卸壓效果。

圖5 10 m位置應(yīng)力差值變化曲線Fig.5 Variation curve of stress difference at 10 m position

3 結(jié) 論

（1）常規(guī)大直徑鉆孔卸壓雖能改變巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，但受鉆孔直徑、鉆孔間距的限制以及地應(yīng)力大小的影響，卸壓效果有限。通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，實(shí)施常規(guī)大直徑鉆孔卸壓后，1318工作面巷道幫部煤體應(yīng)力集中程度降低，但對(duì)巷道圍巖深度5~10 m，卸壓能力明顯不足。

（2）膨脹致裂卸壓相較于常規(guī)大直徑鉆孔卸壓，卸壓效果明顯增強(qiáng)，相較于鉆孔卸壓，實(shí)施膨脹致裂卸壓后，在巷幫煤體深度5~10 m，應(yīng)力差值最大提升達(dá)136%。同時(shí)，膨脹材料膨脹力的大小對(duì)卸壓效果影響較大，隨膨脹力的增加，巷道圍巖σ1~σ3增加，圍巖塑性區(qū)范圍在逐步增大。膨脹力大小為78.4 MPa時(shí)，卸壓效果最好。